Всероссийский конкурс юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского 2013-14 года

1.Введение
Меня зовут Саша Войнов. Мне 8 лет. Я учусь во втором классе. Мне очень нравится наблюдать за звездами. Я люблю изучать все, что связано с космосом. Во Вселенной немало загадочных и недостаточно изученных объектов. Одними из самых интересных объектов является черные дыры. Многие считают, что черные дыры не существуют. Я попытаюсь доказать, что они есть.
Тема черных дыр является одной из актуальнейших тем современной астрономии, астрофизики и космологии, так как эти объекты помогают лучше понять устройство нашей вселенной, с момента большого взрыва по настоящий день, а также позволят понять, что будет с нашей вселенной в будущем.
Цель исследования: сформировать понятие «чёрная дыра космоса».

Задачи:
1. Изучить историю возникновения вопроса о черных дырах.
2. Систематизировать и изучить информацию о черных дырах (возникновение, свойства).
3. Провести опыты.
Методы исследования: работа с литературными источниками и Интернет - ресурсами, эксперимент.
Новизна исследования: термин «Черная дыра» появился давно, однако полного исследования черных дыр до сих пор не проведено. Мною были придуманы опыты с целью, объяснить некоторые свойства черных дыр.
Обзор литературы:
Источник информации Что я узнал
Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. История появления идеи о «Черных дырах»; как появляются черные дыры, понятие коллапс звезды; что значит искажение пространства; где живут черные дыры
КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Как происходит искажение пространства и времени; вклад Эйнштейна в развитии теории существования черных дыр
Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» Что значит сверхмассивные звезды, сравнение размеров солнца, звезд с размерами автомобиля
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика Общие сведения о черной дыре: история, как появляются
Я познаю мир: Дет. энцикл.: Космос История возникновения термина «Черная дыра»
Энциклопедический словарь юного физика. Что значит: гравитация, масса, притяжение, частица; работа Ньютона – свет состоит из частиц
Энциклопедический словарь юного астронома. Теории возникновения черных дыр
Новости про космос и НЛО Картинки и фото с изображением черных дыр
WWalls.RU: обои для рабочего стола. Космос Картинки и фото с изображением черных дыр

2.История идеи
Термин «ЧЕРНАЯ ДЫРА» появился совсем недавно, в двадцатом веке. Его придумал американский ученый Джон Уиллер.
Однако попытки объяснить это загадочное явление были сделаны давно, около 200 лет назад.
Исаак Ньютон, считал, что свет состоит из частиц. Значит, он обладает массой и на него действует гравитация.
Исходя из этого, английский астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность.
Великий ученый Альберт Эйнштейн теоретически доказал возможность существования черных дыр.
В 1934 году американские физики выдвинули гипотезу об умирание звезды. А уже в 1939 году доказали что: «Черная дыра все поглощает и ничего не выпускает!»

3.Теории возникновения черных дыр:
Как формируются (возникают) черные дыры? Существует по три теории возникновения черных дыр:
1. Коллапс звезды под действием собственной силы гравитации: крупные звезды существуют за счет собственной энергии. Звезда живет, пока не кончится эта энергия. При уменьшении размеров звезды, ее плотность увеличивается, что приводит увеличению массы звезды. Если масса звезды будет больше трех солнечных, то это приводит к коллапсу звезды.
2. 14 млрд. лет назад началось расширение нашей Вселенной. Существует теория, сто в то время высокая плотность наблюдалась повсюду. Поэтому небольшие изменения плотности в ту эпоху могли приводить к рождению черных дыр любой массы, в том числе и малой.
3. Существует предположение, что черные дыры могут возникнуть при столкновении быстрых элементарных частиц. При сильном столкновении двух частиц они могут сжаться достаточно сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра. После этого она почти мгновенно разрушится.

