Історія ідеї про чорні діри - Чорні діри

Англійська геофізик і астроном Джон Мічелл припустив, що в природі можуть існувати настільки масивні зірки, що навіть промінь світла не здатний покинути їх поверхню. Використовуючи закони Ньютона, Мічелл розрахував, що якби зірка з масою Сонця мала радіус не більше 3 км, то навіть частинки світла (які він, слідом за Ньютоном, вважав корпускулами) не могли б відлетіти далеко від такої зірки. Тому така зірка здавалася б здалеку абсолютно темною. Цю ідею Мічелл представив на засіданні Лондонського Королівського товариства 27 листопада 1783. Так народилася концепція "ньютонівської" чорної діри.

Таку ж ідею висловив в своїй книзі Система світу (1796) французький математик і астроном П'єр Симон Лаплас. Простий розрахунок дозволив йому написати: "світиться зірка з щільністю, рівною щільності Землі, і діаметром, в 250 разів більшим діаметра Сонця, не дає жодному світловому променю досягти нас із-за свого тяжіння; тому можливо, що найяскравіші небесні тіла у Всесвіті виявляються з цієї причини невидимими ". Проте маса такої зірки повинна була б у десятки мільйонів разів перевершувати сонячну. А оскільки подальші астрономічні вимірювання показали, що маси реальних зірок не дуже сильно відрізняються від сонячної, ідея Мітчела і Лапласа про чорні діри була забута.

Протягом XIX століття ідея тіл, невидимих внаслідок своєї масивності, не викликала великого інтересу у вчених. Це було пов'язано з тим, що в рамках класичної фізики швидкість світла не має фундаментального значення. Проте в кінці XIX - початку XX століття було встановлено, що сформульовані Дж. Максвелла закони електродинаміки, з одного боку, виконуються у всіх інерціальних системах відліку, а з іншого боку, не володіють інваріантністю щодо перетворень Галілея. Це означало, що склалися у фізиці уявлення про характер переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої потребують значного корегування.

У ході подальшої розробки електродинаміки Г. Лоренцем була запропонована нова система перетворень просторово-часових координат (відомих сьогодні як перетворення Лоренца), щодо яких рівняння Максвелла залишалися інваріантними. Розвиваючи ідеї Лоренца, А. Пуанкаре припустив, що всі інші фізичні закони також інваріантні щодо цих перетворень.

У 1905 році А. Ейнштейн використав концепції Лоренца і Пуанкаре у своїй спеціальної теорії відносності (СТО), в якій роль закону перетворення інерціальних систем відліку остаточно перейшла від перетворень Галілея до перетворень Лоренца. Класична (галілеївські-інваріантна) механіка була при цьому замінена на нову, Лоренц-інваріантну релятивістську механіку. У рамках останньої швидкість світла виявилася граничною швидкістю, яку може розвинути фізичне тіло, що радикально змінило значення чорних дір в теоретичній фізиці.

Однак ньютонівська теорія тяжіння (на якій базувалася первісна теорія чорних дір) не є Лоренц-інваріантної. Тому вона не може бути застосована до тіл, що рухаються з околосветовой і світловими швидкостями. Позбавлена цього недоліку релятивістська теорія тяжіння була створена, в основному, Ейнштейном (сформулював її остаточно до кінця 1915 року) і отримала назву загальної теорії відносності (ЗТВ).

Вдруге вчені "зіткнулися" з чорними дірами в 1916, коли німецький астроном Карл Шварцшильд отримав перше точне рішення рівнянь ЗТВ. Виявилося, що порожній простір навколо масивної крапки володіє особливістю на відстані r g від неї; саме тому величину r g часто називають "шварцшільдовскім радіусом", а відповідну поверхню (горизонт подій) - шварцшільдовской поверхнею. У наступні півстоліття зусиллями теоретиків були з'ясовані багато дивні особливості рішення Шварцшильда, але як реальний об'єкт дослідження чорні діри ще не розглядалися.

Правда, в 1930-і, після створення квантової механіки і відкриття нейтрона, фізики досліджували можливість формування компактних об'єктів (білих карликів і нейтронних зірок) як продуктів еволюції нормальних зірок. Оцінки показали, що після виснаження в надрах зірки ядерного палива, її ядро ??може стиснутися перетворитися на маленький і дуже щільний білий карлик або ж у ще більш щільну і зовсім крихітну нейтронну зірку.

У 1934 працювали в США європейські астрономи Фріц Цвіккі і Вальтер Бааде висунули гіпотезу - спалахи наднових представляють собою абсолютно особливий тип зоряних вибухів, викликаних катастрофічним стисненням ядра зірки. Так вперше народилася ідея про можливість спостерігати колапс зірки. Бааде і Цвіккі висловили припущення, що в результаті вибуху наднової утворюється надщільна вироджена зірка, що складається з нейтронів. Розрахунки показали, що такі об'єкти дійсно можуть народжуватися і бути стійкими, але лише при помірній початковій масі зірки. Але якщо маса зірки перевищує три маси Сонця, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу.

У 1939 американські фізики Роберт Оппенгеймер і Хартланд Снайдер обгрунтували висновок, що ядро масивної зірки має безупинно коллапсировать в гранично малий об'єкт, властивості простору навколо якого (якщо він не обертається) описуються рішенням Шварцшильда. Іншими словами, ядро масивної зірки в кінці її еволюції має стрімко скорочуватися і йти під горизонт подій, стаючи чорною дірою. Але оскільки такий об'єкт (як казали тоді, "колапсар", або "застигла зірка") не випромінює електромагнітні хвилі, то астрономи розуміли, що виявити його в космосі буде неймовірно важко і тому довго не приступали до пошуку.

Оскільки ніякої носій інформації не здатний вийти з-під горизонту подій, внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту, що відбуваються всередині чорної діри фізичні процеси не можуть впливати на процеси поза нею. У той же час, речовина і випромінювання, падаючі зовні на чорну дірку, вільно проникають всередину через горизонт. Можна сказати, що чорна дірка все поглинає і нічого не випускає. З цієї причини і народився термін "чорна діра", запропонований в 1967 американським фізиком Джоном Арчібальдом Вілером.

Похожие статьи




Історія ідеї про чорні діри - Чорні діри

Предыдущая | Следующая