ÚVOD
Čierne diery sú svojimi vlastnosťami úplne fantastické objekty. „Zo všetkých vynálezov ľudskej mysle, od jednorožcov a chimér až po vodíkovú bombu, je snáď najfantastickejší obraz čiernej diery, oddelenej od zvyšku vesmíru určitou hranicou, ktorú nemôže nič prekročiť; diera s gravitačným poľom tak silným, že aj svetlo je zadržiavané jeho priškrtením; diera, ktorá ohýba priestor a spomaľuje čas. Rovnako ako jednorožce a chiméry, čierna diera sa zdá byť vhodnejšia vo fantasy románoch alebo starovekých mýtoch ako v skutočnom vesmíre. A predsa zákony modernej fyziky skutočne vyžadujú existenciu čiernych dier. Obsahuje ich snáď len naša Galaxia,“ povedal o čiernych dierach americký fyzik K. Thorn.
K tomu treba dodať, že vo vnútri čiernej diery sa vlastnosti priestoru a času prekvapivo menia, krútia sa do akéhosi lievika a v hĺbke je hranica, za ktorou sa čas a priestor rozpadávajú na kvantá ... Vo vnútri čiernej dierou, za okrajom tejto zvláštnej gravitačnej priepasti, odkiaľ niet východu, prúdia úžasné fyzikálne procesy, prejavujú sa nové zákony prírody.
Čierne diery sú najveľkolepejším zdrojom energie vo vesmíre. Pravdepodobne ich vidíme vo vzdialených kvazaroch, v explodujúcich galaktických jadrách. Vznikajú aj po smrti veľkých hviezd. Možno sa čierne diery v budúcnosti stanú zdrojom energie pre ľudstvo.
TVORBA ČIERNYCH DIER. GRAVITAČNÝ KOLAPS. GRAVITAČNÝ POLOMER
Vedci zistili, že čierne diery musia vzniknúť v dôsledku veľmi silného stlačenia akejkoľvek hmoty, pri ktorej sa gravitačné pole zväčší natoľko, že nevypustí žiadne svetlo ani žiadne iné žiarenie, signály či telesá.
Ešte v roku 1798 P. Laplace pri štúdiu šírenia svetla v gravitačnom poli objektu, ktorého veľká hmota je sústredená v malej oblasti priestoru, dospel k záveru, že v prírode sa môžu vyskytovať telesá absolútne čierne pre vonkajšieho pozorovateľa. Gravitačné pole takýchto telies je také veľké, že neprepúšťa lúče svetla (v reči astronautiky to znamená, že druhá vesmírna rýchlosť by bola väčšia ako rýchlosť svetla c). Na to je len potrebné, aby sa hmota objektu M sústredila do oblasti s polomerom menším ako je tzv. gravitačný polomer teleso R g . Polomer
Rg \u003d 2GM / cІ1,5 * 10 -28 M, kde G je gravitačná konštanta;
M-hmotnosť (meraná v gramoch),
R g - v centimetroch.
Laplaceov záver bol založený na klasickej mechanike a Newtonovej teórii gravitácie.
Preto je pre vznik čiernej diery potrebné, aby sa hmota zmenšila na takú veľkosť, aby sa druhá kozmická rýchlosť rovnala rýchlosti svetla. Táto veľkosť sa nazýva gravitačný polomer a závisí od hmotnosti telesa. Jeho hodnota je veľmi malá aj pre masy nebeských telies. Takže pre Zem je gravitačný polomer približne 1 cm, pre Slnko - 3 km.
Na prekonanie gravitácie a únik z čiernej diery by bola potrebná druhá kozmická rýchlosť, väčšia ako rýchlosť svetla. Podľa teórie relativity sa žiadne teleso nemôže zrýchliť rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Preto z čiernej diery nemôže nič vyletieť, žiadna informácia nemôže vyjsť von. Potom, čo akékoľvek telesá, akákoľvek látka alebo žiarenie spadnú vplyvom gravitácie do čiernej diery, sa pozorovateľ nikdy v budúcnosti nedozvie, čo sa s nimi stalo. V blízkosti čiernych dier by sa podľa vedcov mali dramaticky zmeniť vlastnosti priestoru a času.
Ak čierna diera vznikne v dôsledku stlačenia rotujúceho telesa, potom v blízkosti jej hraníc sú všetky telesá zapojené do rotačného pohybu okolo nej.
Vedci sa domnievajú, že čierne diery sa môžu objaviť na konci vývoja dostatočne hmotných hviezd. Po vyčerpaní zásob jadrového paliva hviezda stráca stabilitu a vplyvom vlastnej gravitácie sa začne rýchlo zmenšovať. Takzvaný gravitačný kolaps(taký proces stláčania, pri ktorom sa gravitačné sily nekontrolovateľne zvyšujú).
Totiž, hviezdy na konci svojho života strácajú hmotnosť v dôsledku množstva procesov: hviezdny vietor, presun hmoty v binárnych systémoch, výbuchy supernov atď.; je však známe, že existuje veľa hviezd s hmotnosťou 10, 20 a dokonca 50-krát väčšou ako Slnko. Je nepravdepodobné, že sa všetky tieto hviezdy nejakým spôsobom zbavia „nadmernej“ hmoty, aby vstúpili do uvedených limitov (2-3M). Podľa teórie, ak sa hviezda alebo jej jadro s hmotnosťou nad stanovenou hranicou začne rúcať pod vplyvom vlastnej gravitácie, potom jej kolaps nič nedokáže zastaviť. Hmota hviezdy sa bude v princípe donekonečna zmenšovať, až kým sa nezmrští do bodu. V priebehu stláčania sa gravitačná sila na povrchu neustále zvyšuje - nakoniec príde okamih, keď ani svetlo nedokáže prekonať gravitačnú bariéru. Hviezda zmizne: vytvorí sa to, čo nazývame ČIERNA DIERA.