4.Свойства черных дыр
1) Вблизи черной дыры время течет медленнее, чем вдали от нее. Если наблюдатель, который находится на некотором расстоянии от черной дыры, бросит в сторону черной дыры светящийся предмет, например фонарь, то увидит, как он будет падать все быстрее и быстрее, но затем начнет замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть. С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность черной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарем, то он за короткое время упал к центру черной дыры, будучи при этом разорван ее мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра. То есть если что-то (кто-то) проникнет за горизонт событий, то никогда не вернется.
2) Если тело, из которого возникла черная дыра, вращалось, то вокруг черной дыры сохраняется "вихревое" гравитационное поле (воронка), увлекающее все соседние тела во вращательное движение вокруг нее.
3)Когда тело сжимается в черную дыру, то все его характеристики, кроме массы, электрического заряда и момента импульса, исчезают (такие, как состав, плотность, объем и др.).
4) Граница черной дыры называется горизонтом событий. Веществом, которое попадает в горизонт событий черной дыры, непременно будет образована сингулярность (область бесконечно малых размеров) с неизмеримо огромной плотностью, из-за которого все вещество звезды разрушается.
5) Черная дыра может очень медленно «испаряться». Это открыл Стивен Хокинг. Им было доказано, что черные дыры способны выпускать вещество и излучение, но это можно заметить только в том случае, если масса самой черной дыры достаточно низкая.
6) Черная дыра обладает огромным, неиссякаемым запасом энергии.

5.Где находятся черные дыры?
Самый первый вопрос, который волнует людей в проблеме чёрных дыр, это стремление узнать, где вообще находятся чёрные дыры. В действительности чёрные дыры разбросаны по всей Вселенной. Чёрная дыра может образоваться в любом месте, в том числе и рядом с Солнечной системой.

6.Описание опытов
Первый опыт «Невидимая реальность»
Представьте, что наша Земля – это Вселенная, а все, что на ней находится (люди, животные, растения) – это объекты Вселенной (т.е. звезды, планеты, кометы). Если закрыть глаза, то мы ни чего не увидим, но это не означает, что все вокруг нас исчезло.
Второй опыт «Искажение пространства»
Возьмем лист бумаги и поставим две точки. Соединим точки прямой. Расстояние между точками определим при помощи линейки. Теперь скомкаем лист. Расстояние между точками уменьшилось. Таким образом, можно говорить об изменении пространства внутри черной дыры.
Третий опыт «Цвет черной дыры»
Возьмем две коробки с небольшими круглыми отверстиями. Одну внутри покрасим белым цветом, а другую черным. Посмотрим в отверстия в коробках. В обоих коробках ни чего не видно. Поместим предметы – их тоже не видно. Поэтому, можно говорить, что внутри черные дыры необязательно черные. Отсюда следует, что черные дыры необязательно черные.
8.Выводы
Итак, на мой взгляд, в рамках своей работы мне удалось сформировать понимание того, что такое чёрная дыра: я изучил литературу, систематизировал полученную информацию, познакомился с историей данного вопроса, рассмотрел свойства черных дыр и провел опыты.
Черные дыры – совершенно удивительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле. В последующем я хочу продолжить свою работу по изучению этих интереснейших объектов, поскольку черные дыры обладают огромной энергией, которую можно использовать для нужд человечества.

Список литературы
1. Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. Перевод с англ. – СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2012. с. 106-109, 123-127, 330-340.
2. КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Перевод с англ. Под ред. Чл.-корр. Ран В.Б. Брагинского. – М.: Издательство физико-математической литературы, 2009., с. 23, 122-124.
3. Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» – М.: «Росмэн», 2000. с. 21-22.
4. Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика/ Сост., худож. А.А. Леонович; Под общ. ред. О. Г. Хинн. – М.: ООО Фирма «Издательство АСТ», 1999.
5. Я познаю мир: Дет. энцикл.: Космос/ Авт.- сост. Т.И. Гонтарук – М.: ООО Фирма «Издательство АСТ», 1999. с. 355-358.
6. Энциклопедический словарь юного физика. Педагогика, 1984. с. 286.
7. Энциклопедический словарь юного астронома. Педагогика, 1986. с. 298-301.
8. Новости про космос и НЛО // Персональный сайт // (дата обращения: 15.10.13)
9. WWalls.RU: обои для рабочего стола. Космос // Персональный сайт// (дата обращения: 15.10.13)

Самое гиблое место.

