Teorie slunečních černých děr. Černé díry ve vesmíru: zajímavá fakta a fotografie

Doktor filozofie (ve fyzice) K. ZLOSCHASTYEV, Katedra gravitace a teorie pole, Ústav jaderného výzkumu, Národní autonomní univerzita v Mexiku.

O singularitě, informaci, entropii, kosmologii a multidimenzionální sjednocené teorii interakcí ve světle moderní teorie černých děr

Věda a život // Ilustrace

Nemocný. 1. V blízkosti kolabující hvězdy je trajektorie světelného paprsku ohnuta jejím gravitačním polem.

Černé díry vyfotografované Hubbleovým vesmírným dalekohledem v centrech šesti galaxií. Přitahují okolní hmotu, která tvoří spirální ramena a padá do černé díry a navždy mizí za horizontem událostí.

Nemocný. 2. Světelný kužel.

V dnešní době je těžké najít člověka, který by o černých dírách neslyšel. Přitom je možná neméně těžké najít někoho, kdo by dokázal vysvětlit, o co jde. Pro specialisty však černé díry již přestaly být sci-fi - astronomická pozorování již dávno prokázala existenci obou „malých“ černých děr (s hmotností řádu Slunce), které vznikly v důsledku gravitační komprese hvězd, a supermasivních (až 10 9 hmotností Slunce), které vznikly kolapsem celých hvězdokup v centrech mnoha galaxií, včetně té naší. V současné době se hledají mikroskopické černé díry v proudech kosmického záření o ultravysoké energii (International Laboratory Pierre Auger, Argentina) a dokonce se navrhuje „zařídit jejich výrobu“ na Velkém hadronovém urychlovači (LHC), který je plánované spuštění v roce 2007 v CERN. Avšak skutečná role černých děr, jejich „účel“ pro vesmír, leží daleko za hranicemi astronomie a částicové fyziky. Badatelé ve své studii udělali velký pokrok ve vědeckém chápání dříve čistě filozofických otázek – co je to prostor a čas, zda existují limity pro poznání Přírody, jaká je souvislost mezi hmotou a informací. Pokusíme se pokrýt vše nejdůležitější na toto téma.

1. Mitchell-Laplaceovy temné hvězdy

Termín „černá díra“ navrhl J. Wheeler v roce 1967, ale první předpovědi o existenci těles tak masivních, že jim neunikne ani světlo, pocházejí z 18. století a patří J. Mitchellovi a P. Laplaceovi. Jejich výpočty byly založeny na Newtonově teorii gravitace a korpuskulární povaze světla. V moderní verzi tento problém vypadá takto: jaký by měl být poloměr R s a hmotnost M hvězdy, aby její druhá kosmická rychlost (minimální rychlost, kterou je třeba udělit tělesu na povrchu hvězdy, aby opustí sféru svého gravitačního působení) je rovna rychlosti světla c? Aplikací zákona zachování energie získáme množství

Rs = 2GM/c2, (1)

který je známý jako Schwarzschildův poloměr nebo poloměr kulové černé díry (G je gravitační konstanta). Navzdory tomu, že Newtonova teorie je zjevně neaplikovatelná na skutečné černé díry, samotný vzorec (1) je správný, což potvrdil německý astronom K. Schwarzschild v rámci Einsteinovy ​​obecné teorie relativity (GTR), vytvořené v roce 1915! V této teorii vzorec určuje, na jakou velikost musí být těleso stlačeno, aby vytvořilo černou díru. Pokud je pro těleso o poloměru R a hmotnosti M splněna nerovnost R/M > 2G/c 2, pak je těleso gravitačně stabilní, jinak se zhroutí (zhroutí) do černé díry.

2. Černé díry od Einsteina po Hawkinga

Skutečně konzistentní a konzistentní teorie černých děr neboli kolapsů je nemožná bez zohlednění zakřivení časoprostoru. Proto není divu, že se přirozeně objevují jako parciální řešení obecných rovnic relativity. Černá díra je podle nich objekt, který ohýbá časoprostor ve svém okolí natolik, že z jeho povrchu ani zevnitř nemůže být přenášen žádný signál ani světelným paprskem. Jinými slovy, povrch černé díry slouží jako hranice časoprostoru přístupná pro naše pozorování. Až do počátku 70. let to bylo tvrzení, ke kterému nebylo možné nic podstatného dodat: černé díry se zdály být „věcí sama o sobě“ – záhadnými objekty Vesmíru, jejichž vnitřní struktura je z principu nepochopitelná.

Entropie černých děr. V roce 1972 J. Bekenstein vyslovil hypotézu, že černá díra má entropii úměrnou jejímu povrchu A (pro kulovou díru A = 4pR s 2):

S BH = CA/4, (2)

kde C=kc 3 /Gћ je kombinace základních konstant (k je Boltzmannova konstanta a ћ je Planckova konstanta). Mimochodem, teoretici raději pracují v Planckově systému jednotek, v tomto případě C = 1. Bekenstein navíc navrhl, že pro součet entropií černé díry a obyčejné hmoty platí S tot = S hmota + S černá díra. , zobecněný druhý termodynamický zákon platí:

D S tot є (S tot) konečné - (S tot) počáteční? 0, (3)

to znamená, že celková entropie systému nemůže klesnout. Poslední vzorec je také užitečný, protože z něj lze odvodit omezení entropie běžné hmoty. Uvažujme tzv. Susskindův proces: existuje sféricky symetrické těleso „podkritické“ hmotnosti, tedy takové, které ještě splňuje podmínku gravitační stability, ale stačí přidat trochu energie-hmotnosti DE, aby těleso se zhroutí do černé díry. Těleso je obklopeno kulovitým obalem (jehož celková energie se rovná DE), který dopadá na těleso. Entropie systému před pádem pláště:

(S tot) počáteční = S látka + S shell,

(S tot) konečný = S BH = A/4.

Z (3) a nezápornosti entropie dostáváme slavnou horní mez entropie hmoty:

S látka? A/4. (4)

Vzorce (2) a (3) daly navzdory své jednoduchosti vzniknout záhadě, která měla obrovský dopad na rozvoj základní vědy. Ze standardního kurzu statistické fyziky je známo, že entropie systému není primárním pojmem, ale funkcí stupňů volnosti mikroskopických složek systému – např. entropie plynu je definována jako logaritmus počtu možných mikrostavů jeho molekul. Má-li tedy černá díra entropii, musí mít vnitřní strukturu! Teprve v posledních letech došlo k opravdu velkému pokroku v pochopení této struktury a tehdy byly Bekensteinovy ​​myšlenky obecně přijímány fyziky skepticky. Stephen Hawking se podle vlastního přiznání rozhodl vyvrátit Bekensteina svou vlastní zbraní – termodynamikou.

