Арбітражний процес
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське гос-во
Бухгалтерський облік і аудит
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Етика
Держава і право
Цивільне право і процес
Діловодство
Гроші та кредит
Природничі науки
Журналістика
Екологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Іноземна мова
Інформатика
Інформатика, програмування
Історичні особистості
Історія
Історія техніки
Кибернетика
Комунікації і зв'язок
Комп'ютерні науки
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптология
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Російська література
Література і російська мова
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Міжнародне публічне право
Міжнародне приватне право
Міжнародні відносини
Менеджмент
Металургія
Москвоведение
Мовознавство
Музика
Муніципальне право
Податки, оподаткування
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Новітня історія, політологія
Оккультизм
Решта реферати
Педагогіка
Поліграфія
Політологія
Право
Право, юриспруденція
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехника
Митна система
Теорія держави і права
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Трудове право
Туризм
Кримінальне право і процес
Керування
Управлінські науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Господарське право
Цифрові пристрої
Екологічне право
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Ергономіка
Чорні дірки
Категорія: Астрономія
ЗМІСТ.

ВСТУП.
Утворення чорних дір. Гравітаційного колапсу. Гравітаційні РАДІУС.
КВАНТОВА ВИПРОМІНЮВАННЯ чорних дір.
Термодинаміка чорних дір.
Чорні дірки і термодинаміки.
ТЕМПЕРАТУРА й ентропія чорної діри.
Термодинаміка і ІНФОРМАЦІЯ.
Інформаційна ПІДХІД ДО Термодинаміка.
Ентропії і ІНФОРМАЦІЯ.
Чорні дірки І ЧАС.
Ефект уповільнення ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.
КВАНТ ПРОСТОРУ - ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.
ТИПИ ЧЕРНИХДИР.
ВИСНОВОК.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.
 
ВСТУП.

Чорні дірки - об'єкти зовсім фантастичні за своїми властивостями. «З усіх вигадок людського розуму, від однорогів і химер до водневої бомби, напевно, саме фантастичне - це образ чорної дірки, відокремленою від решти простору певної границею, що ніщо не може перетнути; дірки, що володіє настільки сильним гравітаційним полем, що навіть світло затримується його мертвою хваткою; діри, викривляє простір і гальмує час. Подібно єдинорога і химерами, чорна діра здається більш доречною у фантастичних романах або в міфах давнини, ніж у реальному Всесвіту. І, тим не менше, закони сучасної фізики фактично вимагають, щоб чорні дірки існували. Можливо, тільки наша Галактика містить їх »- так сказав про чорні діри американський фізик К. Торн.
До цього слід додати, що всередині чорної діри дивним чином змінюються властивості простору і часу, закручується у своєрідну лійку, а в глибині знаходиться межа, за якою час і простір розпадаються на кванти ... Всередині чорної діри, за краєм цієї своєрідної гравітаційної безодні, з якого немає виходу, течуть дивовижні фізичні процеси, виявляються нові закони природи.
Чорні дірки є найграндіознішими джерелами енергії у Всесвіті. Ми, ймовірно, спостерігаємо їх у далеких квазарах, під вибухають ядрах галактик. Вони виникають також після смерті великих зірок. Можливо, чорні дірки в майбутньому стануть джерелами енергії для людства.

Утворення чорних дір. Гравітаційного колапсу. Гравітаційні РАДІУС.

Учені встановили, що чорні дірки мають виникати в результаті дуже сильного стиснення будь-якої маси, при якому полі тяжіння зростає настільки сильно, що не випускає ні світ, ні будь-яке інше випромінювання, сигнали або тіла.
Ще в 1798 р. П. Лаплас, досліджуючи поширення світла в поле тяжіння об'єкта, велика маса якого зосереджена усередині малої області простору, прийшов до висновку, що в природі можуть зустрічатися тіла абсолютно чорні для зовнішнього спостерігача. Поле тяжіння таких тіл настільки велике, що не випускає назовні променів світла (мовою космонавтики це означає, що друга космічна швидкість була б більше швидкості світла с). Для цього необхідно лише, щоб маса об'єкта М була зосереджена в області з радіусом, меншим так званого гравітаційного радіуса тіла Rg. Радіус

