Теория относительности. Учебное пособие. Розман Г.А. - 117 стр.

UptoLike

Составители: 

Рубрика: 

230
231
ìîãëî áû ïðåâðàòèòüñÿ â ÷åðíóþ äûðó ïðè òîé æå ìàññå, èìåÿ
ðàäèóñ âñåãî 3 êì; äëÿ íåáåñíîãî òåëà, ðàâíîãî ïî ìàññå Çåìëå,
ýòîò ðàäèóñ ðàâåí âñåãî ëèøü 0,44 ñì.
Òàê êàê â ôîðìóëó äëÿ R
Ø
âõîäèò ñêîðîñòü ñâåòà, òo ýòîò
íåáåñíûé îáúåêò èìååò ÷èñòî ðåëÿòèâèñòñêóþ ïðèðîäó. Â
÷àñòíîñòè, òàê êàê â ÎÒÎ óòâåðæäàåòñÿ ôèçè÷åñêîå çàìåäëåíèå
õîäà ÷àñîâ â ñèëüíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå, òî ýòîò ýôôåêò
îñîáåííî äîëæåí áûòü çàìåòåí âáëèçè ÷åðíîé äûðû. Òàê, äëÿ
íàáëþäàòåëÿ, íàõîäÿùåãîñÿ âíå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ ÷åðíîé
äûðû, êàìåíü, ñâîáîäíî ïàäàþùèé íà ÷åðíóþ äûðó, äîñòèãíåò
øâàðöøèëüäîâñêîé ñôåðû çà áåñêîíå÷íî áîëüøîé ïðîìåæóòîê
âðåìåíè.  òî âðåìÿ êàê ÷àñû íàáëþäàòåëÿ, ïàäàþùåãî âìåñòå
ñ êàìíåì, ïîêàæóò êîíå÷íîå âðåìÿ. Ðàñ÷åòû, îñíîâàííûå íà
ïîëîæåíèÿõ ÎÒÎ, ïîêàçûâàþò, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå ïîëå ÷åðíîé
äûðû íå òîëüêî ñïîñîáíî èñêðèâèòü òðàåêòîðèþ ñâåòîâîãî ëó÷à,
íî è çàõâàòèòü ñâåòîâîé ïîòîê è çàñòàâèòü åãî äâèãàòüñÿ âîêðóã
÷åðíîé äûðû (ýòî âîçìîæíî, åñëè ëó÷ ñâåòà ïðîéäåò íà
ðàññòîÿíèè îêîëî 1,5R
Ø
, íî òàêîå äâèæåíèå íåóñòîé÷èâî).
Åñëè çâåçäà, èñïûòàâøàÿ êîëëàïñ, îáëàäàëà óãëîâûì
ìîìåíòîì, ò.å. âðàùàëàñü, òî è ÷åðíàÿ äûðà äîëæíà ñîõðàíèòü
ýòîò âðàùàòåëüíûé ìîìåíò. Íî òîãäà âîêðóã ýòîé çâåçäû è
ãðàâèòàöèîííîå ïîëå äîëæíî èìåòü âèõðåâîé õàðàêòåð, ÷òî
ïðîÿâèòñÿ â ñâîåîáðàçèè ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Ýòîò
ýôôåêò ìîæåò ïîçâîëèòü îáíàðóæèòü ÷åðíóþ äûðó.
 ïîñëåäíèå ãîäû îáñóæäàåòñÿ âîçìîæíîñòü èñïàðåíèÿ
÷åðíûõ äûð. Ýòî ñâÿçàíî ñ âçàèìîäåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííîãî
ïîëÿ òàêîé çâåçäû ñ ôèçè÷åñêèì âàêóóìîì.  ýòîì ïðîöåññå óæå
äîëæíû ñêàçàòüñÿ êâàíòîâûå ýôôåêòû, ò.å. ÎÒÎ îêàçûâàåòñÿ
ñâÿçàííîé ñ ôèçèêîé ìèêðîìèðà. Êàê âèäèì, ýêçîòè÷åñêèé
îáúåêò, ïðåäñêàçàííûé OÒÎ, - ÷åðíàÿ äûðà îêàçûâàåòñÿ
ñâÿçóþùèì çâåíîì, êàçàëîñü áû, äàëåêèõ äðóã îò äðóãà îáúåêòîâ
- ìèêðîìèðà è Âñåëåííîé.