Hawkingovo záření. Protože (2) a (3) jsou obdařeny fyzikálním významem, první termodynamický zákon nařizuje, že černá díra musí mít teplotu T. Ale promiňte, jakou by mohla mít teplotu?! Ve skutečnosti by v tomto případě měla díra vyzařovat, což je v rozporu s její hlavní vlastností! Ve skutečnosti klasická černá díra nemůže mít teplotu odlišnou od absolutní nuly. Pokud však předpokládáme, že se mikrostavy černé díry řídí zákony kvantové mechaniky, což je, obecně řečeno, prakticky zřejmé, pak lze rozpor snadno odstranit. Podle kvantové mechaniky, přesněji jejího zobecnění – kvantové teorie pole, může dojít k samovolnému zrodu částic z vakua. V nepřítomnosti vnějších polí se takto vytvořený pár částice-antičástice anihiluje zpět do stavu vakua. Pokud je však poblíž černá díra, její pole přitáhne nejbližší částici. Pak se podle zákona zachování hybnosti energie další částice dostane do větší vzdálenosti od černé díry a vezme si s sebou „věno“ - část energetické hmoty kolapsaru (někdy říkají, že „černá díra strávila část energie na zrození páru,“ což není úplně správné, protože nepřežije celý pár, ale pouze jedna částice).

Ať je to jakkoli, vzdálený pozorovatel ve výsledku zaznamená proud všech druhů částic vyzařovaných černou dírou, která svou hmotu utratí na zrození párů, dokud se úplně nevypaří a změní se v oblak záření. Teplota černé díry je nepřímo úměrná její hmotnosti, takže ty masivnější se vypařují pomaleji, protože jejich životnost je úměrná třetí mocnině hmoty (ve čtyřrozměrném časoprostoru). Například životnost černé díry s hmotností M řádu slunečního překračuje věk vesmíru, zatímco mikrodíra s M = 1 teraelektronvolt (10 12 eV, přibližně 2 . 10 -30 kg) žije asi 10 -27 sekund.

3. Černé díry a singularity

Ve sci-fi literatuře a filmech je černá díra obvykle prezentována jako jakýsi vesmírný Gargantua, nemilosrdně požírající proplouvající lodě s odvážnými blondýnami a dokonce i celé planety. Bohužel, kdyby autoři sci-fi věděli o moderní fyzice trochu víc, nebyli by k černým dírám tak nespravedliví. Faktem je, že kolapsaři ve skutečnosti chrání vesmír před mnohem impozantnějšími monstry...

Singularita je bod v prostoru, ve kterém jeho zakřivení inklinuje k nekonečnu bez omezení - časoprostor se v tomto bodě jakoby zlomí. Moderní teorie hovoří o existenci singularit jako o nevyhnutelném faktu – z matematického hlediska jsou řešení rovnic popisujících singularity stejně rovná jako všechna ostatní řešení, která popisují známější objekty Vesmíru, které pozorujeme.

Je zde však velmi vážný problém. Faktem je, že k popisu fyzikálních jevů je nutné mít nejen příslušné rovnice, ale také nastavit okrajové a počáteční podmínky. V singulárních bodech tedy nelze principiálně nastavit stejné podmínky, což znemožňuje prediktivní popis následné dynamiky. Nyní si představme, že v rané fázi existence Vesmíru (když byl docela malý a hustý) se vytvořilo mnoho singularit. Pak v oblastech, které jsou uvnitř světelných kuželů těchto singularit (jinými slovy na nich kauzálně závislých), není možný žádný deterministický popis. Máme absolutní a nestrukturovaný chaos, bez náznaku jakékoli kauzality. Dále se tyto oblasti chaosu v průběhu času rozšiřují, jak se vesmír vyvíjí. V důsledku toho by nyní byla naprostá většina vesmíru zcela stochastická (náhodná) a o žádných „přírodních zákonech“ by se nemluvilo. Nemluvě o blondýnách, planetách a dalších heterogenitách jako ty a já.

Situaci naštěstí zachraňují naši nenasytní žrouti. Matematická struktura rovnic fundamentální teorie a jejich řešení naznačuje, že v reálných situacích by se prostorové singularity neměly objevovat samy o sobě, ale výhradně uvnitř černých děr. Jak si nevzpomenout na mytologické titány, kteří se pokusili vládnout Chaosu na Zemi, ale byli svrženi Zeusem a spol. do Tartaru a bezpečně tam navždy uvězněni...

Tímto způsobem černé díry oddělují singularity od zbytku vesmíru a brání jim v ovlivňování jeho vztahů příčiny a následku. Tento princip zákazu existence „nahých“ singularit, tedy neobklopených horizontem událostí, navržený R. Penrosem v roce 1969, byl nazýván hypotézou kosmické cenzury. Jak už to u základních principů bývá, nebylo to plně prokázáno, ale zatím nebylo zaznamenáno žádné zásadní porušení – Kosmický cenzor zatím neplánuje odejít do důchodu.

4. „Informační intenzita“ hmoty a teorie velkého sjednocení

Místní kvantová teorie se ukázala jako vynikající v popisu všech známých elementárních interakcí, kromě gravitačních. K tomuto typu tedy patří i fundamentální kvantová teorie, která bere v úvahu obecnou relativitu? Přijmeme-li tuto hypotézu, není těžké prokázat, že maximální množství informace S, které lze uložit do kusu hmoty o objemu V, se rovná V, měřeno v Planckových jednotkách objemu V P ~10 -99 cm 3 nahoru na faktor závislý na konkrétní teorii:

S substance ~ V. (5)

Tento vzorec je však v rozporu s (4), protože v Planckových jednotkách je A mnohem menší než V pro známé fyzikální systémy (poměr A/V je asi 10 -20 pro proton a 10 -41 pro Zemi). Který ze vzorců je tedy správný: (4), založený na obecné relativitě a vlastnostech černých děr v semiklasické aproximaci, nebo (5), založený na extrapolaci běžné kvantové teorie pole na Planckovy stupnice? V současnosti existují velmi silné argumenty ve prospěch skutečnosti, že „mrtvý“ je spíše vzorec (5) než (4).

To zase může znamenat, že skutečně fundamentální teorie hmoty není jen další modifikace kvantové teorie pole formulovaná „v objemu“, ale určitá teorie „žijící“ na určitém povrchu, který tento objem omezuje. Hypotéza se nazývá holografický princip, analogicky s optickým hologramem, který, protože je plochý, přesto poskytuje trojrozměrný obraz. Princip okamžitě vzbudil velký zájem, protože teorie „na povrchu“ je něco zásadně nového, navíc slibujícího zjednodušení matematického popisu: díky zmenšení prostorového rozměru o jednu mají povrchy méně geometrických stupňů volnosti. Holografická hypotéza ještě není plně prokázána, ale již existují dvě obecně přijímaná potvrzení – kovariantní omezení entropie hmoty a korespondence AdS/CFT.

První uvádí recept na výpočet statistické entropie (4) pro obecný případ hmotného tělesa, jako určité veličiny vypočítané na světlých plochách světa kolmých k povrchu tělesa (nech mi nezkušený čtenář tuto frázi prominout) . Obecná myšlenka je následující. Co je třeba brát jako míru entropie v zakřiveném časoprostoru, tedy jak ji správně vypočítat? Například v případě rozdělování koule do krabic (viz „Podrobnosti pro zvědavce“) je mírou entropie ve skutečnosti počet krabic, v případě běžného plynu jeho objem dělený průměrným objemem molekula. Ale ve čtyřrozměrném časoprostoru není objem čehokoli absolutní hodnotou (pamatujete na Lorentzovu kontrakci délek?). Chápete, pojem „krabice“ poněkud přesahuje rámec základních pojmů základní vědy. Obecně je nutné definovat míru entropie prostřednictvím elementárních pojmů diferenciální geometrie, které jsou kovariantní, to znamená, jejichž hodnoty se přesně definovaným způsobem mění v závislosti na poloze pozorovatele.