Rg = 2GM/c?? 1,5 * 10-28 М, гдеG-постійна тяжіння;
М-маса (вимірюється в грамах)
Rg-в сантиметрах.
Висновок Лапласа грунтувався на класичній механіці і теорії тяжіння Ньютона.
Отже, для виникнення чорної діри необхідно, щоб маса стиснулася до таких розмірів, які друга космічна швидкість стає рівною швидкості світла. Ця величина має назву гравітаційного радіуса і залежить від маси тіла. Величина його дуже мала навіть для мас небесних тіл. Так, для Землі гравітаційний радіус приблизно дорівнює 1см, для Сонця - 3 км.
Для того, щоб подолати тяжіння і вирватися з чорної діри, потрібна була б друга космічна швидкість, велика світлової. Відповідно до теорії відносності, ніяке тіло не може розвивати швидкість більшу, ніж швидкість світла. Ось чому з чорної діри ніщо не може вилетіти, не може надходити назовні ніяка інформація. Після того, як будь-які тіла, будь-яка речовина або випромінювання впадуть під дією тяжіння в чорну дірку, спостерігач ніколи не дізнається, що сталося з ними в подальшому. Поблизу чорних дір, як стверджують вчені, повинні різко змінюватися властивості простору і часу.
Якщо чорна дірка виникає в результаті стиснення обертового тіла, то поблизу її межі всі тіла залучаються на обертальний рух навколо неї.
Вчені вважають, що чорні діри можуть виникати в кінці еволюції досить масивних зірок. Після вичерпання запасів ядерного пального зірка втрачає стійкість і під дією власної гравітації починає швидко стискуватися. Відбувається так званий гравітаційний колапс (такий процес стиснення, при якому сили тяжіння нестримно зростають).
А саме, до кінця життя зірки втрачають масу в результаті цілого ряду процесів: зоряного вітру, перенесення маси в подвійних системах, вибуху наднових і т.д., а проте відомо, що існує багато зірок з масою, в 10, 20 і навіть у 50 разів перевищує сонячну. Малоймовірно, що всі ці зірки як-то позбавляться від «зайвого» маси, щоб увійти у вказані межі (2-3М?). Відповідно до теорії, якщо зірка або її ядро з масою вище зазначеного межі починає коллапсіровать під дією власної ваги, то ніщо вже не в змозі зупинити її колапс. Речовина зірки стискатиметься безмежно, в принципі, поки не стиснеться в точку. У ході стиснення сила тяжіння на поверхні неухильно зростає - нарешті, настає момент, коли навіть світло не може подолати гравітаційний бар'єр. Зірка зникає: утворюється те, що ми називаємо чорною дірою.

КВАНТОВА ВИПРОМІНЮВАННЯ чорних дір.

Твердження, що кінцевий стан чорної діри стаціонарно, правильно лише в рамках звичайної, не квантової теорії тяжіння. Квантові ефекти ведуть до того, що насправді чорна діра повинна безупинно випромінювати, втрачаючи при цьому свою енергію.1
Поле тяжіння чорної діри дуже велике (саме тому воно виробляє над падаючим тілом роботу, порівнянний з його енергією спокою). Розглядаючи суто динамічну задачу про народження частинок в такому гравітаційне поле, С. Хокінг в 1975 р. показав, що воно робить фізичний вакуум2 нестійким: завжди присутні в ньому віртуальні (короткоживучі) частинки перетворюються в реальні (довгоживучі). Точніше кажучи, у вакуумі поблизу горизонту собитій3 поле народжує пари частинок, причому одна з компонент пари потрібно всередину чорної діри, займаючи стан з негативною енергією, а інша, що має позитивну енергію, вилітає назовні і може бути зареєстрована далеким спостерігачем.
У вакуумі постійно народжуються і анігілюють пари віртуальних частинок, яким, однак, не вистачає енергії для перетворення на реальні довгоживучі частинки. У досить сильному зовнішньому полі цей недолік енергії може бути заповнений роботою, виробленої полем над частками. Для появи реальної пари з енергією Е (суцільні лінії) необхідно, щоб її компоненти, перебуваючи ще у віртуальному стані (пунктиром), розійшлися на відстань L, на якому робота поля дорівнює Е. Одна з компонент пари (А) падає всередину чорної діри, (Б) йде назовні, до зовнішнього спостерігача. Сукупність частинок Б і є випромінювання Хокінга.

Таким чином, квантові властивості вакууму виявляються в тому, що чорна діра «зобов'язана» випромінювати частки різних сортів, у тому числі кванти світла. Вивчаючи властивості цього випромінювання, Хокінг прийшов до несподіваного висновку, що воно має тепловий характер: чорна діра світить точно так само, як чорне тіло радіуса Rg, нагрітого до температури
? = ћc?/8? kMG? 1026/M,
де ћ - постійна Планка;
k-постійна Больцмана;
?-температура (вимірюється в градусах Кельвіна);
М-маса в грамах.
При цьому не тільки спектр випромінювання (розподіл його по частотах), а й більш тонкі його характеристики (наприклад, всі кореляційні функції) точно такі ж, як у випромінювання чорного тіла.

Термодинаміка ЧОРНИХ ДИР.ЧЕРНИЕ дірки і термодинаміки.

