От атом до черна черна дупка
Една от най-големите мистерии в съвременната астрофизика остава Информационният парадокс на черната дупка и новото изследване на професор Хокинг вероятно ще го разреши. Теорията за черните дупки, предложена от Хокинг през 1975 г., се счита за един от най-големите пробиви в тази област.
Първо трябва да разберете как се появяват черните дупки. През 1783 г. английският математик Мичъл, а през 1796 г. независимо един от друг френският математик и астроном Пиер Симон Лаплас разглеждат условията, при които светлината не може да напусне звезда.
По време на изследването логиката на учените е доста проста. За всеки астрономически обект може да се изчисли втората космическа скорост или скоростта на бягство, което позволява на всяко физическо тяло или частица напълно да го напусне. Но тогавашната физика е доминирана от теорията на Нютон, според която светлината е поток от частици. Скоростта на бягство на частици и тела може да се изчисли въз основа на равенството на кинетичната енергия на обект, който се е преместил на безкрайно разстояние, и потенциалната енергия на повърхността на планетата и кинетичната енергия на тяло, което е "избягало" на безкрайно разстояние.
Така по-специално учените изчислиха, че Слънцето ще се превърне в черна дупка, ако се свие до радиус не повече от 3 километра. Плътността на веществото му по време на този процес ще достигне 1016 g/cm3. Радиусът на нашата планета Земя, компресирана в черна дупка, ще намалее до един сантиметър.
Изглежда невероятно, че в природата има сили, които могат да компресират звезда до толкова незначителен размер. Имайки предвид това, изводите от трудовете на Лаплас и Мичъл повече от сто години са наричани математически парадокс, който няма физически смисъл и научна логика.
Истинско математическо доказателствотова е получено едва през 1916 г. Германският астроном и математик Карл Шварцшилд, след като изучава уравненията на теорията на относителността на Айнщайн, получава доста интересен резултат. След като направи анализ на движението на частица, попаднала в гравитационното поле на масивен обект, той стигна до извода, че уравнението няма физически смисъл, тъй като окончателното му решение се обръща към безкрайността.
Точките, в които физическите характеристики на полето губят своето значение, се наричат единични или специални. Сингулярността в нулевата точка отразява точковата централно симетрична структура на силовото поле. А точките, разположени на сферичната повърхност, образуват същата повърхност, скоростта на бягство от която е равна на скоростта на светлината. В теорията на относителността се нарича хоризонт на събитията или сингулярна сфера на Шварцшилд.
Вече на примера на Земята и Слънцето става ясно, че черните дупки са много странни космически обекти. Дори астрономите, които се занимават с материя при специални стойности на температура, налягане и плътност, ги смятат за изключително екзотични и дълго време не всички вярваха в реалността на тяхното съществуване. В същото време първите указания за възможността за появата на черни дупки се съдържат в общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, създадена през 1915 г. Английският астроном Артър Едингтън стана един от първите популяризатори и тълкуватели на теорията на относителността, в средата на 30-те години той изведе система от уравнения, които описват вътрешната структура на звездите. Изводът от уравненията беше, че звездата е в постоянно равновесие под действието на многопосочни сили на вътрешно налягане и гравитация, създадени от движението на частици, които съставляват горещата плазма вътре в космическото тяло и налягането на радиацията, коетообразувани в нейните дълбини. И това показва, че звездата не е нищо повече от топка газ, в центъра на която има огромна температура, постепенно намаляваща към периферията. От уравненията следва, че температурата на нашето Слънце е повече от 5500 градуса и съответно в центъра му трябва да има поне 10 милиона градуса. Това позволи на физика Едингтън да направи наистина пророческо заключение: при такава температура се дава тласък на термоядрена реакция, което е достатъчно, за да осигури сиянието на Слънцето, с което сме свикнали.