GRAVITAČNÝ POLOMER
polomer, vo všeobecnej teórii relativity (viď. Gravitácia) polomer gule, na ktorej gravitačná sila vytváraná hmotnosťou m, ktorá leží celá vo vnútri tejto gule, smeruje k nekonečnu. G. r. je určená hmotnosťou telesa m a rovná sa r g 2 G m / c 2, kde G je gravitačná konštanta, c je rýchlosť svetla. G. r. bežné astrofyzikálne objekty sú v porovnaní s ich skutočnou veľkosťou zanedbateľné; teda pre Zem r g " 0,9 cm, pre Slnko r g " 3 km.
Ak je teleso stlačené na veľkosť G. R., potom žiadne sily nedokážu zastaviť jeho ďalšie stláčanie pod vplyvom gravitačných síl. Takýto proces, nazývaný relativistický gravitačný kolaps, môže nastať u pomerne masívnych hviezd (ako ukazujú výpočty, s hmotnosťou väčšou ako dve hmotnosti Slnka) na konci ich vývoja: ak hviezda po vyčerpaní jadrového „paliva“ áno. nevybuchne a nestráca hmotu, potom, keď sa zmenší na veľkosť G. R., musí zažiť relativistický gravitačný kolaps. Pri gravitačnom kolapse nemôže spod sféry s polomerom r g uniknúť žiadne žiarenie, žiadne častice. Z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa umiestneného ďaleko od hviezdy, ako sa veľkosť hviezdy blíži k rg, čas spomalí rýchlosť jej prúdenia na neurčito. Preto sa pre takého pozorovateľa polomer kolabujúcej hviezdy blíži ku G. r. asymptoticky, nikdy sa nezmenší.
I. D. Novikov.
Veľká sovietska encyklopédia, TSB. 2012
Pozrite si tiež výklady, synonymá, významy slova a čo je to GRAVITAČNÝ RÁDIUS v ruštine v slovníkoch, encyklopédiách a referenčných knihách:
- GRAVITAČNÝ POLOMER
- GRAVITAČNÝ POLOMER
v teórii gravitácie polomer rgr gule, na ktorej gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m ležiacou vo vnútri tejto gule smeruje k nekonečnu; … - POLOMER vo Veľkom encyklopedickom slovníku:
(lat. polomer písmen. - lúč kolesa, lúč), segment spájajúci ľubovoľný bod kruhu alebo gule so stredom, ako aj dĺžka tohto ... - POLOMER
kruhy (alebo gule) (lat. polomer, doslova - lúč kolesa, lúč), segment spájajúci bod kruhu (alebo gule) so stredom. R. sa tiež nazýva ... - POLOMER
[z latinského polomeru v kolese, lúči] v geometrii je polomer kruhu (alebo gule) priamka spájajúca stred kruhu (alebo ... - GRAVITAČNÝ v Encyklopedickom slovníku:
[pozri gravitáciu] na základe zákona... - POLOMER v Encyklopedickom slovníku:
a, m. 1. geom. Úsečka spájajúca stred kruhu alebo lopty s nejakým bodom na kruhu (alebo povrchu lopty), ako aj ... - POLOMER v Encyklopedickom slovníku:
, -a, m. 1^ V matematike: priamka spájajúca stred gule alebo kruhu s ktorýmkoľvek bodom gule alebo kruhu, ... - POLOMER
POLOLOMER ZOTRVAČNOSTI, hodnota r, ktorá má rozmer dĺžky, pomocou ktorej je moment zotrvačnosti telesa vzhľadom na danú os vyjadrený pomocou f-loy: I \u003d ... - POLOMER vo Veľkom ruskom encyklopedickom slovníku:
RADIUS (lat. rádius, lit. - lúč kolesa, nosník), segment spájajúci c.-l. bod kruhu alebo gule so stredom, ako aj dĺžka ... - GRAVITAČNÝ vo Veľkom ruskom encyklopedickom slovníku:
GRAVITAČNÁ DOPRAVA, spôsob prepravy tovaru pod vplyvom vlastného. hmotnosť (napr. na šikmom žľabe dopravníka, zostup závitovky, gravitačný valec … - GRAVITAČNÝ vo Veľkom ruskom encyklopedickom slovníku:
GRAVITAČNÝ POLOLOMER, v teórii gravitácie, polomer r gr gule, na ktorej pôsobí gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m ležiacou vo vnútri tejto ... - GRAVITAČNÝ vo Veľkom ruskom encyklopedickom slovníku:
GRAVITAČNÝ KOLAPS, katastrofálne rýchle stlačenie masívnych telies pod vplyvom gravitácie. sily. G.K. vývoj hviezd s hmotnosťou sv. dva... - GRAVITAČNÝ vo Veľkom ruskom encyklopedickom slovníku:
Gravity logging, štúdium gravitačného zrýchlenia vo vrtoch na určenie porov. hodnoty hustoty ohniska. skaly vo svojej povahe. výskyt. … - POLOMER
ra"dius, ra"dius, ra"dius, ra"dius, ra"dius, ra"diusam, ra"dius, ra"dius, ra"dius, ra"dius, ra"dius, ... - GRAVITAČNÝ v úplne akcentovanej paradigme podľa Zaliznyaka:
gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, gravitačná, ... - POLOMER
(lat. polomer lúč v kolese, nosník) 1) geom. R. kruh (alebo guľa) - priamka spájajúca stred kruhu (alebo lopty) ... - GRAVITAČNÝ v Novom slovníku cudzích slov:
(lat.; pozri gravitácia) fyzikálny. spojené s gravitačnými silami; i-té pole - pole gravitačných síl; g-té žiarenie - ... - POLOMER
[ 1. geom. R. kruh (alebo guľa) - priamka spájajúca stred kruhu (alebo gule) s niekt. bod kruhu (alebo lopty), ... - GRAVITAČNÝ v Slovníku cudzích výrazov:
[fyz. spojené s gravitačnými silami; i-té pole - pole gravitačných síl; r-té žiarenie - žiarenie gravitačných vĺn (r-té vlny) ... - POLOMER v slovníku Synonymá ruského jazyka.