Відкриття теплового випромінювання чорної діри було повною несподіванкою для більшості фахівців.
Дж. Уїлер першим звернув увагу на те, що в рамках класичної теорії тяжіння вже сам факт існування чорної діри суперечить другому початку термодинаміки, згідно з яким повна ентропія фізичної системи - величина, що характеризує ступінь її хаотичності, або зростає з часом, або, принаймні, залишається постійною. Наприклад, коли всередину чорної діри падає гаряче тіло, що володіє деяким запасом ентропії, в результаті чого зовнішній спостерігач бачить зменшення повної ентропії світу, доступного його спостереження. На це можна заперечити, сказавши, що «насправді» суперечності з термодинаміки немає, тому що збільшилася ентропія внутрішньої частини чорної діри. Це дійсно так але тільки для спостерігача, що падає разом з гарячим тілом, який не зіткнеться ні з порушенням термодинаміки, ні з самим ефектом Хокінга. Однак системою відліку зовнішнього спостерігача внутрішня частина чорної діри взагалі не охоплюється. Тому для такого спостерігача що впало в дірку тіло реально зникає (передаючи, звичайно, "чорної діри" як цілому свої зберігаються характеристики - енергію, або масу M, обертальний рух J і заряд Q).
Ці міркування приводять до наступної дилему: або термодинаміка взагалі забороняє існування чорних дір, або цей об'єкт сам по собі володіє запасом доступною спостереження ззовні ентропії, яка зростає після падіння на нього гарячого тіла. Друга можливість, яка й виявилася правильною, означає, що таке тіло передає "чорної діри" як цілому не тільки М, момент J і заряд Q, але і свою ентропію.
Однак ще раніше, ніж було зроблено вибір на користь цієї можливості, з'явилося досить багато теоретичних вказівок на те, що властивості однієї з характеристик чорної діри - площі її поверхні - дійсно нагадують властивості ентропії. Одне з таких вказівок відноситься до процесів природної еволюції чорної діри - аккреции речовини на неї, злиття двох чорних дір в одну і т.п. при повній відсутності зворотних процесів. Виявляється, з плином часу сумарна площа поверхні чорних дір, як і ентропія, або зростає, або, у крайньому випадку, залишається постоянной1.
Взагалі виявилося, що аналогія між фізикою чорних дір і термодинаміки простирається досить далеко. Вона відноситься як до конкретних термодинамічних пристроїв (типу теплової машини), так і до загальних законів термодинаміки, кожному з яких знайшовся свій еквівалент у фізиці чорних дірок. Є такий еквівалент і у відомого термодинамічного співвідношення dE =? DS, де dE і dS - відповідно зміни енергії й ентропії тіла;? - Температура2. Якщо визначити зв'язок між зміною енергії чорної діри dE = d (Mc?) І зміною її поверхні dF = 8? RgdRg, то, виявляється, вона має вигляд dE = (c?/8? G) gdF, де g = c4/4GM -прискорення вільного падіння на поверхні чорної діри.
Зіставляючи наведені вирази для dE в термодинаміки та фізики чорних дір, можна прийти до наступного висновку: так як є аналогія між поверхнею чорної діри F і ентропією S, то є й аналогія прискорення вільного падіння на поверхні чорної діри g з температурою?

ТЕМПЕРАТУРА й ентропія чорної діри.