Трябва да се признае, че в крайна сметка той се оказа сто процента прав: в центъра на звездата всъщност протича термоядрена реакция. Но въпреки това ядрената реакция в центъра на звездата протича, звездата свети и радиацията, която възниква в този случай, я поддържа в стабилно състояние. Но с течение на времето ядреното "гориво" в светеща звезда изгаря. Освобождаването на лъчиста енергия престава и силата, задържаща стабилното гравитационно привличане, изчезва. Има ограничение на масата на умираща звезда, след което тя започва необратимо да се свива. Математически изчисления показват, че този процес започва, ако масата на звездата е повече от два или три пъти общата маса на Слънцето.
Първоначално скоростта на свиване на умираща звезда е бавна, но скоростта нараства непрекъснато, предвид факта, че силата на привличане е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието. Компресията става необратима, не съществуват сили, способни да устоят на собствената гравитация. Този процес се нарича гравитационен колапс. Скоростта на приближаване на обвивката на звездата директно към нейния център се увеличава с времето, доближавайки се до скоростта на светлината. След известно време, което е огромно за човек, но в космоса пренебрежимо малко се появява ново черно пространство.дупка.
Преди това Стивън Хокинг твърди, че черната дупка е отделен космически обект, повечето от физическите свойства на който, с изключение на общата маса, е почти невъзможно да се установят. Професорът заяви, че след като бъде създадена, черна дупка незабавно започва да губи маса и в същото време излъчва радиация, която е произволна по природа и не предава информация за физическото съдържание на черната дупка.
Днес, три десетилетия по-късно, Стивън Хокинг стигна до ново заключение, че не всичко, което е в черна дупка, е безвъзвратно изгубено за останалата част от Вселената. В съответствие с действащите закони на квантовата физика входящата и предадената информация не може да бъде напълно загубена, посочва ученият. В средата на 70-те години той вярва, че много високата гравитация, която има черна дупка, по някакъв начин води до нарушаване на квантовите закони.
Физикът твърди, че е мислил над този проблем от 30 години и сега е намерил отговора. Той стигна до извода, че космическото излъчване на Хокинг все още съдържа информация и следователно образуваната черна дупка не пречи на разбирането на миналото и бъдещето.
Разбира се, новата теория на Хокинг лишава човечеството дори от фантастични, но надежди, че космическите черни дупки в крайна сметка могат да служат за движение не само в пространството, но и във времето или да станат пропуск към други светове и вселени. „Съжалявам, че феновете на научната фантастика ще бъдат разстроени. Но ако попаднете в черна дупка, масовата енергия ще се върне в нашата вселена в леко модифицирана форма“, казва Стивън Хокинг.
Може би фактът, че Хокинг промени мнението си за черните дупки, е повлиян от експерименти, свързани с ускорението на частиците, което ни позволява да проникнем в самата мистерия на произхода.реалност.
Съвременната физика разполага с доказан инструмент за проникване в тайните на атомното ядро – да го облъчи или бомбардира с частици и да проследи процеса. За първите експериментални изследвания на атома и неговото ядро енергията на радиация, която възниква при разпадането на радиоактивните елементи в естествената им форма, беше напълно достатъчна. Но скоро тази енергия не беше достатъчна и за да разберат по-пълно същността и да „погледнат“ в ядрото, физиците трябваше да помислят как изкуствено да създадат поток от високоенергийни частици.
Известно е, че заредена частица, като протон или електрон, разположена между електроди с противоположни заряди, ускорява движението под въздействието на електрически сили. Това физическо явление поражда идеята за създаване на линеен ускорител през далечната 1930 година.
Според предложената конструкция линейният ускорител представляваше дълга и абсолютно права тръба-камера, вътре в която се поддържаше вакуум. По цялата дължина на камерата са поставени огромен брой метални тръби, които са електроди. От специален генератор, който генерира високочестотни вълни, променливо електрическо напрежение се насочва към електродите по такъв начин, че когато първият електрод се зареди, да речем положително, следващият електрод ще бъде зареден с отрицателен заряд. След това редуването на положителен електрод, веднага след него - отрицателен и т.н.
