Від атома до чорної чорної діри
Однією з головних загадок у сучасній астрофізиці залишається "Інформаційний парадокс чорних дірок", і нові дослідження професора Хокінга, ймовірно, допоможуть його усунути. Запропонована у 1975 році Хокінгом теорія чорних дірок, вважається одним із найбільших проривів у цій сфері.
Спочатку необхідно зрозуміти, як з'являються чорні дірки. У 1783 році англійський математик Мітчел, а в 1796 незалежно від нього французький математик і астроном П'єр Симон Лаплас, розглянули умови, за наявності яких світло не здатне покинути зірку.
Під час проведення дослідження логіка вчених була досить простою. Для кожного астрономічного об'єкта можна розрахувати другу космічну швидкість або швидкість втікання, що дозволяє будь-якому фізичному тілу або частинці зовсім залишити його. Але у фізиці на той час панувала нероздільно теорія Ньютона, за якою світло є потік частинок. Розрахувати швидкість тікання частинок і тіл можна виходячи з рівності кінетичної енергії об'єкта, що перемістився на нескінченну відстань і потенційної енергії поверхні планети і кінетичної енергії тіла, що «втік» на нескінченно велику відстань.
Так зокрема вчені розрахували, що Сонце перетвориться на чорну дірку, якщо стиснеться до радіусу не більше 3-х кілометрів. Щільність його речовини під час цього процесу досягне 1016 г/см3. Радіус нашої планети Землі, стиснутої до чорної дірки, зменшиться до одного сантиметра.
Здається неймовірним, що у природі є сили, здатні стиснути зірку до таких незначних розмірів. З огляду на це висновки з робіт Лапласа та Мітчела понад сто років називали математичним парадоксом, який не має фізичного сенсу та наукової логіки.
Реальний математичний доказцього було отримано лише 1916 року. Німецький астроном та математик Карл Шварцшильд, провівши дослідження рівнянь теорії відносності Ейнштейна, отримав досить цікавий результат. Зробивши аналіз рух частки масивного об'єкта, що потрапила в гравітаційне поле, він дійшов висновку, що рівняння не має фізичного сенсу, тому що його підсумкове рішення звертається в нескінченність.
Точки, в яких фізичні характеристики поля втрачають свій зміст, називаються сингулярними чи особливими. Сингулярність у точці нуль відбиває точкову центрально-симетричну структуру силового поля. А точки, що знаходяться на сферичній поверхні, утворюють ту саму поверхню, швидкість втікання з якою дорівнює швидкості світла. Теоретично відносності вона називається горизонтом подій чи сингулярної сферою Шварцшильда.
Вже з прикладу Землі та Сонця стає зрозуміло, що чорні дірки є дуже дивними космічними об'єктами. Навіть астрономи, які мають справу з речовиною за особливих значень температури, тиску і щільності, вважають їх вкрай екзотичними, і довгий час далеко не всі вірили в реальність їхнього існування. Разом з тим перші вказівки на можливість появи чорних дірок містилися у загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, створеної далекого 1915 року. Англійський вчений-астроном Артур Еддінгтон, став одним із перших популізаторів та інтерпретаторів теорії відносності, у середині 30-х років він вивів систему рівнянь, які описували внутрішню будову зірок. Висновком із рівнянь стало те, що зірка перебуває у постійній рівновазі під дією різноспрямованих сил внутрішнього тиску та тяжіння, створюваного рухом частинок з яких складається гаряча плазма всередині космічного світила та напором випромінювання, якеутворюється у його надрах. А це вказує на те, що зірка є нічим іншим як газовою кулею, в центрі якої величезна температура, що поступово знижується до периферії. З рівнянь випливало, що температура нашого Сонця становить понад 5500 градусів, а відповідно в його центрі має бути не менше ніж 10 мільйонів градусів. Це дозволило фізику Еддінгтон зробити по-справжньому пророчий висновок: при подібній температурі дається поштовх термоядерна реакція, якої достатньо для забезпечення звичного нам світіння Сонця.