Існування чорної діри саме по собі парадоксально. Чорна діра веде себе, як тіло з температурою, що дорівнює абсолютного нуля, тому що за допомогою чорної діри можна повністю перетворити тепло в роботу.
При падінні на чорну діру тіло може виконувати роботу за рахунок енергії гравітаційного тяжіння до "чорної діри". Якщо будь-яке тіло падає на чорну дірку, то вся його енергія разом з «енергією спокою» M0c? (M0-маса спокою тіла) може бути перетворена на работу1.
Таким чином, на межі чорної діри повна енергія тіла звернеться в нуль. Можна сказати, що маса спокою тіла загаситься негативної потенційної енергією тіла в гравітаційне поле чорної діри. У звичайних земних умовах потенційна енергія дуже мала в порівнянні з енергією спокою, так що маса падаючого каменя залишається практично незмінною; при падінні в поле чорної діри вона звертається в нуль.
Закон тяжіння діє так, що сила тяжіння пропорційна масі притягає тіла незалежно від того, з чим пов'язана ця маса. Гарячий чайник трохи важче холодного; падаючи на чорну дірку, гарячий чайник виділить дещо більше енергії (на U/c?, Де U - внутрішня енергія), ніж холодний. Чорна діра працює як ідеальний холодильник при Т = 0, з якого ніякими способами не можна витягти будь-якої енергії. Це означає, що к.к.д. циклу з чорною дірою в якості холодильника, за Карно, буде дорівнює одиниці. Виникає ситуація, що дуже нагадує вічний двигун другого роду, і порушується теорема Нернста. Такий парадокс повинен був неминуче навести на думку, що чорна діра не може мати температуру Т = 0.
Рішення парадоксу треба було шукати в термодинамічних властивостях чорної діри. Перша думка полягала в наступному.
Якщо чорна діра має температуру, відмінну від абсолютного нуля, то вона має і ентропію. Якщо чорна діра сферично симетрична, не обертається і не заряджена, то ентропія може залежати тільки від маси. Але ентропія - величина, яка не залежить від одиниць виміру: ентропія ідеального газу визначалася відношенням обсягів і ставленням температур. Чисельне ж значення маси, звичайно, залежить від того, в яких одиницях ми її вимірюємо - в грамах або в мільйонах тонн. Мабуть, і ентропія чорної діри повинна визначатися відношенням її маси до якоїсь стандартної еталонної масі. Але який? Як все ж таки має виглядати вираз для ентропії чорної діри?
Якісне рішення задачі було придумано Бекенштейном. Увага його увагу привернула одна теорема загальної теорії відносності. Теорема стверджувала, що які б процеси не відбувалися в системі, в якій є чорні дірки, сумарна площа поверхонь чорних дір може тільки збільшуватися. Ця дуже загальна теорема схожа на теорему про зростання ентропії. Площа, так само як ентропія, величина адитивна і, так само як і ентропія, залежить від маси чорної діри. Тому була спокуса припустити, що ентропія чорної діри просто пропорційна її площі: S ~ A. Але як звести кінці з кінцями, якщо площа A має розмірність квадрата довжини?
У мікросвіті немає свого масштабу довжини. З двох постійних ћ і c не можна скласти величину з розмірністю довжини або часу. Для цього треба взяти ще масу. Тоді довжину можна, наприклад, скласти так: ћ/mc.
У загальній теорії відносності також немає масштабу довжини, тому що його не можна скласти з G і c. Але якщо залучити на допомогу масу, то довжину можна скласти так: Gm/c?.
Об'єднаємо тепер обидві довжини ћ/mc і Gm/c?, Склавши їх геометричне середнє (ћG/c?)?. При цьому маса скоротиться. Це і є одиниця довжини, запропонована Планком.
Після того як Планк ввів дві фундаментальні постійні ћ і k, він зауважив, що з'явилася можливість побудувати нову систему одиниць, не пов'язаний ні з якими штучними еталонами. Це наступні одиниці: довжина lп = (ћG/c?)? = 5,110 * 10-31 м,
Час tп = (ћG/c5)? = 1,7016 * 10-43 с,
Маса Mп = (ћc5/G)? = 6,189 * 10-9 кг,
Температура Тп = 1/k (ћc5/G)? = 4,028 * 1031 К.
Одиниці Планка зручні при розрахунку таких систем, де істотні ефекти як квантові, так і гравітаційні.
Чорна діра (і її ентропія) здається вдалим кандидатом для застосування одиниць Планка.
Припустимо, що масштаб ентропії пов'язаний з постійною дліниlп, тобто що площа поверхні чорної діри треба розділити на lп2 з якимось коефіцієнтом, про який, звичайно, не можна здогадатися заздалегідь. На основі таких не дуже строгих міркувань і була висунута гіпотеза про те, що ентропія чорної діри повинна мати вигляд S =??/Lп2, де коефіцієнт? треба вирахувати з якихось міркувань особливо. Така думка виявилася правильною. Коефіцієнт? був обчислений пізніше Хокінг. Він виявився рівним 1/4.
Знаючи ентропію, можна обчислити і температуру. Замінимо площа A її вираженням через гравітаційний радіус:
A = 4? Rg? = 16? GM?/C4.
Використовуючи одиниці Планка, можна тепер написати формулу для ентропії:
S = 16?? (M/Mп)?.
Температура запишеться у вигляді
T = 1/(32??) * Mп/M * Tп
За винятком з цих формул масу, будемо мати (у одиницях Планка і? = 1/4) ST? = 1/(16?).
Таке рівняння стану ні на що не схоже. З нього випливає, що чим вища температура, тим менше ентропія, а при абсолютному нулі ентропія звертається в нескінченність.
Звідси можна зробити висновок, що або в наших міркуваннях груба помилка, або з чорно дірою відбувається щось серйозне і вона не «доживає» до абсолютного глянувя. Але в рамках класичних уявлень парадокс дозволити виявилося неможливим.
Парадокс зник, коли Хокінг теоретично довів, що поблизу чорної діри відбувається народження частинок. Несподівано з'ясувалося, що теорема про зростання площі поверхні чорної діри перестає бути суворої в квантової механіки та ентропія її може зменшуватися за рахунок того, що навколо неї створюється потік фотонів, які цю ентропію забирають.
Дуже великий потенціал гравітаційного поля поблизу чорної діри призводить до того, що на її поверхні народжуються пари фотонів (і інші частинки). Енергія цих фотонів (як і всіх частинок поблизу чорної діри) дорівнює нулю, тому вони можуть народитися «з нічого», не порушуючи закону збереження енергії. Після народження пари фотонів одна з них йде в чорну диру1, а другого за рахунок звільненої енергії відлітає на нескінченність. Система працює, як блок: один вантаж опускається, а за його рахунок піднімається інший. Результатом цього процесу буде зменшення маси чорної діри (а отже, і її поверхні), еквівалентне енергії відлетіли фотонів.
Теорія цього процесу складна. Але результат був цікавим. Чорна діра випромінює фотони, спектр яких збігається з розподілом Планка, що відповідає температурі (в одиницях Планка, тобто Mп = 1 і Tп = 1):
T = 1/(8?) * 1/М.
З цієї формули випливає, що коефіцієнт? = 1/4.
Таким чином, чорна діра випромінює як ідеальне чорне тіло (несподівано реалізоване в космосі з дуже великою точністю).
Тепер стає зрозумілим джерело парадоксу. Чорна діра - система нестійка, Нерівноважна, тому і поняття про температуру чорної діри - поняття не зовсім точне. Температура чорної діри зростає зі зменшенням маси; народження пар призводить до зменшення маси, а, отже, і до підвищення температури. Зі зростанням температури інтенсивність випромінювання збільшується, а температура зростає ще більше. Врешті-решт, чорна діра повинна згоріти зовсім, причому згоріти за кінцевий час.