- POLOMER
m.1) Úsečka priamej čiary spájajúca stred kruhu alebo lopty s niektorými. bod na kružnici alebo na povrchu gule. 2) trans. Distribučná oblasť... - GRAVITAČNÝ v Novom výkladovom a odvodzovacom slovníku ruského jazyka Efremova:
adj. 1) Súvisiace podľa hodnoty. s podstatným menom: gravitácia s tým spojená. 2) Vlastná gravitácii, ktorá je pre ňu charakteristická. 3) Sluha pre... - POLOMER v Slovníku ruského jazyka Lopatin:
polomer r, ... - GRAVITAČNÝ v Slovníku ruského jazyka Lopatin.
- POLOMER v Úplnom pravopisnom slovníku ruského jazyka:
polomer... - GRAVITAČNÝ v Úplnom pravopisnom slovníku ruského jazyka.
- POLOMER v pravopisnom slovníku:
polomer r, ... - GRAVITAČNÝ v Slovníku pravopisu.
- POLOMER v Slovníku ruského jazyka Ozhegov:
pokrytie, oblasť distribúcie niečoho R. letecká akcia. polomer! V matematike: úsečka spájajúca stred gule alebo kruhu s akýmkoľvek ... - RADIUS v Dahlovom slovníku:
manžel. , lat. polovičný priemer kruhu, polovičná os lopty, trám, noha, ktorou je kruh obkreslený; čiara alebo miera od markízy (stred, stred) po ... - POLOMER v Modernom výkladovom slovníku, TSB:
(lat. polomer, rozsvietený - lúč kolesa, lúč), segment spájajúci ľubovoľný bod kruhu alebo gule so stredom, ako aj dĺžka tohto ... - POLOMER vo Výkladovom slovníku ruského jazyka Ushakov:
rádius, m. (lat. rádius - lúč, lúč). 1. Priamka spájajúca stredový bod s ktorýmkoľvek bodom kruhu alebo povrchu lopty (mat.). … - POLOMER
polomer m. 1) Priamka úsečka spájajúca stred kruhu alebo gule s niek. bod na kružnici alebo na povrchu gule. 2) trans. Región… - GRAVITAČNÝ vo Výkladovom slovníku Efremovej:
gravitačný adj. 1) Súvisiace podľa hodnoty. s podstatným menom: gravitácia s tým spojená. 2) Inherentná gravitácii, ktorá je pre ňu charakteristická. 3) Zamestnanec... - POLOMER
- GRAVITAČNÝ v Novom slovníku ruského jazyka Efremova:
- POLOMER
m 1. Úsečka spájajúca stred kruhu alebo lopty s ktorýmkoľvek bodom na kruhu alebo povrchu lopty. 2. prekl. Distribučná oblasť... - GRAVITAČNÝ vo Veľkom modernom výkladovom slovníku ruského jazyka:
adj. 1. pomer s podstatným menom. gravitácia s ňou spojená 2. Inherentná gravitácii, charakteristická pre ňu. 3. Sluha na štúdium... - GRAVITAČNÝ KOLAPS vo Veľkom encyklopedickom slovníku:
pozri gravitaciu... - GRAVITAČNÝ KOLAPS vo Veľkom encyklopedickom slovníku:
katastrofálne rýchle stlačenie masívnych telies pod vplyvom gravitačných síl. Evolúcia hviezd s hmotnosťou väčšou ako dve hmotnosti Slnka môže skončiť gravitačným kolapsom ... - GRAVITAČNÝ KOLAPS vo Veľkej sovietskej encyklopédii, TSB:
gravitačné (v astronómii), katastrofálne rýchle stlačenie hviezdy pod vplyvom gravitačných síl (gravitácia). Podľa existujúcich astronomických konceptov hrá K. g. rozhodujúcu ... - GRAVITAČNÝ GRADIENTOMETER vo Veľkej sovietskej encyklopédii, TSB:
gravitačná vodorovná, prístroj na gravimetrický prieskum, merajúci len horizontálne zložky gravitačného spádu (bez merania zakrivenia nivelačného povrchu). G.g.... - GRAVITAČNÝ KOLAPS vo Veľkej sovietskej encyklopédii, TSB:
kolaps, pozri Gravitačný kolaps... - GRAVITAČNÝ VARIOMETER vo Veľkej sovietskej encyklopédii, TSB:
variometer, prístroj na meranie druhých derivácií gravitačného potenciálu, charakterizujúci zakrivenie povrchu rovnakého gravitačného potenciálu a zmenu (gradientu) sily ... - VARIOMETER GRAVITA vo Veľkej sovietskej encyklopédii, TSB:
gravitácia, pozri gravitačný variometer... - GRAVITAČNÝ KOLAPS v Collierovom slovníku:
rýchla kontrakcia a rozpad medzihviezdneho oblaku alebo hviezdy pod vplyvom vlastnej gravitačnej sily. Gravitačný kolaps je veľmi dôležitým astrofyzikálnym javom; … - GRAVITAČNÝ KOLAPS v Modernom výkladovom slovníku, TSB:
pozri gravitaciu...
Aký je rozdiel medzi Einsteinovou teóriou gravitácie a Newtonovou teóriou? Začnime s najjednoduchším prípadom. Predpokladajme, že sme na povrchu sférickej nerotujúcej planéty a pomocou pružinových váh meriame silu príťažlivosti telesa touto planétou. Vieme, že podľa Newtonovho zákona je táto sila úmerná súčinu hmotnosti planéty a hmotnosti telesa a je nepriamo úmerná druhej mocnine polomeru planéty. Polomer planéty: dá sa určiť napríklad meraním dĺžky jej rovníka a delením číslom 2n.
Čo hovorí Einsteinova teória o sile príťažlivosti? Sila bude podľa nej o niečo väčšia, ako vypočítal Newtonov vzorec. Neskôr objasníme, čo to „trochu viac“ znamená.
Predstavte si teraz, že môžeme postupne zmenšovať polomer planéty, stláčať ju pri zachovaní jej celkovej hmotnosti. Gravitačná sila sa zvýši (napokon sa zmenšuje polomer). Podľa Newtona, keď zdvojnásobíte silu, sila sa zoštvornásobí. Podľa Einsteina k nárastu sily dôjde opäť o niečo rýchlejšie. Čím menší je polomer planéty, tým väčší je tento rozdiel.