Електронен лъч се изстрелва с помощта на електронен "пистолет" във вакуумна камера и, попадайки под действието на потенциала на първия, положително зареден електрод, започва да се ускорява, придвижвайки се по-нататък през него. След това фазата на захранващото напрежение се променя и положително зареденият електрод става моменталноотрицателен. Сега той вече произвежда отблъскване на електрони от себе си, сякаш ги подтиква. А вторият електрод, който през това време е станал положителен, привлича електрони, ускорявайки ги още повече. След това, когато електронът прелети през него, той отново става отрицателен и избутва хомота към третия електрод и процесът продължава безкрайно дълго.
Докато се движат, електроните постепенно се ускоряват и до края на камерата достигат скорост, близка до светлинната, и придобиват енергия от няколкостотин милиона електронволта. Атомите и техните ядра се намират в прозорец, монтиран в края на тръбата, непроницаем за въздуха, и през него част от ускорените електрони се удря в изследваните обекти на микросвета.
Лесно е да се разбере, че колкото по-голяма е енергията, която можем да предадем на частиците, толкова по-дълга трябва да бъде вакуумната тръба на линейния ускорител. Дължината му може да бъде десетки и дори стотици метри. Но в действителност това не винаги е възможно. Ако навиете тръбата в отделна компактна спирала, тогава такъв ускорител може да бъде поставен в научна лаборатория.
Физическо явление помогна да се осъществи такава идея, а именно фактът, че след като попадне в магнитно поле, заредена частица започва да се движи не по права линия, а се „навива“ около мощни линии на магнитно поле. Така беше създаден такъв тип ускорител като циклотрон.
Основната част на циклотрона е мощен електромагнит и плоска цилиндрична камера, разположена между неговите полюси, която се състои от метални кутии с полукръгла форма и разделени с малка междина. Метални кутии - диета - действат като електроди и са свързани към различни полюси на генератор, който доставя променливо напрежение. В центъра на камерата има източник на заредени частици, подобен наелектронен "пистолет".
Излитайки от източника, частицата веднага се привлича към отрицателно заредения електрод. Вътре в електрода няма електрическо поле, така че частицата се движи в него по инерция. Под мощното въздействие на магнитното поле частицата описва полукръг и се приближава до междината между електродите. През това време първият електрод придобива положителен заряд и сега изтласква частицата навън, докато другият я изтегля. Така, преминавайки от едно дее в друго, частицата набира огромна скорост и очертава една спирала. На целта частиците се отстраняват от камерата с помощта на специални магнити.
Тъй като съвременните физици са навлезли по-дълбоко в структурата на ядрото, е имало нужда от частици с по-висока енергия. Днес в САЩ се намира най-мощният ускорител на частици – колайдерът – Теватрон. Името си получи, защото в неговия пръстен, дълъг шест километра, с помощта на мегамощни свръхпроводящи магнити частиците придобиват енергия над един тераелектронволт. Механизмът на взаимодействие на ядрата, като се вземат предвид толкова високи енергии, е интересен сам по себе си, но много по-важно е, че за първи път в лабораторията можем да изследваме процеса на раждането на нашата Вселена. С помощта на колайдер в САЩ се провеждат експерименти с цел практически пресъздаване в лабораторни условия на истинския Голям взрив, от който, според предположението, е започнала нашата Вселена. В този наистина смел експеримент активно се включиха физици от двадесет страни по света, сред които бяха и българите.
Може би благодарение на изследванията на физици, математици, астрономи, химици през следващите години ще разберем как се е случил СВЕТЪТ.
Източници : http://www.nkj.ru/archive/articles/8028/ http://www.tiptoptech.net/uskoritel.html
Какво е реалността
Реалността започва с атом и достигайки до черните дупки, се простира до границите на Вселената. Разбирането на природата на реалността отвежда учените далеч отвъд границите на разбираемото. Но внимавай. Веднъж влезеш ли в тяхната реалност, никога няма да можеш да погледнеш на света със същите очи.