Термодинаміка і ІНФОРМАЦІЯ.

Інформаційна ПІДХІД ДО Термодинаміка.

Ми вже бачили, наскільки важливо для виникнення теплових властивостей чорної діри існування обрію подій, що відокремлює область простору, інформація про яку не доходить до зовнішнього спостерігача. Було показано, як можна прийти до ефекту Хокінга і термодинаміки чорних дір за допомогою простих термодинамічних міркувань, без проведення динамічних розрахунків народження пар в поле чорної діри. Виявляється можливим зробити і наступний крок - зв'язати теплові властивості чорної діри прямо з самим фактом існування у неї горизонту подій.
Ця можливість заснована на інформаційному підході до термодинаміки, який сходить до класиків теорії теплоти, був сформульований Л. Сцілард і розвивався багатьма фізиками та математиками. Суть цього підходу полягає у твердженні, що існує прямий зв'язок між браком інформації про фізичну системі і величиною її ентропії.
Будучи прикладений до фізики чорних дір, інформаційний підхід прямо вказує на існування в них відмінною від нуля ентропії і температури, дозволяючи здійснити безпосередній перехід від затвердження «зовнішній спостерігач позбавлений інформації про внутрішню частини чорної діри» до затвердження «такий спостерігач побачить чорну діру як гаряче тіло ».
З іншого боку, фізика чорних дір підкріпила інформаційний підхід, підтвердивши, що нестача інформації про систему, з чим би він не був пов'язаний, дійсно виявляється у виникненні у неї теплових властивостей. Сьогодні, після відкриття ефекту Хокінга та інших ефектів такого ж роду, нам відомо вже кілька механізмів втрати інформації і відповідно кілька механізмів появи теплових властивостей у динамічної системи.

Ентропії і ІНФОРМАЦІЯ.