Слід визнати, що зрештою він мав рацію повністю: у центрі зірки насправді відбувається термоядерна реакція. Проте ядерна реакція в центрі зірки протікає, зірка світить, а випромінювання, що виникає при цьому, утримує її в стійкому стані. Але згодом ядерне «паливо» у зірці, що світиться, вигоряє. Виділення енергії, що випромінює, припиняється, і сила, що стримує стійке гравітаційне тяжіння, зникає. Є обмеження на масу зірки, що загасає, після якого вона починає незворотно стискатися. Математичні розрахунки показують, що цей процес починається, якщо маса зірки більша за дві-три загальної маси Сонця.
Спочатку швидкість стиснення зірки, що згасає, невелика, але темп безперервно зростає, враховуючи той факт, що сила тяжіння є обернено пропорційною квадрату відстані. Стиснення робиться незворотним, сил, здатних протистояти самогравітації, немає. Такий процес назвали гравітаційним колапсом. Швидкість наближення оболонки зірки безпосередньо до її центру збільшується і з часом, наближаючись до швидкості світла. Через деякий час, який для людини величезний, але в космічному просторі мізерно з'являється нова чорнадірка.
Раніше Стівен Хокінг стверджував, що чорна діра - це окремий космічний об'єкт, більшість фізичних властивостей якого, крім загальної маси, практично неможливо встановити. Професор заявляв, що після створення чорна діра миттєво починає втрачати масу і при цьому випромінює, яке носить випадковий характер і не передає інформації про фізичний вміст чорної діри.
Сьогодні, через три десятиліття, Стівен Хокінг прийшов до нової думки, що не все, що знаходиться в межах чорної діри, безповоротно губиться для іншого всесвіту. Відповідно до чинних законів квантової фізики, інформація, що надходить і передається, не може бути втрачена повністю, зазначає вчений. У середині 70-х він вважав, що дуже висока гравітація, яку має чорна діра, якимось чином призводить до порушення квантових законів.
Фізик стверджує, що розмірковував над цією проблемою протягом 30 років і тепер знайшов відповідь. Він дійшов висновку, що космічні випромінювання Хокінга все-таки містять інформацію, і чорна діра, що утворилася, таким чином, не перешкоджає осягненню минулого і майбутнього.
Звичайно, нова теорія Хокінга позбавляє людство нехай фантастичною, але надії на те, що космічні чорні дірки можуть з часом послужити для переміщення не тільки в просторі, а й у часі або стати перепусткою в інші світи та всесвіти. «Мені шкода, що шанувальників наукової фантастики засмутяться. Але якщо ви потрапите в чорну дірку, енергія маси повернеться до нашого всесвіту в дещо зміненій формі», — каже Стівен Хокінг.
Можливо на те, що Хокінг змінив свою думку з приводу чорних дірок, вплинуло на проведення дослідів пов'язаних з прискоренням частинок, що дозволяє проникнути в саму таємницю походження.реальності.
У сучасної фізики є перевірений засіб проникати в секрети атомного ядра — опромінити або обстріляти його частинками і стежити за процесом, що відбувається. Для перших експериментальних досліджень атома та її ядра було цілком достатньо енергії випромінювань, що виникає при розпаді радіоактивних елементів у природній формі. Але незабаром цієї енергії стало недостатньо, і щоб ще повніше пізнати сутність і «зазирнути» в ядро, фізикам було замислитися над тим, як створити потік частинок, що мають високу енергію штучно.
Відомо, що заряджена частка, наприклад, протон або електрон, що знаходиться між електродами з протилежними зарядами, прискорює рух під впливом електричних сил. Це фізичне явище породило в далекі 1930-ті роки ідею заснування лінійного прискорювача.
За запропонованою конструкцією лінійний прискорювач являв собою довгу і абсолютно пряму трубку-камеру всередині якої підтримується вакуум. Протягом по всій довжині камери розставлено безліч металевих трубок, що є електродами. Від спеціального генератора виробляє хвилі високої частоти на електроди спрямовується змінна електрична напруга таким чином, що коли перший електрод стає зарядженим, припустимо позитивно, наступний електрод буде заряджений негативним зарядом. Далі чергування позитивного електрода, відразу за ним - негативний і т.д.