§11. Çàãàäêè Áîëüøîãî âçðûâà (ÎÒÎ è êîñìîëîãèÿ)
Ó÷åíûå óñòàíîâèëè, ÷òî íàøåé Âñåëåííîé 15 ìëðä. ëåò. Ÿ
ïîÿâëåíèå ñâÿçàíî ñî âçðûâîì, ïîëó÷èâøèì íàçâàíèå Áîëüøîãî
âçðûâà.
Íî îòêóäà èçâåñòíî, ÷òî Âñåëåííàÿ âçîðâàëàñü è ÷òî
âçîðâàëîñü? È ÷òî áûëî äî ýòîãî, è ÷òî ïîñëåäîâàëî ïîñëå ýòîãî?
Ýòè è ìíîãèå äðóãèå âîïðîñû âîçíèêëè ïåðåä ó÷åíûìè âî âòîðîé
ïîëîâèíå XX âåêà è îñòàëèñü â íàóêå XXI âåêà.
Âñïîìíèì íåìíîãî èñòîðèþ. Â 1916ã. âåëèêèé ôèçèê
Àëüáåðò Ýéíøòåéí ñîçäàë íîâóþ ôèçè÷åñêóþ òåîðèþ - Îáùóþ
òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè, ñòàâøóþ îñíîâîé êîñìîëîãèè - íàóêè
î ïðîèñõîæäåíèè è ðàçâèòèÿ ìèðà. Ñîãëàñíî ïåðâîíà÷àëüíîìó
ðåøåíèþ ïðîáëåìû, äàííîìó ñàìèì Ýéíøòåéíîì, Âñåëåííàÿ
ñòàöèîíàðíà è êîíå÷íà â ñâîèõ ðàçìåðàõ. Îäíàêî â 1922 ã.
ðîññèéñêèé ó÷åíûé À. À. Ôðèäìàí ðàññìîòðåë áîëåå ñëîæíûé
ñöåíàðèé ðàçâèòèÿ Ìèðà. Îäèí èç âàðèàíòîâ åãî ðåøåíèÿ ïðåäïî-
ëàãàë ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé. Àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë,
íàáëþäàÿ äâèæåíèå äàëåêèõ çâåçä, ïîäòâåðäèë ôàêò ðàñøèðåíèÿ:
çâåçäû óäàëÿëèñü îò íàñ è äðóã îò äðóãà. Ñíîâà âîçíèêàëè
âîïðîñû: ïî÷åìó Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, âåäü ïî çàêîíó
Âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, îòêðûòîãî åùå Íüþòîíîì, çâåçäû äîëæíû
ïðèòÿãèâàòüñÿ äðóã ê äðóãó? È êàê äîëãî ýòî ðàñøèðåíèå áóäåò
ïðîäîëæàòüñÿ?
Ó÷åíûå, â òîì ÷èñëå è íàøè ðîññèéñêèå, èùóò îòâåòû íà âñå
ïîñòàâëåííûå âûøå âîïðîñû. È óæå åñòü ôàêòû, êîòîðûå
ïîçâîëÿþò âîññòàíîâèòü ñöåíàðèé Âçðûâà, äàòü âîçìîæíûå
âàðèàíòû îòâåòîâ.
Îêîëî 40 ëåò íàçàä áûëî îáíàðóæåíî ñëàáîå
ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå (ðàäèîâîëíû), êîòîðîå ðàâíîìåðíî
çàïîëíÿåò âñå ìèðîâîå ïðîñòðàíñòâî. Åãî íàçâàëè ðåëèêòîâûì,
òî åñòü ñîõðàíèâøèìñÿ îò ìîìåíòà íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ
Âñåëåííîé. Çàíèìàÿ âñå áîëüøåå ïðîñòðàíñòâî, ðåëèêòîâîå
èçëó÷åíèå îñòûâàëî, èìåÿ âíà÷àëå î÷åíü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó.
Òàêóþ æå âûñîêóþ òåìïåðàòóðó èìåëî è âåùåñòâî  Âñåëåííàÿ
áûëà ãîðÿ÷åé. Àíàëèç ñâîéñòâ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò
ïîíÿòü, ïî÷åìó Âñåëåííàÿ â áîëüøèõ ìàñøòàáàõ áûëà è îñòàåòñÿ
îäíîðîäíîé, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà ïîñòîÿííà. Äåëî â òîì,
÷òî òîëüêî â ýòîì ñëó÷àå ñåãîäíÿ ìû è íàáëþäàåì, ÷òî ñî âñåõ
ñòîðîí íà Çåìëþ ïðèõîäèò îäíîðîäíîå ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå:
îíî ïðîõîäèò ÷åðåç îäíîðîäíî çàïîëíåííîå ìàòåðèåé ïðî-
ìîãëî áû ïðåâðàòèòüñÿ ⠓÷åðíóþ äûðó” ïðè òîé æå ìàññå, èìåÿ          Íî îòêóäà èçâåñòíî, ÷òî Âñåëåííàÿ âçîðâàëàñü è ÷òî
ðàäèóñ âñåãî 3 êì; äëÿ íåáåñíîãî òåëà, ðàâíîãî ïî ìàññå Çåìëå,   âçîðâàëîñü? È ÷òî áûëî äî ýòîãî, è ÷òî ïîñëåäîâàëî ïîñëå ýòîãî?