Перш ніж давати кількісну формулювання інформаційного підходу до термодинаміки, нагадаємо звичайну картину переходу динамічної системи до стану термодинамічної рівноваги. У процесі такого переходу система швидко «забуває» свій початковий стан, що відбувається внаслідок «заплутування» (стохастізаціі) руху складових її часток. Це викликається динамічними нестійкості в системі, які ведуть до посилення неминуче присутніх малих невизначеностей початкових значень динамічних змінних. В результаті виникає швидке перемішування станів часток і рівномірне заповнення всієї доступної цій системі області значень динамічних змінних.
Такий стан системи, що відповідає рівноймовірно всіх можливих мікроскопічних станів складових її часток, описується так званим мікроканоніческім розподілом. З нього автоматично випливає, що будь-яка досить велика частина системи описується формулою Гіббса.
Оскільки рівноважна система «забуває» свій початковий стан, вона характеризується істотно меншою кількістю параметрів (енергією або температурою, тиском або об'ємом і т.п.), ніж повне число її ступенів свободи. Тому стан термодинамічної рівноваги виродилися: кожному набору щойно перерахованих макроскопічних параметрів відповідає величезне число N різних микростанів системи, що реалізують цей набір. Мірою цього виродження і служить ентропія системи S = k ln N.
Рівноймовірно різних микростанів термодинамічно рівноважної системи означає, що жодна з них не можна віддати перевагу іншому. Тому чим більше величина N, тим меншим обсягом відомостей про мікроструктурі системи ми маємо, і ентропію можна вважати мірою неповноти інформації про справжню мікроскопічною структурі рівноважної системи.
Ми підійшли, таким чином, до інформаційного визначення ентропії. Щоб дати його точне формулювання, потрібно ввести наступне найпростіше визначення зміни кількості інформації? І при деякому процесі. Якщо спочатку було P рівноймовірно відповідей на питання, що стосується будь-якого предмета або явища, а в кінці їх число стало p, то зміна інформації про цей предмет або явище є
? І = k ln (P/p).
Якщо P> p, ми маємо справу з приростом інформації (наші відомості стали більш визначеними), в зворотному випадку - з її зменшенням.
Застосуємо сказане до процесу переходу динамічної системи у стан термодинамічної рівноваги (рис.2).
Рис. 2. Приклад, що ілюструє справедливість співвідношень? І =-? S - необоротне розширення газу в порожнечу.
Спочатку газ займає ліву половину пристрої - обсяг v0 (вгорі). Після підняття заслінки газ розширюється, заповнюючи вдвічі більший обсяг. У результаті невизначеність у положенні молекул газу (і кількість відповідей на відповідне питання) також збільшується вдвічі: P/p = 1/2. Відповідно спад інформації про положення молекул буде визначатися співвідношенням? I =- k ln 2. З термодинаміки відомо, що приріст ентропії (на одну молекулу) при такому процесі є? S = k ln 2, що точно відповідає рівності? S =-? I.
Спочатку система була чисто динамічною, її ентропія дорівнювала нулю, і ми точно знали відповідь на питання про її мікростану: P = 1. Наприкінці її ентропія збільшилася на? S, а кількість відповідей на зазначене питання виросло до значення N. Тому? I =- k ln N, і ми приходимо до важливого співвідношенню:? S = -? I.
Зменшення кількості інформації про фізичну системі відповідає збільшенню її ентропіі1. Більш того, якщо ця втрата інформації така, що відображає рівноймовірно всіх допустимих микростанів, то наша система описується мікроканоніческім розподілом, а її підсистеми - формулою Гіббса. Оскільки у наведених міркуваннях ніяк не фігурував конкретний механізм втрати інформації, сказане в рівній мірі відноситься і до звичайного гарячого тіла, і до чорної діри. Можна додати, що наші твердження не суперечать звичайному уявленню про те, що тепло відповідає хаотичного станом речовини. Адже хаос в самому широкому сенсі - це і є рівноймовірно різних микростанів, коли жодна з них не можна віддати перевагу іншому. Одночасно це і відсутність інформації про внутрішню структуру системи.
Важливо підкреслити, що, говорячи про неповноту і втрати інформації, ми мали на увазі, звичайно, об'єктивну неможливість отримати інформацію про стан системи - неможливість, характеріхующую саму систему, а не суб'єкта-спостерігача. Останній міг би просто відмовитися від отримання повної інформації, не використовуючи, наприклад, всіх можливостей вимірювальної техніки. Зрозуміло, до такої ситуації сказане вище жодною мірою не стосується. Досить згадати розглянутий вище приклад народження пар в електричному полі, коли відмова реєструвати позитронно компоненту випромінювання хоча і означає втрату інформації, проте не приводить до термодинамічної формулою Гіббса. У той же час народження пар в полі тяжіння, коли є горизонт подій і втрата інформації має об'єктивний, непереборний характер, веде саме до цієї формули.

Чорні дірки І ЧАС. Ефект уповільнення ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

Щільне тіло великої маси не тільки змінює геометричні властивості простору навколо себе, але й впливає на темп перебігу часу і швидкості, що протікають поблизу процесів.
Нехай? T - інтервал часу між двома подіями, які відбуваються на відстані r від центру тіла (r = R тіла), таким чином, події відбуваються на поверхні тіла. Значить, t - власний час, час, виміряний спостерігачем на поверхні тіла.
Нехай?? - Проміжок часу між цими ж подіями, який фіксуватиме спостерігач, віддалений від цього тіла «на нескінченність» (так зване координатне час).
З теорії відносності випливає, що обидва ці інтервалу пов'язані між собою співвідношенням ([4], с.334):
?? =? T /? (1-Rg/r) =? T /? (1-2GM/rc2)
Видно, що якщо r>> Rg, то?? =? T - на великих відстанях від гравитирующих маси координатне час збігається з собствееним, тобто де б ми не знаходилися на поверхні цього тіла або багато далі від нього час буде одне й те саме. Але якщо r? Rg, то при будь-якому інтервалі власного часу? T маємо??? ?, Тобто, якщо спостерігач знаходиться на великій відстані від чорної діри, то йому здається, що час між подіями змінюється дуже повільно, а спостерігач знаходиться на поверхні чорної діри скаже, що час між подіями практично не помітно.
Під інтервалом часу? T можна мати на увазі і період електромагнітної хвилі T = 1 /?=?/ c, таким чином? =? 0 /? (1-Rg/r).
Звідси випливає, що довжина хвилі?, Реєстрована спостерігачем, буде більше довжини хвилі? 0, що випускається атоіоі на відстані r від центру конфігурації, і при r? Rg,?? ?.
Цей ефект уповільнення часу - ефект червоного зсуву довжин хвиль поблизу гравитирующих маси (необхідно враховувати при вивченні стискання ядра зірки великий на кінцевому етапі еволюції).
Після того, як поверхневі шари зірки перетнуть сферу Шварцшильда, що випускаються ними промені світла вже не можуть вийти з віддаленою спостерігачеві. Тому сфера Шварцшильда іменується ще горизонтом подій, а стиснення зірки за неї - гравітаційним самозамиканіем.
Уявімо собі, що спостерігач «вигідно» влаштувався на верхньому шарі стискуваної ядра. Він фіксує свій власний час. Він виявив, що від початку руху з відстані r = 10Rg до r = Rg минуло кілька секунд. Швидкість руху збільшилася до швидкості світла. Перехід через поверхню сфери Шварцшильда для нього тривав мить.
Зовсім іншу картину фіксує спостерігач, який сидить біля телескопа в далекій галактиці. Для нього швидкість руху верхнього шару V спочатку так само зростає (при r = 2Rg, V =? C!), Потім рух сповільнюється, і при r? Rg зменшується до нуля. Момент проходження через поверхню сфери Шварцшильда, з точки зору віддаленого спостерігача «відстрочений» в нескінченно далеке майбутнє.