Пучок електронів вистрілюється за допомогою електронної гармати у вакуумну камеру і, потрапляючи під дію потенціалу першого, позитивного зарядженого електрода починає прискорюватися, просуваючись крізь нього далі. Після цього фаза напруги змінюється, і електрод, заряджений позитивно, стає в одну митьнегативним. Тепер він робить відштовхування від себе електронів, ніби підганяючи їх. А другий електрод, який за цей час став позитивним, притягує електрони, ще більше прискорюючи їх. Після цього, коли електрон пролетить через нього, він знову стає негативним і підштовхне ярмо до третього електрода і процес продовжується до безкінечності.
У міру руху електрони поступово розганяються і вже до кінця камери досягають близькосвітової швидкості і набувають енергію в кілька сотень мільйонів електрон-вольт. Атоми та їх ядра знаходяться біля встановленого в кінці труби віконця, непроникного для повітря і через нього порція прискорених електронів завдає удару по об'єктах мікросвіту, що вивчаються.
Нескладно зрозуміти, що чим значніша енергія, яку ми можемо повідомити часткам, тим довше має бути вакуумна труба лінійного прискорювача. Її довжина може обчислюватися десятками, або навіть сотнями метрів. Але насправді це не завжди можливо. Ось згорнути трубу в окрему компактну спіраль, такий прискорювач може розміститися в науковій лабораторії.
Впровадити подібну ідею в життя допомогло фізичне явище, саме той факт, що потрапивши в магнітне поле заряджена частка, починає рухатися не по прямій лінії, а «завивається» навколо потужних магнітних силових ліній. Таким чином, було створено такий тип прискорювача, як циклотрон.
Основну частину циклотрону становить потужний електромагніт, і розташована між його полюсами плоска циліндрична камера, що складається з металевих коробок, напівкруглої форми та розділених невеликим зазором. Металеві коробки - дуанти - виконують функцію електродів і з'єднані з різними полюсами генератора, що подає змінну напругу. У центрі камери розташоване джерело заряджених частинок, подібністьелектронної гармати.
Вилітаючи з джерела, частка відразу ж притягується до негативно зарядженого електрода. Усередині електрода немає електричного поля, тому частка пересувається в ньому за інерцією. Під потужним впливом магнітного поля, частка описує півколо і наближається до зазору між електродами. Протягом цього часу перший електрод набуває позитивного заряду і тепер виштовхує частинку, в той же час інший втягує її в себе. Таким чином, переходячи від одного дуанта до іншого, частка набирає величезну швидкість і окреслює спіраль, що розкручується. На мішені частинки з камери виводяться за допомогою спеціальних магнітів.
У міру того, як сучасні фізики все глибше проходили в структуру ядра, з'явилася потреба в частках, що мають вищу енергію. Сьогодні найпотужніший прискорювач частинок – колайдер – знаходиться у США – «Теватрон». Свою назву він отримав за те, що в його кільці, довжина якого шість кілометрів за допомогою мегапотужних надпровідних магнітів частинки набувають енергії більше одного тераелектронвольта. Механізм взаємодії ядер з урахуванням таких великих енергій цікавий сам собою, але набагато важливіше, що вперше в умовах лабораторії ми можемо досліджувати процес зародження нашого Всесвіту. За допомогою колайдера в США проводяться експерименти з метою практичного відтворення в лабораторних умовах справжнісінького Великого вибуху, з якого, згідно з припущенням, почався наш Всесвіт. У цьому справді сміливому експерименті брали активну участь фізики з двадцяти держав світу, серед яких були і українці.
Можливо, завдяки дослідженням вчених фізиків, математиків, астрономів, хіміків, вже найближчими роками ми дізнаємося, як стався СВІТ.
Джерела : http://www.nkj.ru/archive/articles/8028/ http://www.tiptoptech.net/uskoritel.html
Що таке реальність
Реальність починається з атома і, досягаючи чорних дірок, простягається до меж Всесвіту. Розуміння природи дійсності веде вчених далеко межі понимаемого. Але будьте обережні. Як тільки ви увійдете в їхню реальність, ви ніколи не зможете дивитися на світ колишніми очима.