ýòîò ðàäèóñ ðàâåí âñåãî ëèøü 0,44 ñì.                            Ýòè è ìíîãèå äðóãèå âîïðîñû âîçíèêëè ïåðåä ó÷åíûìè âî âòîðîé
     Òàê êàê â ôîðìóëó äëÿ RØ âõîäèò ñêîðîñòü ñâåòà, òo ýòîò     ïîëîâèíå XX âåêà è îñòàëèñü â íàóêå XXI âåêà.
íåáåñíûé îáúåêò èìååò ÷èñòî ðåëÿòèâèñòñêóþ ïðèðîäó.                  Âñïîìíèì íåìíîãî èñòîðèþ.  1916ã. âåëèêèé ôèçèê
÷àñòíîñòè, òàê êàê â ÎÒÎ óòâåðæäàåòñÿ ôèçè÷åñêîå çàìåäëåíèå      Àëüáåðò Ýéíøòåéí ñîçäàë íîâóþ ôèçè÷åñêóþ òåîðèþ - Îáùóþ
õîäà ÷àñîâ â ñèëüíîì ãðàâèòàöèîííîì ïîëå, òî ýòîò ýôôåêò         òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè, ñòàâøóþ îñíîâîé êîñìîëîãèè - íàóêè
îñîáåííî äîëæåí áûòü çàìåòåí âáëèçè “÷åðíîé äûðû”. Òàê, äëÿ      î ïðîèñõîæäåíèè è ðàçâèòèÿ ìèðà. Ñîãëàñíî ïåðâîíà÷àëüíîìó
íàáëþäàòåëÿ, íàõîäÿùåãîñÿ âíå ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ “÷åðíîé
                                                                 ðåøåíèþ ïðîáëåìû, äàííîìó ñàìèì Ýéíøòåéíîì, Âñåëåííàÿ
äûðû”, êàìåíü, ñâîáîäíî ïàäàþùèé íà “÷åðíóþ äûðó”, äîñòèãíåò
                                                                 ñòàöèîíàðíà è êîíå÷íà â ñâîèõ ðàçìåðàõ. Îäíàêî â 1922 ã.
øâàðöøèëüäîâñêîé ñôåðû çà áåñêîíå÷íî áîëüøîé ïðîìåæóòîê
âðåìåíè.  òî âðåìÿ êàê ÷àñû “íàáëþäàòåëÿ”, ïàäàþùåãî âìåñòå     ðîññèéñêèé ó÷åíûé À. À. Ôðèäìàí ðàññìîòðåë áîëåå ñëîæíûé
ñ êàìíåì, ïîêàæóò êîíå÷íîå âðåìÿ. Ðàñ÷åòû, îñíîâàííûå íà         ñöåíàðèé ðàçâèòèÿ Ìèðà. Îäèí èç âàðèàíòîâ åãî ðåøåíèÿ ïðåäïî-
ïîëîæåíèÿõ ÎÒÎ, ïîêàçûâàþò, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå ïîëå “÷åðíîé      ëàãàë ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé. Àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë,
äûðû” íå òîëüêî ñïîñîáíî èñêðèâèòü òðàåêòîðèþ ñâåòîâîãî ëó÷à,    íàáëþäàÿ äâèæåíèå äàëåêèõ çâåçä, ïîäòâåðäèë ôàêò ðàñøèðåíèÿ:
íî è çàõâàòèòü ñâåòîâîé ïîòîê è çàñòàâèòü åãî äâèãàòüñÿ âîêðóã   çâåçäû óäàëÿëèñü îò íàñ è äðóã îò äðóãà. Ñíîâà âîçíèêàëè
“÷åðíîé äûðû” (ýòî âîçìîæíî, åñëè ëó÷ ñâåòà ïðîéäåò íà           âîïðîñû: ïî÷åìó Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, âåäü ïî çàêîíó
ðàññòîÿíèè îêîëî 1,5RØ, íî òàêîå äâèæåíèå íåóñòîé÷èâî).          Âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, îòêðûòîãî åùå Íüþòîíîì, çâåçäû äîëæíû
     Åñëè çâåçäà, èñïûòàâøàÿ êîëëàïñ, îáëàäàëà óãëîâûì           ïðèòÿãèâàòüñÿ äðóã ê äðóãó? È êàê äîëãî ýòî ðàñøèðåíèå áóäåò
ìîìåíòîì, ò.å. âðàùàëàñü, òî è “÷åðíàÿ äûðà” äîëæíà ñîõðàíèòü    ïðîäîëæàòüñÿ?