Ak planétu stlačíme natoľko, že sa gravitačné pole stane supersilným, potom enormne narastá rozdiel medzi veľkosťou sily vypočítanej podľa Newtonovej teórie a jej skutočnou hodnotou, danou Einsteinovou teóriou. Podľa Newtona má gravitačná sila tendenciu k nekonečnu, keď stlačíme teleso do bodu (polomer je blízky nule). Podľa Einsteina je záver celkom odlišný: sila má tendenciu k nekonečnu, keď sa polomer telesa rovná takzvanému gravitačnému polomeru. Tento gravitačný polomer je určený hmotnosťou nebeského telesa. Čím je menšia, tým menšia je hmotnosť. Ale aj pre gigantické masy je veľmi malý. Takže pre Zem sa rovná iba jednému centimetru! Aj pre Slnko je gravitačný polomer iba 3 kilometre. Rozmery nebeských telies sú zvyčajne oveľa väčšie ako ich gravitačné polomery.
sovy. Napríklad priemerný polomer Zeme je 6400 kilometrov, polomer Slnka je 700 tisíc kilometrov. Ak sú skutočné polomery telies oveľa väčšie ako ich gravitačné, potom je rozdiel medzi silami vypočítanými podľa Einsteinovej teórie a Newtonovej teórie extrémne malý. Takže na povrchu Zeme tento rozdiel predstavuje jednu miliardtinu veľkosti samotnej sily.
Až keď sa polomer telesa pri jeho stlačení priblíži k polomeru gravitácie, v tak silnom poli cha Zároveň rozdiely citeľne rastú a ako už bolo spomenuté, keď sa polomer telesa rovná gravitačnému, skutočná hodnota sily gravitačného poľa sa stáva nekonečnou.
Pred diskusiou o tom, k akým dôsledkom to vedie, sa pozrime na niektoré ďalšie dôsledky Einsteinovej teórie.
Jeho podstata spočíva v tom, že nerozlučne spájal geometrické vlastnosti priestoru a plynutie času so silami gravitácie. Tieto vzťahy sú zložité a rôznorodé. Všimnime si len dve dôležité skutočnosti.
Podľa Einsteinovej teórie čas v silnom gravitačnom poli plynie pomalšie ako čas meraný mimo gravitujúcich hmôt (kde je gravitácia slabá). Skutočnosť, že čas môže plynúť rôznymi spôsobmi, moderný čitateľ, samozrejme, počul. A predsa je ťažké zvyknúť si na túto skutočnosť. Ako môže čas plynúť inak? Koniec koncov, podľa našich intuitívnych predstáv, čas je trvanie, niečo spoločné, čo je vlastné všetkým procesom. Je ako rieka tečúca nemenne. Samostatné procesy môžu plynúť rýchlejšie aj pomalšie, môžeme ich ovplyvňovať umiestnením do rôznych podmienok. Napríklad je možné urýchliť priebeh chemickej reakcie zahrievaním alebo spomaliť životnú činnosť organizmu zmrazením, ale pohyb elektrónov v atómoch bude prebiehať rovnakým tempom. Všetky procesy, ako sa nám zdá, sú ponorené do rieky absolútneho času, ktorý, ako by sa zdalo, nemožno ničím ovplyvniť. Podľa našich predstáv je možné z tejto rieky vo všeobecnosti odstrániť všetky procesy a čas bude stále plynúť ako prázdne trvanie.
Takže to bolo považované vo vede ako v čase Aristotela, tak v čase I. Newtona a neskôr - až po A. Einsteina. Tu je to, čo Aristoteles píše vo svojej knihe „Fyzika“: „Čas plynúci v dvoch podobných a simultánnych pohyboch je jeden a ten istý. Ak by obe časové obdobia neplyli súčasne, boli by stále rovnaké... Pohyby môžu byť následne rôzne a navzájom nezávislé. V oboch prípadoch je čas úplne rovnaký.“
I. Newton napísal ešte expresívnejšie v domnení, že hovorí o samozrejmosti: „Absolútny, pravdivý, matematický čas, ktorý sa berie sám osebe, bez vzťahu k akémukoľvek telesu, plynie rovnomerne, v súlade so svojou vlastnou prirodzenosťou.“
Odhady, že predstavy o absolútnom čase nie sú v žiadnom prípade také samozrejmé, boli niekedy vyslovené už v staroveku. Takže Lucretius Carus v 1. storočí pred naším letopočtom napísal v básni „O povahe vecí“: „Čas neexistuje sám o sebe... Nemôžete pochopiť čas sám osebe, bez ohľadu na stav pokoja a pohyb tiel“
Ale až A. Einstein dokázal, že absolútny čas neexistuje. Plynutie času závisí od pohybu a čo je pre nás teraz obzvlášť dôležité, od gravitačného poľa. V silnom gravitačnom poli sa pre vonkajšieho pozorovateľa spomaľujú všetky procesy, úplne všetko, čo je veľmi odlišného charakteru, to znamená, že sa spomaľuje čas - teda to, čo je všetkým procesom spoločné.
Oneskorenie je zvyčajne malé. Na povrchu Zeme teda čas plynie pomalšie ako v hlbokom vesmíre, len o jednu časť z miliardy, ako v prípade výpočtu gravitačnej sily.
Osobitne by som chcel zdôrazniť, že taká nevýznamná dilatácia času v gravitačnom poli Zeme bola priamo zmeraná. Dilatácia času bola nameraná aj v gravitačnom poli hviezd, hoci zvyčajne je tiež extrémne malá. Vo veľmi silnom gravitačnom poli je spomalenie výrazne väčšie a nekonečne väčšie, keď sa polomer telesa rovná gravitačnému.