Nechť N je světlu podobná hyperplocha (zobecněný světelný kužel) nějaké množiny prostorových bodů S. Zhruba řečeno, N je množina fotografií S pořízených v nekonečně malých časových intervalech. Vezměme dva prostorové řezy N, pořízené v různých okamžicích (dvě „fotografie“), říkejme jim S 1 a S 2. Pak princip kovariančního omezení entropie hmoty umístěné v S říká, že tok entropie hyperpovrchem N mezi řezy S 1 a S 2 je menší než modul rozdílu jejich ploch dělený čtyřmi (až do rozměrového koeficientu rovná 1 v Planckově soustavě jednotek) nebo se jí rovná. Je snadné vidět, že se v podstatě jedná o stejný vzorec (4), jen správněji formulovaný z hlediska geometrie.

Druhým je tzv. korespondence mezi anti-de Sitterovým prostorem (adS) a konformní teorií pole (CFT) – implementace holografie pro určitý speciální případ prostorů konstantní negativní křivosti, úzce související s teorií strun. Korespondence uvádí, že konformní teorie pole definovaná na hranici anti-de Sitterova časoprostoru (tj. v prostoru s dimenzí o jednu menší, než je samotná dimenze adS) je ekvivalentní kvantové gravitaci v samotném anti-de Sitterově prostoru. Ve skutečnosti se jedná o prokázanou shodu mezi vysokoenergetickými kvantovými stavy v CFT a kvantovými poruchami gravitačního pole v časoprostoru s konstantním negativním zakřivením. Nezapomeňte, že teorie strun je jedním ze speciálních případů dvourozměrné konformní teorie pole, takže vznikají dalekosáhlé aplikace. Na první pohled není korespondence AdS/CFT z hlediska fyziky zajímavá: pokud předpokládáme, že globálně je náš Vesmír čtyřrozměrným anti-de Sitterovým prostorem (adS 4), pak se v naprostém nesouhlasu nemůže rozpínat s astronomickými pozorováními sahajícími až do HST. Existuje však naděje, že samotná shoda s AdS/CFT může stále najít fyzické uplatnění. Pokud předpokládáme, že náš čtyřrozměrný Vesmír (ne nutně anti-De Sitterova typu) je zasazen řekněme do pětirozměrného prostoru negativního zakřivení (AdS 5), získáme takzvané kosmologické modely „ brane-světy“. Pak zabijeme dvě mouchy jednou ranou: (a) prostor je vícerozměrný, jak předpovídá teorie strun, (b) funguje korespondence AdS/CFT, to znamená, že s jeho pomocí můžete něco vypočítat. To druhé znamená, že některé vlastnosti Vesmíru (experimentálně ověřitelné) lze předvídat přímými výpočty a body (a) a (b) lze experimentálně potvrdit nebo vyvrátit.

5. Černé díry a mez dělitelnosti hmoty

Na úsvitu minulého století zrodil vůdce světového proletariátu, pravděpodobně pod dojmem objevů Rutherforda a Millikana, slavné „elektron je nevyčerpatelný jako atom“. Tento slogan visel v učebnách fyziky téměř všech škol Unie. Iljičův slogan je bohužel stejně nesprávný jako některé jeho politicko-ekonomické názory. „Nevyčerpatelnost“ totiž znamená přítomnost nekonečného množství informací v libovolném libovolně malém objemu látky V. Maximální informace, kterou může V obsahovat, je však podle (4) shora omezena.

Jak by se měla existence této hranice „informační kapacity“ projevit na fyzické úrovni? Začneme trochu zpovzdálí. Co jsou moderní urychlovače, tedy urychlovače částic? V podstatě se jedná o velmi velké mikroskopy, jejichž úkolem je zvýšit rozlišení podél Dx délek. Jak můžete zlepšit rozlišení? Z Heisenbergova vztahu neurčitosti DxDp = const vyplývá, že pokud chcete snížit Dx, musíte zvýšit hybnost p a v důsledku toho i energii E částic. A představme si, že někdo má k dispozici srážeč neomezené síly. Bude schopen donekonečna získávat informace objevováním stále nových a nových částic?

Bohužel ne: neustálé zvyšování energie srážejících se částic to dříve nebo později dosáhne stadia, kdy se vzdálenost mezi některými z nich v oblasti srážky stane srovnatelnou s odpovídajícím Schwarzschildovým poloměrem, což okamžitě povede ke zrození černé díry. . Od této chvíle jím bude pohlcena veškerá energie a ať výkon zvýšíte jakkoli, nebudete již přijímat nové informace. Samotná černá díra se začne intenzivně vypařovat a vracet energii do okolního prostoru ve formě proudů subatomárních částic. Zákony černých děr ve spojení se zákony kvantové mechaniky tedy nevyhnutelně znamenají existenci experimentálního limitu fragmentace hmoty.

V tomto smyslu bude dosažení prahu „černé díry“ u budoucích urychlovačů nevyhnutelně znamenat konec staré dobré částicové fyziky – alespoň v té podobě, jak je chápána nyní (tedy jako průběžné doplňování muzea elementárních částic nové exponáty). Místo toho se ale otevřou nové perspektivy. Akcelerátory nám poslouží jako nástroj pro studium kvantové gravitace a „geografie“ dalších dimenzí Vesmíru (proti jejichž existenci dosud nebyly předloženy žádné přesvědčivé argumenty).

6. Továrny na černé díry na Zemi?

Zjistili jsme tedy, že urychlovače částic jsou v principu schopné produkovat mikroskopické černé díry. Otázka: jakou energii by měli vyvinout, aby dostali alespoň jednu takovou událost za měsíc? Až donedávna se věřilo, že tato energie je extrémně vysoká, řádově 10 16 teraelektronvoltů (pro srovnání, LHC nemůže produkovat více než 15 TeV). Pokud se ale ukáže, že na malých měřítcích (méně než 1 mm) má náš časoprostor více než čtyři rozměry, práh potřebné energie výrazně klesá a lze jej dosáhnout již na LHC. Důvodem je posílení gravitační interakce, kdy do hry vstupují domnělé dodatečné prostorové dimenze nepozorované za normálních podmínek. Pokud je tedy obvyklá gravitační síla mezi masivními tělesy ve čtyřrozměrném časoprostoru nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi, pak se za přítomnosti n dalších kompaktních rozměrů modifikuje na Fgrav ~ 1/r ( 2 + n) pro r? r n, kde r n je maximální velikost těchto rozměrů. Potom s poklesem r F gravitace roste mnohem rychleji než podle zákona o inverzní kvadrátě a již ve vzdálenostech řádově 10 (-17 + 32/n) centimetrů kompenzuje sílu elektrostatického odpuzování. Ale právě to bylo důvodem vysoké prahové energie: k překonání Coulombových sil a přiblížení srážejících se částic na požadovanou vzdálenost r = R s bylo nutné udělit částicím paprsku větší kinetickou energii. V případě existence dalších dimenzí ušetří zrychlený růst F grav značnou část potřebné energie.

Vše výše uvedené v žádném případě neznamená, že v zařízeních LHC budou získány minijamky - to se stane pouze podle nejpříznivější verze teorie, kterou si příroda „vybere“. Mimochodem, neměli byste přehánět jejich nebezpečí, pokud jsou přijati - podle zákonů fyziky se rychle vypaří. Jinak by sluneční soustava dávno zanikla: po miliardy let jsou planety bombardovány kosmickými částicemi s energiemi o mnoho řádů vyššími, než jaké dosahují pozemské urychlovače.