Нет в космосе более загадочного и пугающего объекта, чем черная дыра.
Одно словосочетание уже наводит безотчетный страх: оно рисует образ все поглощающей бездны. Перед нею робеют не только обыватели, но трепещут и астрофизики. «Из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое - это черная дыра. Дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы», - так сказал о черных дырах известный ученый, заведующий кафедрой Калифорнийского технологического института (США), член Национальной академии наук США, член ученого совета NASA Кип Стивен Торн.
Помимо своей фантастической мощи черные дыры обладают удивительным свойством менять внутри себя пространство и время. Они сначала закручиваются в своеобразную воронку, а потом, перейдя некую границу в глубине дыры, распадаются на кванты. Внутри же черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.
По мнению многих специалистов, черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Предполагается, что черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

Конец света находится здесь.

Как же образуются черные дыры? По словам астрофизиков, большинство из них возникает после смерти больших звезд. Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая. Но если масса вещества, оставшегося после взрыва, все еще превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Ученые полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению черной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остается один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия, превращающего ее в невидимую черную дыру.
А почему они невидимы?
- Само название «черные дыры» говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть, - объясняет заведующий отделом радиоастрономии Государственного астрономического института им. Штернберга кандидат физико-математических наук Валентин Есипов. - Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путем удалось оказаться вблизи черной дыры и направить в сторону от ее поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца.
Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля черной дыры и покинуть ее поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу черной дыры. А что там прячется, за границей?

Прогуляемся до Ада.

Самое интересное описание «нутра» черной дыры принадлежит уже упоминавшемуся нами американскому физику и астроному Кипу Стивену Торну. «Вообразите себя капитаном большого космического корабля звездного класса, - предлагает ученый в своей книге «Путешествие среди черных дыр». - По заданию Географического общества вам предстоит исследовать несколько черных дыр, находящихся на больших расстояниях друг от друга в межзвездном пространстве, и с помощью радиосигналов передать на Землю описание своих наблюдений.

Пробыв в пути 4 года и 8 месяцев, ваш корабль тормозит в окрестностях ближайшей к Земле черной дыры, получившей название Гадес (Ад) и расположенной вблизи звезды Веги. На телеэкране заметно присутствие черной дыры: атомы водорода, рассеянные в межзвездном пространстве, втягиваются внутрь ее гравитационным полем. Везде вы видите их движение: медленное вдали от дыры и все более быстрое по мере приближения к ней. Это напоминает падение воды в Ниагарском водопаде за исключением того, что атомы падают не только с востока, но и с запада, севера, юга, сверху и снизу - отовсюду. Если вы ничего не предпримете, то тоже окажетесь втянуты внутрь.

Итак, вам предстоит с величайшей осторожностью перевести звездолет с траектории свободного падения на круговую орбиту вокруг черной дыры (подобную орбитам искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли) так, чтобы центробежная сила вашего орбитального движения компенсировала силу притяжения черной дыры. Почувствовав себя в безопасности, вы включаете двигатели корабля и готовитесь к изучению черной дыры.

Прежде всего в телескопы вы наблюдаете электромагнитное излучение, испускаемое падающими атомами водорода. Вдали от черной дыры они настолько холодные, что излучают лишь радиоволны. Но ближе к дыре, там, где атомы падают быстрее, они время от времени сталкиваются между собой, нагреваются до нескольких тысяч градусов и начинают излучать свет. Еще ближе к черной дыре, двигаясь гораздо быстрее, они разогреваются за счет столкновений до нескольких миллионов градусов и испускают рентгеновское излучение.

Направляя свои телескопы «внутрь» и продолжая приближаться к черной дыре, вы «увидите» гамма-лучи, испускаемые атомами водорода, нагретыми до еще более высоких температур. И наконец, в самом центре вы обнаружите темный диск самой черной дыры.
Следующий ваш шаг - тщательно измерить длину орбиты корабля. Это приблизительно 1 млн. км, или половина длины орбиты Луны вокруг Земли. Затем вы смотрите на далекие звезды и видите, что они перемещаются, подобно вам. Наблюдая за их видимым движением, вы выясняете, что вам необходимо 5 мин. 46 с, чтобы совершить один оборот вокруг черной дыры. Это и есть ваш «орбитальный период».