Druhým dôležitým záverom Einsteinovej teórie je, že v silnom gravitačnom poli sa geometrické vlastnosti priestoru menia. Euklidovská geometria, nám taká známa, sa už teraz ukazuje ako nespravodlivá. To znamená, že napríklad súčet uhlov v trojuholníku sa nerovná dvom pravým uhlom a obvod kruhu sa nerovná jeho vzdialenosti od stredu vynásobenej 2pi. Vlastnosti obyčajných geometrických útvarov sa stanú rovnakými, ako keby neboli nakreslené na rovine, ale na zakrivenom povrchu. Preto sa hovorí, že priestor
„krivky“ v gravitačnom poli. Samozrejme, toto zakrivenie je badateľné len v silnom gravitačnom poli, ak sa veľkosť telesa približuje jeho gravitačnému polomeru.
Samozrejme, predstava o zakrivení priestoru sama o sebe je rovnako nezlučiteľná s našimi hlboko zakorenenými intuíciami ako predstava o odlišnom toku času.
Tak isto ako o čase napísal I. Newton o priestore: „Absolútny priestor svojou povahou, nezávislý od akéhokoľvek vzťahu k vonkajším objektom, zostáva nezmenený a nehybný.“ Priestor mu bol predstavený ako akási nekonečná „scéna“, na ktorej sa odohrávajú „udalosti“, ktoré túto „scénu“ nijako neovplyvňujú.
Dokonca aj objaviteľ neeuklidovskej, „zakrivenej“ geometrie – N. Lobačevskij vyslovil myšlienku, že v niektorých fyzikálnych situáciách sa môže objaviť jeho – N. Lobačevskij – geometria, a nie geometria Euklidova. A. Einstein svojimi výpočtami ukázal, že priestor sa skutočne „kriví“ v silnom gravitačnom poli.
Tento záver teórie potvrdzujú aj priame experimenty.
Prečo máme taký problém prijať závery všeobecnej teórie relativity o priestore a čase?
Áno, pretože každodenná skúsenosť ľudstva a dokonca aj skúsenosť exaktnej vedy sa po stáročia zaoberala iba stavmi, keď sú zmeny vlastností času a priestoru úplne nepostrehnuteľné, a teda úplne zanedbané. Všetky naše znalosti sú založené na každodenných skúsenostiach. Tu sme zvyknutí na tisícročnú dogmu o absolútne nemennom priestore a čase.
Prišla naša éra. Ľudstvo sa vo svojom poznaní dostalo do podmienok, kedy nemožno zanedbať vplyv hmoty na vlastnosti priestoru a času. Napriek zotrvačnosti nášho myslenia si musíme na takúto nezvyčajnosť zvyknúť. A teraz nová generácia ľudí už oveľa ľahšie vníma pravdy teórie relativity (základy špeciálnej teórie relativity sa dnes študujú v škole!), ako to bolo pred niekoľkými desaťročiami, keď aj tí najpokročilejší mysle len ťažko vnímali Einsteinovu teóriu
Urobme ešte jednu poznámku k záverom teórie relativity. Jeho autor ukázal, že vlastnosti priestoru a času sa nielenže môžu meniť, ale že priestor a čas sú spojené do jedného celku – štvorrozmerného „časopriestoru“ Práve táto jediná rozmanitosť je ohnutá. Samozrejme, vizuálne znázornenia v takejto štvorrozmernej supergeometrii sú ešte ťažšie a nebudeme sa nimi tu zaoberať.
Vráťme sa ku gravitačnému poľu okolo guľovej hmoty. Keďže geometria v silnom gravitačnom poli je neeuklidovská, zakrivená, je potrebné si ujasniť, aký je polomer kružnice, napríklad rovníka planéty. V bežnej geometrii možno polomer definovať dvoma spôsobmi: po prvé je to vzdialenosť bodov kruhu od stredu a po druhé je to obvod delený 2pi. Ale v neeuklidovskej geometrii sa tieto dve veličiny nezhodujú v dôsledku „zakrivenia“ priestoru.
Použitie druhej metódy na určenie polomeru gravitačného telesa (a nie vzdialenosti od stredu k samotnému kruhu) má množstvo výhod. Na meranie takéhoto polomeru nie je potrebné priblížiť sa k ťažisku. To druhé je veľmi dôležité, napríklad na meranie polomeru Zeme by bolo veľmi ťažké preniknúť do jej stredu, ale nie je veľmi ťažké zmerať dĺžku rovníka.
Pre Zem nie je potrebné priamo merať vzdialenosť od stredu, pretože gravitačné pole Zeme je malé a Euklidova geometria pre nás platí s väčšou presnosťou a dĺžka rovníka delená 2pi, rovná vzdialenosti do stredu. V superhustých hviezdach so silným gravitačným poľom to tak však nie je:
rozdiel v „polomeroch" určených rôznymi spôsobmi môže byť dosť citeľný. Navyše, ako uvidíme nižšie, v niektorých prípadoch je zásadne nemožné dosiahnuť ťažisko. Polomer kružnice budeme preto vždy chápať ako jeho dĺžka vydelená 2pi.
Gravitačné pole, o ktorom uvažujeme okolo sférického nerotujúceho telesa, sa nazýva Schwarzschildovo pole podľa vedca, ktorý hneď po tom, čo Einstein vytvoril teóriu relativity, vyriešil jej rovnice pre tento prípad.
Nemecký astronóm K Schwarzschild bol jedným z tvorcov modernej teoretickej astrofyziky, vykonal množstvo cenných prác z oblasti praktickej astrofyziky a iných odvetví astronómie Na zasadnutí Pruskej akadémie vied venovanom pamiatke K. Schwarza
Schild, ktorý zomrel vo veku iba 42 rokov, A. Einstein zhodnotil jeho prínos pre vedu takto:
„Na teoretických prácach Schwarzschilda je pozoruhodné najmä sebavedomé zvládnutie matematických metód výskumu a ľahkosť, s akou chápe podstatu astronomického alebo fyzikálneho problému. Málokedy nájdete také hlboké matematické znalosti spojené so zdravým rozumom a takou flexibilitou myslenia ako on. Práve tieto talenty mu umožnili vykonávať dôležitú teoretickú prácu v tých oblastiach, ktoré odstrašili iných výskumníkov s matematickými ťažkosťami. Za motív jeho nevyčerpateľnej kreativity možno v oveľa väčšej miere považovať radosť umelca, ktorý objavuje jemné prepojenie matematických pojmov, ako túžbu po poznaní skrytých závislostí v prírode.