7. Černé díry a kosmologická stavba vesmíru

Teorie strun a nejdynamičtější modely vesmíru předpovídají existenci zvláštního typu fundamentální interakce – globálního skalárního pole (GSF). V měřítku planety a sluneční soustavy jsou jeho účinky extrémně malé a obtížně zjistitelné, ale v kosmologickém měřítku se vliv GSP nezměrně zvyšuje, protože jeho specifický podíl na průměrné hustotě energie ve vesmíru může přesáhnout 72 procent. ! Například určuje, zda se náš vesmír bude navždy rozpínat, nebo se nakonec do určitého bodu zmenší. Globální skalární pole je jedním z nejpravděpodobnějších kandidátů na roli „temné energie“, o které se v poslední době tolik píše.

Černé díry se v této souvislosti objevují velmi nečekaným způsobem. Lze ukázat, že nutnost jejich koexistence s globálním skalárním polem ukládá vzájemná omezení vlastností černých děr. Zejména přítomnost černých děr omezuje horní mez efektivní kosmologické konstanty (parametr GSP zodpovědný za expanzi vesmíru), zatímco GSP omezuje spodní mez jejich hmotností (a tedy entropie a inverzní teplota T -1) na určitou kladnou hodnotu. Jinými slovy, černé díry, které jsou „lokální“ a podle měřítek Vesmíru drobné objekty, nicméně už samotnou skutečností své existence ovlivňují jeho dynamiku a další globální charakteristiky nepřímo, prostřednictvím globálního skalárního pole.

Epilog

Einstein kdysi řekl, že lidská mysl, jednou „rozšířená“ geniálním nápadem, se už nikdy nemůže zmenšit do původního stavu. Bude to znít trochu paradoxně, ale studium extrémně stlačeného stavu hmoty bylo, je a ještě dlouho bude jednou z hlavních cest a podnětů pro rozšiřování hranic lidské inteligence a poznání základních zákonitostí vesmíru. .

PODROBNOSTI PRO ZVEDAVÉ

Pojem entropie

Podle jedné legendy, když byl Claude Shannon, gigant myšlení a otec teorie informace, trýzněn otázkou, jak nazvat nově vynalezený koncept, požádal o radu jiného obra Johna von Neumanna. Odpověď zněla: „Říkejte tomu entropie – pak získáte v diskusích solidní výhodu – protože nikdo v zásadě neví, co to entropie je.“ Tak se zrodil koncept „Shannonovy entropie“, nyní široce používaný v teorii informace.

Inu, míra nevědomosti se může lišit – od naprosté neznalosti až po hluboké pochopení složitosti problému. Zkusme trochu zlepšit naši míru neznalosti entropie.

Statistická entropie, kterou zavedl Ludwig Boltzmann v roce 1877, je, zhruba řečeno, mírou počtu možných stavů systému. Předpokládejme, že máme dva systémy skládající se z krabic a jedné koule v každé z nich. První systém box-plus-ball má pouze 1 box, druhý má 100 boxů. Otázka - ve které krabici se v jednotlivých systémech nachází míček? Je jasné, že v prvním systému může být pouze v jedné krabici. Pamatujete si vzorec „Entropie je logaritmus počtu možných stavů“? Pak je entropie prvního systému rovna log1, tedy nule, což odráží fakt naprosté jistoty (mimochodem, to je jeden z důvodů, proč byl v definici entropie použit logaritmus). Pokud jde o druhý systém, zde máme nejistotu: míč může být v kterékoli ze 100 krabic. V tomto případě je entropie rovna log100, tedy ne nule. Je jasné, že čím více krabic je v systému, tím větší je jeho entropie. Proto často mluví o entropii jako o míře nejistoty, protože naše šance „upevnit“ kouli v konkrétní krabici se snižují se zvyšujícím se počtem.

Upozorňujeme, že v této otázce nás nezajímají fyzikální vlastnosti krabic ani koule (barva, tvar, hmotnost atd.), to znamená, že entropie je koncept relačního typu *, ve své podstatě univerzální a někdy ( ale ne vždy) obdařený konkrétním fyzickým významem. Mohli bychom nahradit koule elektrony a krabice prázdnými místy v pevném tělese (nebo dokonce některých abstraktních kategoriích, jako je teorie informace), a koncept entropie by byl stále použitelný a užitečný.

Termodynamická entropie, navržená v roce 1865 Rudolfem Clausiem a jak víme ze školy, dána vzorcem dS = dQ/T, kde dQ je dodávka tepla prvku hmoty, T je teplota, při které se nachází, je speciální případ statistické entropie, platný např. pro tepelné motory. Dříve se mělo za to, že termodynamickou entropii nelze aplikovat na černé díry, ale Bekenstein a Hawking ukázali, že tomu tak není, když správně definovali koncepty T a S (viz kapitola 2).

"Paradox" černých děr

Na internetu jsem našel zajímavé tvrzení. Její autor Andrei upozornil na několik paradoxních, podle jeho názoru, aspektů fyziky černých děr: „Ve všech knihách o černých dírách […] se říká, že čas, kdy někdo (něco) spadne do černé díry, je nekonečný. ve vztažné soustavě, spojené se vzdáleným pozorovatelem. A doba vypařování černé díry ve stejné vztažné soustavě je konečná, to znamená, že ten, kdo tam spadne, to nestihne, protože černá díra už bude […] Pokud tělesa spadnou do černé díry na nekonečnou dobu, pak těleso blízké černé díře bude také na nekonečnou dobu stlačeno do černé díry, tedy všechny černé díry [… ] se nacházejí pouze v budoucnosti vzhledem ke vzdálenému pozorovateli a jejich zhroucení (komprese) bude dokončeno až po uplynutí nekonečného času […] Z tohoto tvrzení vyplývá, že nejde o žádný informační paradox – informace prostě budou ztraceno po nekonečně dlouhé době, ale to by nás nemělo znepokojovat, protože to v zásadě nelze očekávat...“

Výborně ilustruje hlavní dilema populárně-naučné literatury – ve snaze zjednodušit prezentaci jsou autoři knih nuceni obětovat míru matematické přísnosti. Proto je věta, na které Andrej zakládá své závěry, „čas, kdy někdo (něco) spadne do černé díry, nekonečná v rámci referenčního rámce spojeného se vzdáleným pozorovatelem“, je obecně řečeno nesprávná.

Ve skutečnosti fyzikálně správná formulace vypadá takto: „doba pádu někoho (něčeho) do statické černé díry je nekonečná v referenčním rámci spojeném se vzdáleným statickým pozorovatelem. Jinými slovy, jeho použitelnost je omezena na idealizovaný případ, kdy jsou charakteristiky otvoru konstantní v průběhu času (to znamená, rozhodně ne, když roste nebo se vypařuje), a jakékoli padající těleso se považuje za testovací těleso, dostatečně malé na to, aby zanedbat změny v otvoru způsobené jeho pádem.