Зная период обращения и длину своей орбиты, вы можете рассчитать массу черной дыры Гадес (Ад). Она будет в 10 раз больше солнечной. Это, пo-существу, полная масса, скопившаяся в черной дыре за всю ее историю и включающая массу звезды, в результате коллапса которой около 2 млрд. лет назад образовалась черная дыра, массу всего межзвездного водорода, втянутого в нее с момента ее рождения, а также массу всех астероидов и заблудившихся звездолетов, упавших на нее.

Наиболее интересны свойства ее поверхности, или горизонта - границы, из-за которой все, что падает в дыру, уже не может вернуться. Границы, из-за которой не выбраться звездолету и даже любому виду излучения: радиоволнам, свету, рентгеновским или гамма-лучам…
Хотя по массе и моменту количества движения черной дыры вы в состоянии вычислить все ее свойства снаружи, вы не можете ничего узнать о ее внутренности. Она может иметь неупорядоченную структуру и быть сильно несимметричной. Все это будет зависеть от деталей коллапса, в результате которого образовалась черная дыра, а также от особенностей последующего втягивания межзвездного водорода. Так что диаметр дыры просто нельзя рассчитать.

Получив эти результаты, вы можете исследовать окрестности горизонта черной дыры…

Попрощавшись с командой, вы влезаете в спускаемый аппарат и покидаете корабль, оставаясь сначала на той же круговой орбите, - продолжает физик Торн. - Затем, включая ракетный двигатель, слегка тормозите, чтобы замедлить свое орбитальное движение. При этом вы начинаете по спирали приближаться к горизонту, переходя с одной круговой орбиты на другую. Ваша цель - выйти на круговую орбиту с периметром, слегка превышающим длину горизонта. Поскольку вы движетесь по спирали, длина вашей орбиты постепенно сокращается - от 1 млн. км до 500 тыс., потом до 100 тыс., 90 тыс., 80 тыс. И тут начинает твориться что-то странное.

Находясь в состоянии невесомости, вы подвешены в своем аппарате, предположим, ногами - к черной дыре, а головой - к орбите вашего корабля и звездам. Но по­степенно вы начинаете ощущать, что кто-то тянет вас за ноги вниз и вверх - за голову. Вы соображаете, что причина - притяжение черной дыры: ноги ближе к дыре, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. То же самое справедливо, конечно, и на Земле, но разница в притяжении ног и головы там ничтожна, так что никто этого не замечает. Двигаясь же по орбите длиной 80 тыс. км над черной дырой, вы ощущаете эту разницу вполне отчетливо - различие в притяжении составит 1/8 земной силы тяжести (1/8 g). Центробежная сила, обусловленная вашим движением по орбите, компенсирует притяжение дыры в центральной точке вашего тела, позволяя свободно парить в невесомости, но на ваши ноги будет действовать избыточное притяжение 1/16 g, голова же, наоборот, будет притягиваться слабо, и центробежная сила потянет ее вверх в точности с тем же дополнительным ускорением - 1/16 g.
Несколько озадаченный, вы продолжаете движение по закручивающейся спирали, но удивление быстро сменяется беспокойством: по мере уменьшения размеров орбиты, силы, растягивающие вас, будут нарастать все стремительнее. При длине орбиты 64 тыс. км разность составит 1/4 g, при 51 тыс. км - 1/2 g и при 40 тыс. км она достигнет полного земного веса. Скрипя зубами от натуги, вы продолжаете движение по спирали. При длине орбиты 25 тыс. км сила растяжения составит 4 g, т.е. вчетверо превысит ваш вес в земных условиях, а при 16 тыс. км - 16 g. Больше вы не в состоянии выдержать в вертикальном положении. Пытаетесь решить эту проблему, свернувшись калачиком и подтянув ноги к голове, уменьшив тем самым разность сил. Но они уже настолько велики, что не дадут вам согнуться - снова вытянут вертикально (вдоль радиального по отношению к черной дыре направления).