K. Schwarzschild získal riešenie Einsteinových rovníc pre gravitačné pole guľového telesa v decembri 1915, mesiac po tom, čo A. Einstein dokončil publikáciu svojej teórie. Ako sme už povedali, táto teória je veľmi zložitá vďaka úplne novým, revolučným konceptom, no ukazuje sa, že jej rovnice sú stále veľmi zložité, takpovediac čisto technicky. Ak je vzorec I. Newtonovho gravitačného zákona povestný svojou klasickou jednoduchosťou a stručnosťou, tak v prípade novej teórie je na určenie gravitačného poľa potrebné vyriešiť sústavu desiatich rovníc, z ktorých každá obsahuje stovky (!) Termíny A to nie sú len algebraické rovnice, ale diferenciálne rovnice v parciálnych deriváciách druhého rádu
V našej dobe sa na prácu s takýmito úlohami využíva celý arzenál elektronických počítačov.Za čias K. Schwarzschilda samozrejme nič také neexistovalo a jedinými nástrojmi boli pero a papier.
No treba povedať, že aj dnes si práca v oblasti teórie relativity niekedy vyžaduje dlhé a namáhavé matematické transformácie ručne (bez elektronického stroja), ktoré sú často zdĺhavé a monotónne pre obrovské množstvo pojmov vo vzorcoch. Bez tvrdej práce sa však nezaobídete. Často navrhujem, aby študenti (a niekedy aj doktorandi a vedci), ktorých uchvátila fantastická povaha všeobecnej teórie relativity, ktorí ju poznali z učebníc a chcú v nej pracovať, konkrétne kalkulovali vlastnými rukami aspoň jedna relatívne jednoduchá veličina v problémoch tejto teórie. Nie každý sa po mnohých dňoch (a niekedy oveľa dlhších!) Výpočtoch naďalej tak horlivo snaží zasvätiť svoj život tejto vede.
Na ospravedlnenie takéhoto „tvrdého“ testu lásky poviem, že som podobným testom prešiel aj ja. (Mimochodom, podľa legiend za starých čias bola aj obyčajná ľudská láska skúšaná činmi.) V mojich študentských rokoch bol mojím učiteľom teórie relativity známy odborník a veľmi skromný človek A. Zelmanov. . Pre moju diplomovú prácu mi dal úlohu spojenú s úžasnou vlastnosťou gravitačného poľa - schopnosťou „zničiť“ ho kdekoľvek chcete. „Ako? zvolá čitateľ. „Napokon, učebnice hovoria, že v zásade nie je možné chrániť sa pred gravitáciou žiadnymi obrazovkami, že látka „key-vorit“ vynájdená spisovateľom sci-fi G. Wellsom je čistá fikcia, v skutočnosti nemožná!“
To všetko je pravda a ak zostanete nehybný, napríklad vzhľadom na Zem, potom jej gravitačná sila nemôže byť zničená. Ale pôsobenie tejto sily sa dá úplne eliminovať tým, že začnete voľne padať! Potom nastupuje stav beztiaže. V kabíne kozmickej lode s vypnutými motormi, ktorá lieta na obežnej dráhe okolo Zeme, nie je žiadna gravitácia, veci a samotní astronauti sa vznášajú v kabíne bez toho, aby cítili gravitáciu. Všetci sme to neraz videli na televíznych obrazovkách v reportážach z obežnej dráhy. Všimnite si, že žiadne iné pole, okrem gravitačného poľa, neumožňuje také jednoduché „zničenie“. Týmto spôsobom sa napríklad nedá odstrániť elektromagnetické pole.
Vlastnosť „odstrániteľnosti“ gravitácie je spojená s najťažším problémom teórie - problémom energie gravitačného poľa. Tá sa podľa niektorých fyzikov dodnes nepodarilo vyriešiť. Vzorce teórie umožňujú vypočítať pre akúkoľvek hmotnosť celkovú energiu jej gravitačného poľa v celom priestore. Nie je však možné presne určiť, kde sa táto energia nachádza, koľko jej je na jednom alebo druhom mieste vo vesmíre. Ako hovoria fyzici, neexistuje žiadna koncepcia hustoty gravitačnej energie v bodoch vo vesmíre.
Vo svojej diplomovej práci som musel priamym výpočtom ukázať, že matematické výrazy známe v tom čase pre hustotu energie gravitačného poľa sú nezmyselné aj pre pozorovateľov, nie
zažiť voľný pád, povedzme, pre pozorovateľov, ktorí stoja na Zemi a jasne cítia silu, ktorou ich planéta priťahuje. Matematické výrazy, s ktorými som musel pracovať, boli ešte ťažkopádnejšie ako rovnice gravitačného poľa, o ktorých sme hovorili vyššie. Dokonca som poprosil A. Zelmanova, aby mi na pomoc dal niekoho iného, kto by paralelne robil tie isté výpočty, lebo sa môžem pomýliť. A. Zelmanov ma celkom rozhodne odmietol. „Musíš to urobiť sám,“ znela jeho odpoveď.
Keď sa všetko skončilo, videl som, že som touto rutinnou prácou strávil niekoľko stoviek hodín. Takmer všetky výpočty museli byť vykonané dvakrát a niektoré ďalšie. V deň promócie sa tempo práce rapídne zvýšilo, ako rýchlosť voľne padajúceho telesa v gravitačnom poli. Pravda, treba poznamenať, že podstata práce nespočívala len v priamych výpočtoch. Cestou bolo treba stále premýšľať a riešiť zásadné otázky.
Toto bola moja prvá publikácia o všeobecnej teórii relativity.
Ale späť k dielu K. Schwarzschilda. Pomocou elegantnej matematickej analýzy vyriešil úlohu guľového telesa a poslal ho A. Einsteinovi na prevoz na berlínsku akadémiu. Riešenie napadlo A. Einsteina, keďže on sám dovtedy získal len približné riešenie, platné len v slabom gravitačnom poli. Riešenie K. Schwarzschilda bolo presné, teda spravodlivé pre ľubovoľne silné gravitačné pole okolo guľovej hmoty; toto bola jeho dôležitosť. Ale ani A. Einstein, ani samotný K. Schwarzschild vtedy nevedeli, že toto riešenie obsahuje niečo oveľa viac. Neskôr sa ukázalo, že obsahuje popis čiernej diery.