Ve stejných fyzikálních situacích, o kterých mluví Andrei, nelze jak samotnou díru, tak časoprostor v její blízkosti považovat za statické. V důsledku toho statičtí (vzhledem k díře) pozorovatelé jako takoví prostě neexistují. Všichni pozorovatelé se pohybují a všichni mají stejná práva a „čas pádu někoho (něčeho) do černé díry“, měřený jejich hodinkami, je buď konečný v jejich referenčních soustavách, nebo není definován (např. pozorovatel je mimo světelný kužel otvoru dopadajícího těla).

Toto je stručná odpověď. K pochopení takových věcí na hlubší úrovni potřebujete seriózní matematický aparát (popsaný například v knize Hawkinga a Ellise): Carter-Penroseovy diagramy, konformní zobrazení, topologie variet a mnoho dalšího.

Jednotkové systémy

V systémech jednotek fyzikálních měření jsou některé jednotky brány jako základní a všechny ostatní se z nich stávají odvozenými. Například v SI jsou základní jednotky mechaniky metr, kilogram a sekunda. Jednotka síly, newton, má rozměr kg . m/s 2, - derivace z nich. Velikost základních jednotek se volí libovolně; jejich volba určuje velikost koeficientů v rovnicích.

V mnoha oblastech fyziky je výhodnější používat tzv. přirozené soustavy jednotek. V nich jsou za základní jednotky brány fundamentální konstanty - rychlost světla ve vakuu c, gravitační konstanta G, Planckova konstanta ћ, Boltzmannova konstanta k a další.

V přirozeném systému Planckových jednotek je zvykem uvažovat c = ћ = G = k = 1. Systém je pojmenován po německém fyzikovi Maxi Planckovi, který jej v roce 1899 navrhl. Používá se v kosmologii a je zvláště užitečný pro popis procesů, ve kterých jsou současně pozorovány kvantové i gravitační efekty, například v teorii černých děr a teorii raného vesmíru.

Světelný kužel

Když se těleso pohybuje v prostoru z bodu se souřadnicemi (x = 0, y = 0) konstantní rychlostí v, vypadá graf jeho souřadnic v závislosti na čase (světočára) jako přímka definovaná rovnicí x = vt. Protože rychlost tělesa nemůže být větší než rychlost světla, není tato přímka umístěna výše než přímka x = ct (budoucnost) a ne níže než přímka x = _ ct (minulost). Když se těleso pohybuje v rovině (x, y) rychlostí v, jeho světočára se zapíše jako x 2 + y 2 = (vt) 2, a to je rovnice kužele. Proto se říká, že tělo se nachází ve světelném kuželu, neboli světlu podobné hyperpovrchu. * Mimochodem, to je důvod, proč otázka "Tak kde je entropie - v kouli nebo v krabicích?" bezvýznamný.

Předpovídá, že v černé díře je singularita, místo, kde jsou slapové síly nekonečně velké, a jakmile překročíte horizont událostí, nemůžete jít jinam než do singularity. V souladu s tím je lepší na těchto místech nepoužívat obecnou relativitu - prostě to nefunguje. Abychom mohli říct, co se děje uvnitř černé díry, potřebujeme teorii kvantové gravitace. Obecně se uznává, že tato teorie nahradí singularitu něčím jiným.

Jak se tvoří černé díry?

V současné době známe čtyři různé způsoby vzniku černých děr. Nejlépe pochopený je spojen s hvězdným kolapsem. Dostatečně velká hvězda vytvoří černou díru poté, co se její jaderná fúze zastaví, protože vše, co již mohlo být sloučeno, se sloučilo. Když se tlak vytvářený syntézou zastaví, látka začne klesat směrem ke svému vlastnímu gravitačnímu středu a stává se stále hustší. Nakonec se stane tak hustým, že nic nemůže překonat gravitační vliv na povrchu hvězdy: tak se rodí černá díra. Tyto černé díry se nazývají „černé díry sluneční hmoty“ a jsou nejběžnější.

Dalším běžným typem černé díry je „supermasivní černá díra“, kterou lze nalézt v centrech mnoha galaxií a má hmotnost asi miliardukrát větší než černé díry o hmotnosti Slunce. Zatím není jisté, jak přesně vznikají. Předpokládá se, že kdysi začaly jako černé díry o hmotnosti slunečního záření, které v hustě osídlených galaktických centrech pohltily mnoho dalších hvězd a rostly. Zdá se však, že absorbují hmotu rychleji, než tato jednoduchá myšlenka naznačuje, a jak přesně to dělají, je stále předmětem výzkumu.

Kontroverznější myšlenkou byly primordiální černé díry, které mohly být vytvořeny prakticky jakoukoli hmotou při velkých fluktuacích hustoty v raném vesmíru. I když je to možné, je poměrně obtížné najít model, který je vyrábí, aniž by jich vzniklo nadměrné množství.

Konečně existuje velmi spekulativní myšlenka, že Velký hadronový urychlovač by mohl produkovat malé černé díry s hmotností blízkou hmotnosti Higgsova bosonu. To funguje pouze tehdy, pokud má náš vesmír další dimenze. Doposud neexistují žádné důkazy, které by tuto teorii podporovaly.

Jak víme, že černé díry existují?

Máme mnoho pozorovacích důkazů o existenci kompaktních objektů s velkými hmotnostmi, které nevyzařují světlo. Tyto objekty se odhalují gravitační přitažlivostí, například v důsledku pohybu jiných hvězd nebo oblaků plynu kolem nich. Vytvářejí také gravitační čočku. Víme, že tyto předměty nemají pevný povrch. To vyplývá z pozorování, protože hmota dopadající na objekt s povrchem by měla způsobit emisi více částic než hmota padající horizontem.

Proč Hawking loni řekl, že černé díry neexistují?

Myslel tím, že černé díry nemají věčný horizont událostí, ale pouze dočasný zdánlivý horizont (viz bod jedna). V přísném smyslu je za černou díru považován pouze horizont událostí.

Jak černé díry vyzařují záření?

Černé díry vyzařují záření v důsledku kvantových efektů. Je důležité si uvědomit, že se jedná o kvantové efekty hmoty, nikoli kvantové efekty gravitace. Dynamický časoprostor kolabující černé díry mění samotnou definici částice. Stejně jako tok času, který se v blízkosti černé díry deformuje, je koncept částic příliš závislý na pozorovateli. Zejména když si pozorovatel padající do černé díry myslí, že padá do vakua, pozorovatel daleko od černé díry si myslí, že to není vakuum, ale prostor plný částic. Tento efekt způsobuje natahování časoprostoru.

Záření, které poprvé objevil Stephen Hawking, se nazývá „Hawkingovo záření“. Toto záření má teplotu nepřímo úměrnou hmotnosti černé díry: čím menší černá díra, tím vyšší teplota. Hvězdné a supermasivní černé díry, o kterých víme, mají teploty hluboko pod teplotou mikrovlnného pozadí, a proto je nelze pozorovat.

Co je informační paradox?

Paradox ztráty informací je způsoben Hawkingovým zářením. Toto záření je čistě tepelné, to znamená, že je náhodné a má pouze teplotu mezi určitými vlastnostmi. Samotné záření neobsahuje žádné informace o tom, jak černá díra vznikla. Když ale černá díra vyzařuje záření, ztrácí hmotu a zmenšuje se. To vše je zcela nezávislé na hmotě, která se stala součástí černé díry nebo z níž vznikla. Ukazuje se, že pokud známe pouze konečný stav vypařování, nelze říci, z čeho černá díra vznikla. Tento proces je „nevratný“ – a háček je v tom, že v kvantové mechanice žádný takový proces neexistuje.