Что бы вы ни предпринимали, ничто не поможет. И если движение по спирали будет продолжаться, ваше тело не выдержит - его разорвет на части. Итак, достичь окрестности горизонта нет никакой надежды...
Разбитый, преодолевая чудовищную боль, вы прекращаете свой спуск и переводите аппарат сначала на круговую орбиту, а затем начинаете осторожно и медленно двигаться по расширяющейся спирали, переходя на круговые орбиты все большего размера, пока не доберетесь до звездолета».

Изложенная Торном история звучит пока, как фантастика. И рассчитана на то время, когда человек добьется таких успехов в развитии техники и технологии, что станут реальностью межгалактические полеты и конструирование кольцевых миров вокруг черных дыр. А по самым оптимистичным прогнозам футурологов, это станет возможным не ранее, чем через 50 лет.

Нет, ребята, все не так...

Надо признаться, что многие ученые до сих пор отрицают существование черных дыр. Ведь их открытие и изучение происходит на кончике пера. А недавно появилось еще более неожиданное предположение, что черные дыры - вовсе не дыры вообще, а некие объекты, более родственные по природе пузырькам конденсата Бозе-Эйнштейна (агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю). Эту новую гипотезу выдвинули исследователь Эмиль Моттола из Теоретического Отделения Los Alamos National Laboratory вместе с соавтором Павелом Мазуром из Университета Штата Южная Каро­лина в США.

Объяснение исследователей вносит кардинально новый взгляд на природу черных дыр, которые представляются не как «дыры» в космосе, где вещество и свет необъяснимо исчезают в зоне горизонта событий, а скорее как сферические пустоты, окруженные особой формой вещества никогда прежде не известного на Земле. Мазур и Моттола называют эти объекты не черными дырами, а гравитационными звездами.

Внутри гравитационной звезды пространство и время меняются местами, как и в модели черной дыры.
Моттола и Мазур даже высказывают предположение, что Вселенная, в которой мы живем, может быть внутренней оболочкой гигантской гравитационной звезды.

Как не потеряться в разнообразии потока слов от маленьких почемучек? Ведь дети чрезвычайно любопытны и хотят все на свете знать. Стоит правильно прививать им знания и любовь к науке, чтобы в будущем им легче давалась учеба, и был интерес к новым познаниям, особенно к таким удивительным как космос!

1. Что такое астрономия и космос?

Начать, прежде всего, стоит с того, что рассказать ребенку, что такое астрономия. Ведь с нее, по сути, и начинается изучение звезд и космоса.

Астрономия - это наука, которая занимается не только звездами, но изучает также и космос, и все частицы, которые движутся во Вселенной. В сферу ее изучения входят и изменения и преобразования, которые проходят со всеми небесными телами, пространством и временем.

Кстати, слово «космос» имеет греческие корни и означает упорядоченность и взаимосвязь всего, что находится во Вселенной.

2. Солнечная система.

Солнечная система состоит из девяти планет и одной звезды. Все девять планет вращаются вокруг звезды под название Солнце.

Планеты имеют свои названия: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Самая первая - Венера, является наиболее приближенной к солнцу, последняя - Плутон находится дальше всего от звезды. Планета Земля , на которой мы живем, - третья.

Помимо планет в Солнечной системе вращаются также множество спутников, комет, малых планет, астероидов, пыли и газа.

3. Галактика.

Галактики - представляют из себя большие звездные системы, звезды в которых держатся в их пределах благодаря гравитации.

Ученые считают, что во Вселенной существуют миллиарды галактик . Поэтому вероятность того, что где-то на других планетах есть какая-то жизнь и люди в этом мире не одиноки очень велика.

Все галактики отличаются друг от друга по форме. Форм бывает всего три: эллиптическая, спиралевидная и нерегулярная.