A teraz pokračujme v rozprávaní o druhej kozmickej rýchlosti. Akú rýchlosť musí mať podľa Einsteinových rovníc raketa štartujúca z povrchu planéty, aby po prekonaní gravitačnej sily vyletela do vesmíru?
Odpoveď sa ukázala byť mimoriadne jednoduchá. Platí tu rovnaký vzorec ako v Newtonovej teórii. Záver P. Laplacea o nemožnosti úniku svetla z kompaktnej gravitujúcej hmoty teda potvrdila Einsteinova teória gravitácie, podľa ktorej by sa mala druhá priestorová rýchlosť rovnať rýchlosti svetla práve na gravitačnom polomere.
Guľa s polomerom rovným gravitačnému sa nazýva Schwarzschildova guľa.
Ak by bola rozložená sféricky symetricky, bola by nehybná (najmä by sa neotáčala, ale radiálne pohyby sú povolené) a ležala by celá vo vnútri tejto gule.
Gravitačný polomer je úmerný hmotnosti tela m a rovná sa , kde G- gravitačná konštanta, s je rýchlosť svetla vo vákuu. Tento výraz možno napísať ako , kde sa meria v metroch a - v kilogramoch. Pre astrofyziku je vhodné napísať km, kde je hmotnosť Slnka.
Vo veľkosti sa gravitačný polomer zhoduje s polomerom sféricky symetrického telesa, pre ktoré by sa v klasickej mechanike druhá kozmická rýchlosť na povrchu rovnala rýchlosti svetla. John Michell prvýkrát upozornil na dôležitosť tohto množstva vo svojom liste Henrymu Cavendishovi, ktorý publikoval v roku 1784. V rámci všeobecnej teórie relativity bol gravitačný polomer (v iných súradniciach) prvýkrát vypočítaný v roku 1916 Karlom Schwarzschildom (pozri Schwarzschildovu metriku).
Gravitačný polomer bežných astrofyzikálnych objektov je v porovnaní s ich skutočnou veľkosťou zanedbateľný: napríklad pre Zem = 0,884 cm, pre Slnko = 2,95 km. Výnimkou sú neutrónové hviezdy a hypotetické bosonické a kvarkové hviezdy. Napríklad pre typickú neutrónovú hviezdu je Schwarzschildov polomer približne 1/3 jej vlastného polomeru. To určuje dôležitosť účinkov všeobecnej teórie relativity pri štúdiu takýchto objektov.
Ak je teleso stlačené na veľkosť gravitačného polomeru, potom žiadne sily nedokážu zastaviť jeho ďalšie stláčanie pod vplyvom gravitačných síl. Takýto proces, nazývaný relativistický gravitačný kolaps, môže nastať u pomerne masívnych hviezd (ako ukazuje výpočet, s hmotnosťou viac ako dvoch alebo troch slnečných hmôt) na konci ich vývoja: ak po vyčerpaní jadrového „paliva“ hviezda nevybuchne a nestráca hmotnosť, potom, keď sa zmenší na veľkosť gravitačného polomeru, musí zažiť relativistický gravitačný kolaps. Počas gravitačného kolapsu nemôže spod sféry polomeru uniknúť žiadne žiarenie, žiadne častice. Z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa, ktorý sa nachádza ďaleko od hviezdy, keď sa veľkosť hviezdy blíži k správnemu času častíc hviezdy, rýchlosť jej prúdenia sa nekonečne spomaľuje. Preto sa pre takého pozorovateľa polomer kolabujúcej hviezdy približuje ku gravitačnému polomeru asymptoticky, pričom sa nikdy nezmenší.
Fyzické telo, ktoré zažilo gravitačný kolaps, ako telo, ktorého polomer je menší ako jeho gravitačný polomer, sa nazýva čierna diera. Polomer gule rg sa zhoduje s horizontom udalostí nerotujúcej čiernej diery. Pre rotujúcu čiernu dieru je horizont udalostí elipsoidný a gravitačný polomer poskytuje odhad jej veľkosti. Schwarzschildov polomer pre supermasívnu čiernu dieru v strede galaxie je asi 16 miliónov kilometrov. Schwarzschildov polomer gule rovnomerne vyplnenej hmotou s hustotou rovnou kritickej hustote sa zhoduje s polomerom pozorovateľného vesmíru [ nie v zdroji] .
Literatúra
- Mizner C., Thorne K., Wheeler J. Gravitácia. - M .: Mir, 1977. - T. 1-3.
- Shapiro S.L., Tjukolsky S.A.Čierne diery, bieli trpaslíci a neutrónové hviezdy / Per. z angličtiny. vyd. Áno, A. Smorodinsky. - M .: Mir, 1985. - T. 1-2. - 656 s.
pozri tiež
Odkazy
Nadácia Wikimedia. 2010.