Ukazuje se, že vypařování černé díry je neslučitelné s kvantovou teorií, jak ji známe, a je potřeba s tím něco udělat. Nějak vyřešit ten nesoulad. Většina fyziků věří, že řešením je, že Hawkingovo záření musí nějakým způsobem obsahovat informace.

Co Hawking navrhuje k vyřešení informačního paradoxu černé díry?

Myšlenka je, že černé díry musí mít způsob, jak uchovávat informace, což ještě nebylo přijato. Informace jsou uloženy na horizontu černé díry a mohou způsobit drobné posunutí částic v Hawkingově záření. Tyto drobné posuny mohou obsahovat informace o hmotě uvězněné uvnitř. Přesné detaily tohoto procesu jsou v současné době nejasné. Vědci čekají na podrobnější technickou zprávu od Stephena Hawkinga, Malcolma Perryho a Andrewa Stromingera. Prý se objeví na konci září.

V tuto chvíli jsme si jisti, že černé díry existují, víme, kde jsou, jak vznikají a čím se nakonec stanou. Ale podrobnosti o tom, kam jdou informace, které do nich vstupují, zůstávají jednou z největších záhad vesmíru.

Černé díry jsou jedním z nejúžasnějších a zároveň děsivých objektů v našem vesmíru. Vznikají v okamžiku, kdy hvězdám s obrovskou hmotností dojde jaderné palivo. Jaderné reakce se zastaví a hvězdy začnou chladnout. Tělo hvězdy se vlivem gravitace smršťuje a postupně k sobě začne přitahovat menší objekty, které se proměňují v černou díru.

První studie

Vědecká svítidla začala studovat černé díry teprve nedávno, přestože základní koncepty jejich existence byly vyvinuty již v minulém století. Samotný koncept „černé díry“ zavedl v roce 1967 J. Wheeler, ačkoli závěr, že tyto objekty nevyhnutelně vznikají při kolapsu hmotných hvězd, byl učiněn již ve 30. letech minulého století. Všechno uvnitř černé díry - asteroidy, světlo, komety jí absorbované - se kdysi přiblížilo příliš blízko k hranicím tohoto tajemného objektu a nedokázalo je opustit.

Hranice černých děr

První z hranic černé díry se nazývá statická mez. Toto je hranice oblasti, do které cizí předmět již nemůže být v klidu a začne rotovat vzhledem k černé díře, aby se do ní nedostal. Druhá hranice se nazývá horizont událostí. Všechno uvnitř černé díry jednou překročilo její vnější hranici a posunulo se směrem k bodu singularity. Podle vědců zde látka proudí do tohoto centrálního bodu, jehož hustota tíhne k nekonečnu. Lidé nemohou vědět, jaké fyzikální zákony fungují uvnitř objektů s takovou hustotou, a proto je nemožné popsat vlastnosti tohoto místa. V doslovném smyslu slova je to „černá díra“ (nebo možná „mezera“) ve znalostech lidstva o světě kolem nás.

Struktura černých děr

Horizont událostí je neprostupnou hranicí černé díry. Uvnitř této hranice je zóna, kterou nemohou opustit ani předměty, jejichž rychlost pohybu je rovna rychlosti světla. Ani samotná kvanta světla nemohou opustit horizont událostí. V tomto bodě nemůže z černé díry uniknout žádný objekt. Z definice nemůžeme zjistit, co je uvnitř černé díry – vždyť v jejích hloubkách se nachází tzv. bod singularity, který vzniká extrémním stlačováním hmoty. Jakmile objekt spadne do horizontu událostí, od té chvíle už z něj nikdy nebude schopen uniknout a stát se viditelným pro pozorovatele. Na druhou stranu ti, co jsou uvnitř černých děr, nevidí nic, co se děje venku.

Velikost horizontu událostí obklopujícího tento záhadný kosmický objekt je vždy přímo úměrná hmotnosti samotné díry. Pokud se jeho hmotnost zdvojnásobí, vnější hranice bude dvakrát větší. Pokud by vědci našli způsob, jak proměnit Zemi v černou díru, pak by velikost horizontu událostí byla pouze 2 cm v průřezu.

Hlavní kategorie

Hmotnost průměrné černé díry je zpravidla přibližně rovna třem hmotnostem Slunce nebo více. Ze dvou typů černých děr se rozlišují hvězdné a supermasivní. Jejich hmotnost převyšuje hmotnost Slunce několik set tisíckrát. Hvězdy vznikají po smrti velkých nebeských těles. Černé díry s pravidelnou hmotností se objevují po skončení životního cyklu velkých hvězd. Oba typy černých děr, i přes jejich odlišný původ, mají podobné vlastnosti. Supermasivní černé díry se nacházejí v centrech galaxií. Vědci předpokládají, že vznikly během formování galaxií v důsledku sloučení hvězd těsně vedle sebe. To jsou však pouze domněnky, nepotvrzené fakty.

Co je uvnitř černé díry: odhady

Někteří matematici se domnívají, že uvnitř těchto tajemných objektů Vesmíru jsou takzvané červí díry – přechody do jiných Vesmírů. Jinými slovy, v bodě singularity je časoprostorový tunel. Tento koncept posloužil mnoha spisovatelům a režisérům. Naprostá většina astronomů se však domnívá, že mezi vesmíry žádné tunely neexistují. Nicméně, i kdyby existovaly, neexistuje způsob, jak by lidé věděli, co je uvnitř černé díry.

Existuje další koncept, podle kterého je na opačném konci takového tunelu bílá díra, odkud proudí gigantické množství energie z našeho Vesmíru do jiného světa černými dírami. V této fázi rozvoje vědy a techniky však cestování tohoto druhu nepřipadá v úvahu.

Souvislost s teorií relativity

Černé díry jsou jednou z nejúžasnějších předpovědí A. Einsteina. Je známo, že gravitační síla, která vzniká na povrchu jakékoli planety, je nepřímo úměrná druhé mocnině jejího poloměru a přímo úměrná její hmotnosti. Pro toto nebeské těleso můžeme definovat pojem druhé kosmické rychlosti, která je nezbytná k překonání této gravitační síly. Pro Zemi je to 11 km/s. Pokud se hmotnost nebeského tělesa zvýší a průměr se naopak sníží, může druhá kosmická rychlost nakonec překročit rychlost světla. A protože podle teorie relativity se žádný objekt nemůže pohybovat rychleji než rychlostí světla, vzniká objekt, který nedovolí ničemu uniknout za své limity.

V roce 1963 vědci objevili kvasary – vesmírné objekty, které jsou obřími zdroji rádiové emise. Nacházejí se velmi daleko od naší galaxie – jejich vzdálenost je miliardy světelných let od Země. Aby vědci vysvětlili extrémně vysokou aktivitu kvasarů, zavedli hypotézu, že se v nich nacházejí černé díry. Toto hledisko je dnes ve vědeckých kruzích všeobecně přijímáno. Výzkum prováděný za posledních 50 let nejen potvrdil tuto hypotézu, ale také vedl vědce k závěru, že ve středu každé galaxie jsou černé díry. Ve středu naší galaxie je také takový objekt, jehož hmotnost je 4 miliony hmotností Slunce. Tato černá díra se nazývá Sagittarius A, a protože je nám nejblíže, je astronomy nejvíce studována.