Кстати, наша галактика носит название Млечный Путь . Поблизости также существуют еще две крупные галактики под названиями Андромеда и Треугольник. Наша галактика входит в группу 30-ти других галактик.

4. Черные дыры.

Чёрная дыра - это область в пространстве времени, которая имеет свойство поглощать близлежащие объекты, даже те, которые движутся со скоростью света.

Чтобы объяснить ребенку действие Черной дыры, можно сравнить ее с пылесосом. Принцип действия примерно такой же, с единственным отличием в том, что Черные дыры используют не всасывание, а силу тяжести, чтобы притянуть к себе космические частицы.

Черные дыры являются одними из самых удивительных и в то же время пугающих объектов нашей Вселенной. Возникают они в тот момент, когда в звездах, имеющих огромную массу, заканчивается ядерное топливо. Ядерные реакции прекращаются и светила начинают остывать. Тело звезды сжимается под действием гравитации и постепенно она начинает притягивать к себе более мелкие объекты, трансформируясь в черную дыру.

Первые исследования

Изучать черные дыры светила науки начали не так давно, несмотря на то что основные концепции их существования были разработаны еще в прошлом столетии. Само понятие «черной дыры» было введено в 1967 году Дж. Уиллером, хотя вывод о том, что эти объекты неизбежно возникают при коллапсе массивных звезд, был сделан еще в 30-х годах прошлого столетия. Все, что внутри черной дыры - астероиды, свет, поглощенные ею кометы, - когда-то приблизилось слишком близко к границам этого загадочного объекта и не сумело их покинуть.

Границы черных дыр

Первая из границ черной дыры называется пределом статичности. Это граница области, попадая в которую посторонний объект уже не может находиться в состоянии покоя и начинает вращаться относительно черной дыры, чтобы удержаться от падения в нее. Вторая граница зовется горизонтом событий. Все, что внутри черной дыры, когда-то проходило ее внешнюю границу и двигалось по направлению к точке сингулярности. По мнению ученых, здесь вещество вливается в эту центральную точку, плотность которой стремится к значению бесконечности. Люди не могут знать, какие законы физики действуют внутри объектов с такой плотностью, и поэтому описать характеристики этого места невозможно. В буквальном смысле слова оно является «черной дырой» (или, быть может, «пробелом») в знаниях человечества об окружающем мире.

Строение черных дыр

Горизонтом событий называется неприступная граница черной дыры. Внутри этой границы находится зона, которую не могут покинуть даже объекты, скорость движения которых равна скорости света. Даже кванты самого света не могут покинуть горизонт событий. Находясь в этой точке, никакой предмет уже не может вырваться из черной дыры. О том, что внутри черной дыры, мы не можем узнать по определению - ведь в ее глубинах находится так называемая точка сингулярности, которая формируется за счет предельного сжатия вещества. Когда объект попадает внутрь горизонта событий, с этого момента он никогда не сможет вырваться снова из нее и стать видимым для наблюдателей. С другой стороны, те, кто находятся внутри черных дыр, не могут видеть ничего из происходящего снаружи.

Размер горизонта событий, окружающего этот загадочный космический объект, всегда прямо пропорционален массе самой дыры. Если ее масса будет удвоена, то вдвое больше станет и внешняя граница. Если бы ученые смогли найти способ, позволяющий превратить Землю в черную дыру, то размер горизонта событий составлял бы всего лишь 2 см в поперечном разрезе.

Основные категории

Как правило, масса среднестатистических черных дыр приблизительно равна трем солнечным массам и более. Из двух видов черных дыр выделяют звездные, а также сверхмассивные. Их масса превосходит массу Солнца в несколько сотен тысяч раз. Звездные образуются после смерти больших небесных светил. Черные дыры обычной массы появляются после завершения жизненного цикла больших звезд. Оба вида черных дыр, несмотря на различное происхождение, имеют сходные свойства. Сверхмассивные черные дыры расположены в центрах галактик. Ученые предполагают, что они сформировались во времена образования галактик за счет слияния плотно прилежащих друг к другу звезд. Однако это только догадки, не подтвержденные фактами.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины - переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Связь с теорией относительности