КВАНТ ПРОСТОРУ - ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

Не знаючи ніякої теорії про чорні діри, так само можна отримати формулу для кванта часу т простору в сингулярності (???). А отримати це можна, використовуючи метод розмірностей.
Оскільки гравітація тут дуже велика, то квант часу в сингулярності (і простору квант) залежить від G-гравітаційної постійної. А якщо мова йде про те, що час і лінійні розміри, які є якісними характеристиками в чорні діри, не є постійно поточними, а, навпаки, є перериваним. Тобто час квантів, значить, квант часу залежить від постійної Планка (ћ). І ще квант часу (?) Залежить від швидкості світла (c). Тобто система параметрів така:?, Ћ, G, c.
Складемо з цих параметрів безрозмірну комбінацію, за допомогою якої знайдемо формулу для кванта часу.
? * ћx * cy * Gz = 1 (1)
Визначимося з розмірностями фізичних величин, що входять у вираз (1): [ћ] = Дж * с = Н * м * з = кг * м * з-2 * м * з = кг * м? * З-1; [c ] = м * з-1; [G] = м? * з-2 кг-1; [?] = с.
Підставимо замість параметрів їх одиниці вимірювання в рівняння (1) і спростимо його.
с * кгx * м2x * з-x * мy * з-y * м3z * з-2z * кг-z = 1.
с1-x-y-2z * кг x-z * м 2x + y +3 z = 1.
Вираз (1) тільки тоді буде безрозмірним, якщо показники ступенів будуть дорівнювати нулю.
1-x-y-2z = 0 x =- 1/2?
x-z = 0 => z =- 1/2
2x + y +3 z = 0 y = 2.5
Підставимо в рівняння (1) значення x, y, z.
? ћ-1/2c 5/2 G -1/2 = 1
? =? (ћG/c5) (2)

Тобто ми отримали, користуючись теорією розмірностей формулу для кванта часу, а знаючи його формулу можна отримати формулу для кванта простору в сингулярності (l = c *?)
l =? (ћG/c3) (3)
Лінійні характеристики так само є не безперервними величинами, тобто квантів. Таким чином, видно, що не знаючи складної теорії, можна досить просто отримати якісні характеристики для чорних дірок. Найголовніше правильно визначити систему параметрів.

ТИПИ чорних дір.