Hawkingovo záření

Tento typ záření, který objevil slavný fyzik Stephen Hawking, výrazně komplikuje život moderním vědcům – kvůli tomuto objevu se v teorii černých děr objevilo mnoho obtíží. V klasické fyzice existuje pojem vakua. Toto slovo označuje úplnou prázdnotu a nepřítomnost hmoty. S rozvojem kvantové fyziky však byl koncept vakua upraven. Vědci zjistili, že je vyplněna takzvanými virtuálními částicemi – pod vlivem silného pole se mohou proměnit ve skutečné. V roce 1974 Hawking zjistil, že k takovým transformacím může docházet v silném gravitačním poli černé díry – poblíž její vnější hranice, horizontu událostí. Takový porod je spárovaný – objeví se částice a antičástice. Antičástice je zpravidla odsouzena k pádu do černé díry a částice odletí pryč. V důsledku toho vědci kolem těchto vesmírných objektů pozorují určité záření. Tomu se říká Hawkingovo záření.

Během tohoto záření se hmota uvnitř černé díry pomalu vypařuje. Díra ztrácí hmotnost a intenzita záření je nepřímo úměrná druhé mocnině její hmotnosti. Intenzita Hawkingova záření je na kosmické poměry zanedbatelná. Pokud předpokládáme, že existuje díra o hmotnosti 10 sluncí a nedopadá na ni světlo ani žádné hmotné předměty, tak i v tomto případě bude doba jejího rozpadu obludně dlouhá. Životnost takové díry přesáhne celou existenci našeho Vesmíru o 65 řádů.

Otázka ohledně ukládání informací

Jedním z hlavních problémů, které se objevily po objevu Hawkingova záření, je problém ztráty informací. Je to spojeno s otázkou, která se na první pohled zdá velmi jednoduchá: co se stane, když se černá díra úplně vypaří? Obě teorie – kvantová fyzika i klasická – se zabývají popisem stavu systému. S informacemi o počátečním stavu systému lze pomocí teorie popsat, jak se bude měnit.

Zároveň se v procesu evoluce informace o výchozím stavu neztrácejí - funguje jakýsi zákon o uchování informací. Pokud se ale černá díra úplně vypaří, pak pozorovatel ztratí informace o té části fyzického světa, která kdysi do díry spadla. Stephen Hawking věřil, že informace o počátečním stavu systému se nějakým způsobem obnoví poté, co se černá díra úplně vypaří. Potíž je však v tom, že z definice je přenos informací z černé díry nemožný – nic nemůže opustit horizont událostí.

Co se stane, když spadnete do černé díry?

Má se za to, že kdyby se nějakým neuvěřitelným způsobem mohl člověk dostat na povrch černé díry, okamžitě by ho to začalo táhnout svým směrem. Nakonec by se člověk tak protáhl, že by se stal proudem subatomárních částic pohybujících se směrem k bodu singularity. Je samozřejmě nemožné tuto hypotézu prokázat, protože vědci pravděpodobně nikdy nebudou schopni zjistit, co se děje uvnitř černých děr. Nyní někteří fyzici říkají, že kdyby člověk spadl do černé díry, měl by klon. První z jeho verzí by okamžitě zničil proud žhavých částic Hawkingova záření a druhá by prošla horizontem událostí bez možnosti návratu zpět.

Neexistuje žádný kosmický jev, který by svou krásou uchvátil více než černé díry. Jak víte, objekt dostal své jméno díky skutečnosti, že je schopen absorbovat světlo, ale nemůže ho odrážet. Černé díry díky své obrovské gravitaci nasávají vše, co je v jejich blízkosti – planety, hvězdy, vesmírný odpad. To však není vše, co byste měli vědět o černých dírách, protože o nich existuje mnoho úžasných faktů.

Černé díry nemají žádný bod, odkud by nebylo návratu

Dlouho se věřilo, že vše, co spadne do oblasti černé díry, v ní zůstane, ale výsledkem nedávného výzkumu je, že po chvíli černá díra „vyplivne“ veškerý svůj obsah do prostoru, ale v jiném forma, odlišná od původní. Horizont událostí, který byl pro vesmírné objekty považován za bod, odkud není návratu, se ukázal být pouze jejich dočasným útočištěm, ale tento proces probíhá velmi pomalu.

Zemi ohrožuje černá díra

Sluneční soustava je pouze částí nekonečné galaxie, která obsahuje obrovské množství černých děr. Ukazuje se, že Zemi ohrožují dva z nich, ale naštěstí se nacházejí ve velké vzdálenosti - asi 1600 světelných let. Byly objeveny v galaxii, která vznikla sloučením dvou galaxií.


Vědci viděli černé díry jen proto, že se nacházely poblíž sluneční soustavy pomocí rentgenového dalekohledu, který je schopen zachytit rentgenové záření vyzařované těmito vesmírnými objekty. Černé díry, protože jsou umístěny vedle sebe a prakticky splývají v jednu, byly nazývány jedním jménem - Chandra na počest boha Měsíce z hinduistické mytologie. Vědci jsou přesvědčeni, že Chandra se jí brzy stane díky obrovské gravitační síle.

Černé díry mohou časem zmizet

Dříve nebo později z černé díry vyjde veškerý obsah a zůstane pouze záření. Jak černé díry ztrácejí hmotu, časem se zmenšují a poté úplně zmizí. Smrt vesmírného tělesa je velmi pomalá, a proto je nepravděpodobné, že by nějaký vědec mohl vidět, jak se černá díra zmenšuje a pak mizí. Stephen Hawking tvrdil, že díra ve vesmíru je vysoce stlačená planeta a postupem času se vypařuje, počínaje od okrajů zkreslení.

Černé díry nemusí nutně vypadat černě

Vědci tvrdí, že jelikož vesmírné těleso absorbuje částice světla, aniž by je odráželo, černá díra nemá žádnou barvu, pouze její povrch – horizont událostí – ji dává pryč. Svým gravitačním polem zakrývá veškerý prostor za sebou, včetně planet a hvězd. Zároveň se ale vlivem absorpce planet a hvězd na povrchu černé díry ve spirále v důsledku obrovské rychlosti pohybu objektů a tření mezi nimi objevuje záře, která může být jasnější než hvězdy. Jedná se o sbírku plynů, hvězdného prachu a další hmoty, která je nasávána černou dírou. Také někdy může černá díra vyzařovat elektromagnetické vlny, a proto může být viditelná.

Černé díry nevznikají z ničeho nic, jsou založeny na vyhaslé hvězdě.

Hvězdy září ve vesmíru díky zásobě termonukleárního paliva. Když skončí, hvězda začne chladnout a postupně se změní z bílého trpaslíka na černého trpaslíka. Tlak uvnitř ochlazené hvězdy začíná klesat. Vlivem gravitace se vesmírné těleso začne zmenšovat. Důsledkem tohoto procesu je, že hvězda jakoby explodovala, všechny její částice se rozptýlily v prostoru, ale zároveň gravitační síly nadále působí a přitahují sousední vesmírné objekty, které jsou jí pak pohlcovány, čímž se zvyšuje síla černé otvor a jeho velikost.

Supermasivní černá díra

Černá díra, která je desetitisíckrát větší než velikost Slunce, se nachází v samém středu Mléčné dráhy. Vědci jej nazvali Střelec a nachází se ve vzdálenosti od Země 26 000 světelných let. Tato oblast galaxie je extrémně aktivní a rychle pohlcuje vše, co je v její blízkosti. Často také „vyplivne“ vyhaslé hvězdy.