ýòîò âðàùàòåëüíûé ìîìåíò. Íî òîãäà âîêðóã ýòîé çâåçäû è               Ó÷åíûå, â òîì ÷èñëå è íàøè ðîññèéñêèå, èùóò îòâåòû íà âñå
ãðàâèòàöèîííîå ïîëå äîëæíî èìåòü âèõðåâîé õàðàêòåð, ÷òî          ïîñòàâëåííûå âûøå âîïðîñû. È óæå åñòü ôàêòû, êîòîðûå
ïðîÿâèòñÿ â ñâîåîáðàçèè ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà-âðåìåíè. Ýòîò       ïîçâîëÿþò âîññòàíîâèòü ñöåíàðèé Âçðûâà, äàòü âîçìîæíûå
ýôôåêò ìîæåò ïîçâîëèòü îáíàðóæèòü “÷åðíóþ äûðó”.                 âàðèàíòû îòâåòîâ.
      ïîñëåäíèå ãîäû îáñóæäàåòñÿ âîçìîæíîñòü “èñïàðåíèÿ”             Îêîëî 40 ëåò íàçàä áûëî îáíàðóæåíî ñëàáîå
“÷åðíûõ äûð”. Ýòî ñâÿçàíî ñ âçàèìîäåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííîãî      ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå (ðàäèîâîëíû), êîòîðîå ðàâíîìåðíî
ïîëÿ òàêîé çâåçäû ñ ôèçè÷åñêèì âàêóóìîì.  ýòîì ïðîöåññå óæå     çàïîëíÿåò âñå ìèðîâîå ïðîñòðàíñòâî. Åãî íàçâàëè “ðåëèêòîâûì”,
äîëæíû ñêàçàòüñÿ êâàíòîâûå ýôôåêòû, ò.å. ÎÒÎ îêàçûâàåòñÿ
                                                                 òî åñòü ñîõðàíèâøèìñÿ îò ìîìåíòà íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ
ñâÿçàííîé ñ ôèçèêîé ìèêðîìèðà. Êàê âèäèì, ýêçîòè÷åñêèé
                                                                 Âñåëåííîé. Çàíèìàÿ âñå áîëüøåå ïðîñòðàíñòâî, ðåëèêòîâîå
îáúåêò, ïðåäñêàçàííûé OÒÎ, - “÷åðíàÿ äûðà” îêàçûâàåòñÿ
ñâÿçóþùèì çâåíîì, êàçàëîñü áû, äàëåêèõ äðóã îò äðóãà îáúåêòîâ    èçëó÷åíèå îñòûâàëî, èìåÿ âíà÷àëå î÷åíü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó.
- ìèêðîìèðà è Âñåëåííîé.                                         Òàêóþ æå âûñîêóþ òåìïåðàòóðó èìåëî è âåùåñòâî – Âñåëåííàÿ
                                                                 áûëà ãîðÿ÷åé. Àíàëèç ñâîéñòâ ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò
      §11. Çàãàäêè “Áîëüøîãî âçðûâà” (ÎÒÎ è êîñìîëîãèÿ)          ïîíÿòü, ïî÷åìó Âñåëåííàÿ â áîëüøèõ ìàñøòàáàõ áûëà è îñòàåòñÿ
                                                                 îäíîðîäíîé, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü âåùåñòâà ïîñòîÿííà. Äåëî â òîì,
    Ó÷åíûå óñòàíîâèëè, ÷òî íàøåé Âñåëåííîé 15 ìëðä. ëåò. Ÿ      ÷òî òîëüêî â ýòîì ñëó÷àå ñåãîäíÿ ìû è íàáëþäàåì, ÷òî ñî âñåõ
ïîÿâëåíèå ñâÿçàíî ñî âçðûâîì, ïîëó÷èâøèì íàçâàíèå “Áîëüøîãî      ñòîðîí íà Çåìëþ ïðèõîäèò îäíîðîäíîå ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå:
âçðûâà”.                                                         îíî ïðîõîäèò ÷åðåç îäíîðîäíî çàïîëíåííîå ìàòåðèåé ïðî-

230                                                                                                                         231