Pozrite sa, čo je „Gravity Radius“ v iných slovníkoch:
Vo všeobecnej teórii relativity (pozri GRAVITA) má polomer gule, pre ktorú gravitačná sila vytvorená sférickou, nerotujúcou hmotou m, ležiacou úplne vo vnútri tejto gule, tendenciu k nekonečnu. G. p. (rg) sa určuje podľa telesnej hmotnosti: rg= 2Gm/c2 … Fyzická encyklopédia
V teórii gravitácie je polomer rgr gule, na ktorej gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m ležiacou vo vnútri tejto gule, má tendenciu k nekonečnu; rgr = 2mG/c2, kde G je gravitačná konštanta, c je rýchlosť svetla vo vákuu. Gravitačné polomery obyčajných ... ... Veľký encyklopedický slovník
V teórii gravitácie je polomer rgr gule, na ktorej gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m ležiacou vo vnútri tejto gule, má tendenciu k nekonečnu; rgr=2mG/c2, kde G je gravitačná konštanta, c je rýchlosť svetla vo vákuu. Gravitačné polomery obyčajných ... ... encyklopedický slovník
gravitačný polomer- gravitacinis spindulys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gravitačný rádius vok. Gravitačný polomer, m rus. gravitačný polomer, m pranc. umelý hodváb, m … Fizikos terminų žodynas
Vo všeobecnej teórii relativity (viď. Gravitácia) má polomer gule, na ktorú pôsobí gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m, ktorá leží celá vo vnútri tejto gule, sklon k nekonečnu. G. r. je určená telesnou hmotnosťou m a rovná sa rg = 2G m/c2, kde G… … Veľká sovietska encyklopédia
V teórii gravitácie polomer rgr gule, na ktorej gravitačná sila vytvorená hmotnosťou m ležiacou vo vnútri tejto gule smeruje k nekonečnu; rgr = 2mG/c2, kde G je gravitácia. konštantná, s rýchlosťou svetla vo vákuu. G. r. obyčajné nebeské telesá sú zanedbateľné ... ... Prírodná veda. encyklopedický slovník
Polomer gravitácie- (pozri Gravitácia) polomer, na ktorý sa môže nebeské teleso (zvyčajne hviezda) zmenšiť v dôsledku gravitačného kolapsu. Takže pre Slnko je to 1,48 km, pre Zem 0,443 cm ... Začiatky moderných prírodných vied
Kruhy Tento výraz má iné významy, pozri Polomer (zjednoznačnenie). Polomer (lat. ... Wikipedia
Gravitačný polomer (alebo Schwarzschildov polomer) vo Všeobecnej teórii relativity (GR) je charakteristický polomer definovaný pre akékoľvek fyzické telo s hmotnosťou: toto je polomer gule, na ktorej by bol horizont udalostí, ... ... Wikipedia
Vytvorená touto hmotou (z pohľadu všeobecnej relativity), ak by bola sféricky symetricky rozložená, bola by nehybná (najmä by sa neotáčala, ale radiálne pohyby sú prípustné) a ležala by celá vo vnútri tejto gule. Do vedeckého použitia ho zaviedol nemecký vedec Karl Schwarzschild v roku 1916.
Gravitačný polomer je úmerný hmotnosti tela M a rovná sa r g = 2 GM / c 2, (\displaystyle r_(g)=2GM/c^(2),) kde G- gravitačná konštanta, s je rýchlosť svetla vo vákuu. Tento výraz možno prepísať ako rg≈ 1,48 10 −25 cm ( M/ 1 kg). Pre astrofyzikov je vhodné písať r g ≈ 2 ,95 (M / M ⊙) (\displaystyle r_(g)\približne 2(,)95 (M/M_(\odot ))) km, kde M ⊙ (\displaystyle M_(\odot )) je hmotnosť slnka.
Gravitačný polomer bežných astrofyzikálnych objektov je zanedbateľný v porovnaní s ich skutočnou veľkosťou: napríklad pre Zem rg≈ 0,887 cm, pre Slnko rg≈ 2,95 km. Výnimkou sú neutrónové hviezdy a hypotetické bosonické a kvarkové hviezdy. Napríklad pre typickú neutrónovú hviezdu je Schwarzschildov polomer približne 1/3 jej vlastného polomeru. To určuje dôležitosť účinkov všeobecnej teórie relativity pri štúdiu takýchto objektov. Gravitačný polomer objektu s hmotnosťou pozorovateľného vesmíru by bol asi 10 miliárd svetelných rokov.
Pri dostatočne hmotných hviezdach (ako ukazuje výpočet, s hmotnosťou vyššou ako dve alebo tri hmotnosti Slnka) môže na konci ich vývoja nastať proces nazývaný relativistický gravitačný kolaps: ak po vyčerpaní jadrového „paliva“ hviezda nevybuchne a nestráca hmotnosť, potom sa po relativistickom gravitačnom kolapse môže zmenšiť na veľkosť gravitačného polomeru. Počas gravitačného kolapsu hviezdy do gule nemôže uniknúť žiadne žiarenie, žiadne častice. Z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa umiestneného ďaleko od hviezdy, keď sa veľkosť hviezdy približuje r g (\displaystyle r_(g)) správny čas častíc hviezdy spomaľuje rýchlosť jej prúdenia na neurčito. Preto sa pre takého pozorovateľa polomer kolabujúcej hviezdy približuje ku gravitačnému polomeru asymptoticky, pričom sa mu nikdy nerovná. Je však možné naznačiť okamih, od ktorého vonkajší pozorovateľ už hviezdu neuvidí a nebude môcť o nej zistiť žiadne informácie. Takže odteraz budú všetky informácie obsiahnuté v hviezde pre vonkajšieho pozorovateľa skutočne stratené.
Fyzické telo, ktoré zažilo gravitačný kolaps a dosiahlo gravitačný polomer, sa nazýva čierna diera. Polomer gule rg sa zhoduje s horizontom udalostí nerotujúcej čiernej diery. Pre rotujúcu čiernu dieru je horizont udalostí elipsoidný a gravitačný polomer poskytuje odhad jej veľkosti. Schwarzschildov polomer pre supermasívnu čiernu dieru v strede našej galaxie je asi 16 miliónov kilometrov.
Schwarzschildov polomer objektu so satelitmi možno v mnohých prípadoch merať s oveľa vyššou presnosťou ako hmotnosť tohto objektu. Tento trochu paradoxný fakt súvisí s tým, že pri prechode z meraného obdobia revolúcie satelitu T a hlavná poloos jeho obežnej dráhy a(tieto veličiny možno merať s veľmi vysokou presnosťou) k hmotnosti centrálneho telesa M je potrebné oddeliť gravitačný parameter objektu μ = GM= 4π 2 a 3 /T 2 na gravitačnú konštantu G, ktorá je známa oveľa horšou presnosťou (asi 1 zo 7 000 od roku 2018) ako presnosť väčšiny ostatných základných konštánt. Zároveň je Schwarzschildov polomer až do koeficientu 2/ s 2, gravitačný parameter objektu.