Překvapivý je fakt, že průměrná hustota černé díry se může i s ohledem na její obrovskou velikost rovnat hustotě vzduchu. S rostoucím poloměrem černé díry, tedy počtem jím zachycených objektů, se hustota černé díry zmenšuje, což lze vysvětlit jednoduchými fyzikálními zákony. Takže největší tělesa ve vesmíru mohou být ve skutečnosti lehká jako vzduch.

Černá díra může vytvořit nové vesmíry

Bez ohledu na to, jak divně to může znít, zejména s ohledem na skutečnost, že ve skutečnosti černé díry pohlcují a podle toho ničí vše kolem sebe, vědci si vážně myslí, že tyto vesmírné objekty by mohly znamenat začátek vzniku nového vesmíru. Jak tedy víme, černé díry hmotu nejen pohlcují, ale mohou ji v určitých obdobích i uvolňovat. Jakákoli částice, která vyjde z černé díry, může explodovat a stane se z toho nový Velký třesk a podle jeho teorie se náš Vesmír takto objevil, proto je možné, že Sluneční soustava, která dnes existuje a ve které se Země točí, obývaný obrovským počtem lidí, se kdysi zrodil z masivní černé díry.

V blízkosti černé díry čas plyne velmi pomalu

Když se objekt přiblíží k černé díře, bez ohledu na to, jakou má hmotnost, jeho pohyb se začne zpomalovat, a to proto, že v samotné černé díře se čas zpomaluje a vše se děje velmi pomalu. To je způsobeno obrovskou gravitační silou, kterou černá díra má. Navíc to, co se děje v samotné černé díře, se děje poměrně rychle, takže pokud by se pozorovatel díval na černou díru zvenčí, zdálo by se mu, že všechny procesy v ní probíhají pomalu, ale kdyby spadl do jejího trychtýře , gravitační síly by ji okamžitě roztrhaly.

Tajemné a nepolapitelné černé díry. Fyzikální zákony potvrzují možnost jejich existence ve vesmíru, ale stále zůstává mnoho otázek. Četná pozorování ukazují, že ve vesmíru existují díry a existuje více než milion těchto objektů.

Co jsou černé díry?

V roce 1915, při řešení Einsteinových rovnic, byl předpovězen takový jev jako „černé díry“. Vědecká obec se o ně ale začala zajímat až v roce 1967. Tehdy se jim říkalo „zhroucené hvězdy“, „zamrzlé hvězdy“.

Černá díra je dnes oblastí času a prostoru, která má takovou gravitaci, že z ní nemůže uniknout ani paprsek světla.

Jak se tvoří černé díry?

Existuje několik teorií vzhledu černých děr, které se dělí na hypotetické a realistické. Nejjednodušší a nejrozšířenější realistická je teorie gravitačního kolapsu velkých hvězd.

Když dostatečně hmotná hvězda před „smrtí“ naroste na velikosti a stane se nestabilní a spotřebovává poslední palivo. Hmotnost hvězdy přitom zůstává nezměněna, ale její velikost se zmenšuje s tím, jak dochází k tzv. zhuštění. Jinými slovy, při zhutnění těžké jádro „spadne“ do sebe. Paralelně s tím dochází ke zhutnění k prudkému nárůstu teploty uvnitř hvězdy a odtrhávání vnějších vrstev nebeského tělesa, ze kterých vznikají nové hvězdy. Ve středu hvězdy zároveň jádro spadá do svého vlastního „středu“. V důsledku působení gravitačních sil se střed zhroutí do bodu - to znamená, že gravitační síly jsou tak silné, že pohltí zhutněné jádro. Tak se rodí černá díra, která začne deformovat prostor a čas tak, že z ní nemůže uniknout ani světlo.

Ve středu všech galaxií je supermasivní černá díra. Podle Einsteinovy ​​teorie relativity:

"Jakákoli hmota deformuje prostor a čas."

Nyní si představte, jak moc černá díra deformuje čas a prostor, protože její hmota je obrovská a zároveň vtěsnaná do ultramalého objemu. Tato schopnost způsobuje následující zvláštnosti:

„Černé díry mají schopnost prakticky zastavit čas a stlačit prostor. Kvůli tomuto extrémnímu zkreslení se pro nás díry stávají neviditelnými."

Pokud černé díry nejsou viditelné, jak víme, že existují?

Ano, i když je černá díra neviditelná, měla by být patrná díky hmotě, která do ní spadá. Stejně jako hvězdný plyn, který je přitahován černou dírou, při přiblížení k horizontu událostí začne teplota plynu stoupat k ultravysokým hodnotám, což vede k záři. To je důvod, proč černé díry září. Díky této, i když slabé záři, astronomové a astrofyzici vysvětlují přítomnost objektu s malým objemem, ale obrovskou hmotností ve středu galaxie. V současné době bylo na základě pozorování objeveno asi 1000 objektů, které se svým chováním podobají černým dírám.

Černé díry a galaxie

Jak mohou černé díry ovlivnit galaxie? Tato otázka trápí vědce po celém světě. Existuje hypotéza, podle které jsou to černé díry umístěné ve středu galaxie, které ovlivňují její tvar a vývoj. A že když se srazí dvě galaxie, černé díry se spojí a během tohoto procesu se uvolní tak obrovské množství energie a hmoty, že vznikají nové hvězdy.

Typy černých děr

• Podle existující teorie existují tři typy černých děr: hvězdné, supermasivní a miniaturní. A každý z nich byl vytvořen zvláštním způsobem.
• - Černé díry hvězdných hmotností, roste do obrovských rozměrů a kolabuje.
  - Supermasivní černé díry, které mohou mít hmotnost ekvivalentní milionům Sluncí, pravděpodobně existují v centrech téměř všech galaxií, včetně naší Mléčné dráhy. Vědci mají stále různé hypotézy o vzniku supermasivních černých děr. Zatím je známo jen jedno – supermasivní černé díry jsou vedlejším produktem vzniku galaxií. Supermasivní černé díry – od běžných se liší tím, že mají velmi velkou velikost, ale paradoxně nízkou hustotu.
• - Nikomu se zatím nepodařilo odhalit miniaturní černou díru, která by měla hmotnost menší než Slunce. Je možné, že miniaturní dírky mohly vzniknout krátce po „Velkém třesku“, což je přesný začátek existence našeho vesmíru (asi před 13,7 miliardami let).
• - Poměrně nedávno byl představen nový koncept jako „bílé černé díry“. Toto je stále hypotetická černá díra, která je opakem černé díry. Stephen Hawking aktivně studoval možnost existence bílých děr.
• - Kvantové černé díry - existují zatím pouze teoreticky. Kvantové černé díry se mohou vytvořit, když se ultramalé částice srazí v důsledku jaderné reakce.
• - Primární černé díry jsou také teorií. Vznikly hned po svém vzniku.

V tuto chvíli existuje velké množství otevřených otázek, na které budou muset budoucí generace ještě odpovědět. Mohou například skutečně existovat takzvané „červí díry“, s jejichž pomocí lze cestovat prostorem a časem. Co přesně se děje uvnitř černé díry a jaké zákony se tyto jevy řídí. A co mizení informací v černé díře?