До цих пір ми говорили про виникнення у Всесвіті чорних дір зоряного походження. Астрономи мають всі підстави припускати, що, крім зоряних чорних дір, є ще інші дірки, які мають зовсім іншу історію.
З теорії зоряної еволюції відомо, що чорні діри можуть виникати на заключних стадіях життя зірки, коли вона втрачає стійкість і відчуває необмежену стиснення під дією сил тяжіння. При цьому маса зірки повинна бути досить велика, інакше еволюція зірки може закінчитися освітою або білого карлика, або нейтронної зірки. ([1]. С.82)
Крім чорних дір (звичайних), що виникають в кінці зоряної еволюції і мають такі ж маси, як зірки, можуть існувати і більш масивні чорні дірки, що утворюються, наприклад, в результаті стиснення великих мас газу в центрі кульових зоряних скупчень, в ядрах галактик або в квазарах.
А чи можуть існувати у Всесвіті чорні діри, маса яких у багато разів менше маси звичайних зірок?
Згідно з сучасними уявленнями космологічним Всесвіт розширюється від сверхсжатого сингулярного стану. Можна припускати, що речовина у Всесвіті в ході її розширення пройшла всі стадії від щільності ~ 1093г/см? до сьогоднішньої середньої щільності, не перевершує 10 -29г/см?. Значить, у далекому минулому Всесвіту, коли щільність речовини була чудовещно велика, були передумови для виникнення чорних дір як завгодно малих мас. На можливість їх виникнення вперше вказали Я.Б. Зельдович і І.Д. Новиков ще в шістдесятих роках. Знайти настільки малі освіти у величезних просторах космосу надзвичайно важко, і тому вони ще не виявлені. Сьогодні різні способи пошуків таких чорних дір, що одержали назву первинних, - предмет численних досліджень і дискусій.
На початку 60-х років нашого століття було відкрито незвичайні небесні тіла - квазари.
Протягом минулих десятиліть з'ясувалося, що квазари - це незвично активні випромінюють ядра великих галактик. Часто у них спостерігаються потужні руху газів. Самі зірки галактики навколо таких ядер звичайно не видно з-за величезної відстані і порівняно слабкого їх свічення в порівнянні зі свіченням квазара. З'ясувалося також, що ядра багатьох галактик нагадують свого роду маленькі квазарчікі і виявляють іноді бурхливу активність - викид газу, зміна яскравості і т.д., - хоч і не таку потужну, як справжні квазари. Навіть в ядрах зовсім звичайних галактик, включаючи нашу власну, спостерігаються процеси, що свідчать про те, що і тут "працює" маленьке подобу квазара.
Те, що в центрі галактики може виникнути гігантська чорна діра, тепер здається природним. Справді, газ, що знаходиться в галактиках між зірками, поступово під дією тяжіння повинен осідати до центру, формуючи величезна газова хмара. Стиснення цьогохмари або його частини повинно призвести до виникнення чорної діри. Крім того, в центральних частинах галактик знаходяться компактні зоряні скупчення, що містять мільйони зірок. Зірки тут можуть руйнуватися приливними силами при близьких прхожденіях біля вже виникла чорної діри, а газ цих зруйнованих зірок, рухаючись близько чорної діри, потім потрапляє в неї.
Падіння газу в надмасивну чорну дірку має супроводжуватися явищами, подібними до тих, про які ми говорили у разі зоряних чорних дірок. Тільки тут має відбуватися прискорення заряджених частинок в змінних магнітних полях, які приносяться до "чорної діри" разом з падаючим газом.
Все це разом і призводить до явища квазара і до активності галактичних ядер.

ВИСНОВОК.

Чорні дірки - абсолютно виключні об'єкти, не схожі ні на що, відоме досі. Це не тіла в звичайному сенсі слова і не випромінювання. Це дірки в просторі й часі, що виникають із-за дуже сильного викривлення простору та зміни характеру плину часу в стрімко наростаючому гравітаційне поле.
Чорні дірки є в деякому сенсі і дуже простими об'єктами. Їх властивості ніяк не залежать від властивостей сколлапсіровавшего речовини, від всіх складнощів будови речовини, її атомної структури, що знаходяться в ньому фізичних полів, не залежать від того, чи було речовина воднем або залізом і т.д. При утворенні чорної дірки для зовнішнього спостерігача всі властивості сколлапсіровавшего тіла як би зникають, вони не впливають ні на кордон чорної діри, ні на що інше в зовнішньому просторі, залишається тільки гравітаційне поле, що характеризується лише двома параметрами - масою і обертанням. Цим визначаються і форма чорної діри, і її розміри, і всі інші її властивості. Так що з повною впевненістю можна сказати, що немає нічого простішого чорної діри.
Але і немає нічого більш складного, ніж чорна діра, - адже людську уяву навіть не в змозі уявити собі, до якої міри відбувається іскрівленін простору і зміна плину часу, що в них виникає діра.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

1. Минуле і майбутнє Всесвіту. Под ред. А.М. Черепащук, М., Наука, 1986р.
2. І. Новіков. Чорні дірки і Всесвіт. М., "Молода гвардія", 1985р.
3. Дж.Нарлікар. Від чорних хмар до чорних дірок. М., Энергоатомиздат, 1989г.
4. І. А. Климишин. Астрономія наших днів. М., Наука, 1986р.
5. І. Ніколсон. Тяжіння, чорні дірки і Всесвіт. М., Мир, 1983р.
6. Я.А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1987р.
7. Енциклопедичний словник з фізики.
8. Енциклопедичний словник юного астронома.

1 До цього висновку можна прийти, якщо скористатися законом збереження енергії в класичній механіці; енергія світловий корпускули маси m на поверхні тіла маси M, рівна mc?/2-GmM/Rg, повинна бути менше нуля (її мінімальної енергії на бесконечнрсті). < br /> 1 Тому сама назва «чорна діра», введене ще до відкриття ефекту Хокінга, втратив свій первісний зміст.
2 Фізичний вакуум (сучасний аналог поняття
Теги:Чорні, діри