Черные дыры являются одним из самых удивительных предсказаний А. Эйнштейна. Известно, что сила тяготения, которая создается на поверхности любой планеты, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса и прямо пропорциональна ее массе. Для этого небесного тела можно определить понятие второй космической скорости, которая необходима, чтобы преодолеть эту силу тяготения. Для Земли она равна 11 км/сек. Если же масса небесного тела будет увеличиваться, а диаметр - наоборот, уменьшаться, то вторая космическая скорость со временем может превысить скорость света. И поскольку, согласно теории относительности, никакой объект не может двигаться быстрее скорости света, то образуется объект, не дающий ничему вырваться за его пределы.

В 1963 году учеными были обнаружены квазары - космические объекты, являющиеся гигантскими источниками радиоизлучения. Располагаются они очень далеко от нашей галактики - их удаленность составляет миллиарды световых лет от Земли. Чтобы объяснить чрезвычайно высокую активность квазаров, ученые ввели гипотезу о том, что внутри них располагаются черные дыры. Эта точка зрения сейчас является общепринятой в научных кругах. Исследования, которые проводились в течение последних 50 лет, не только подтвердили данную гипотезу, но и привели ученых к выводу о том, что черные дыры есть в центре каждой галактики. В центре нашей галактики также есть такой объект, его масса составляет 4 миллиона солнечных масс. Эта черная дыра носит название «Стрелец А», и поскольку она расположена ближе всего к нам, ее больше всего исследуют астрономы.

Излучение Хокинга

Этот тип излучения, открытый известным физиком Стивеном Хокингом, значительно усложняет жизнь современным ученым - ведь из-за этого открытия в теории черных дыр появилось немало трудностей. В классической физике существует понятие вакуума. Этим словом обозначается полная пустота и отсутствие материи. Однако с развитием квантовой физики понятие вакуума было видоизменено. Ученые выяснили, что он заполнен так называемыми виртуальными частицами - под воздействием сильного поля они могут превратиться в реальные. В 1974 году Хокинг выяснил, что подобные превращения могут происходить в сильном гравитационном поле черной дыры - возле ее внешней границы, горизонта событий. Такое рождение является парным - появляется частица и античастица. Как правило, античастица обречена на падение в черную дыру, а частица улетает. В результате ученые наблюдают некоторое излучение вокруг этих космических объектов. Оно и получило название излучения Хокинга.

В ходе этого излучения то вещество, что внутри черной дыры, медленно испаряется. Дыра теряет массу, при этом интенсивность излучения обратно пропорциональна величине квадрата ее массы. Интенсивность излучения Хокинга ничтожно мала по космическим меркам. Если предположить, что существует дыра массой в 10 солнц, и на нее не попадает ни свет, ни какие-либо материальные объекты, то даже в этом случае время ее распада будет чудовищно велико. Жизнь такой дыры будет превосходить все время существования нашей Вселенной на 65 порядков.

Вопрос о сохранении информации

Одной из основных проблем, которая появилась после открытия излучения Хокинга, является проблема потери информации. Связана она с вопросом, кажущимся на первый взгляд очень простым: что произойдет, когда черная дыра испарится полностью? Обе теории - как квантовая физика, так и классическая - имеют дело с описанием состояния системы. Обладая информацией о начальном состоянии системы, при помощи теории можно описать, каким образом она будет меняться.

При этом в процессе эволюции информация о начальном состоянии не теряется - действует своего рода закон о сохранении информации. Но если черная дыра испарится полностью, то наблюдатель теряет информацию о той части физического мира, который когда-то попал в дыру. Стивен Хокинг считал, что информация о начальном состоянии системы каким-то образом восстанавливается после того, как черная дыра испарилась полностью. Но трудность состоит в том, что по определению из черной дыры передача информации невозможна - ничто не может покинуть горизонт событий.

Что будет, если попадешь в черную дыру?

Считается, что если бы каким-либо невероятным способом человек мог попасть на поверхность черной дыры, то она сразу стала бы его затягивать в направлении себя. В конечном счете человек бы растянулся настолько, что превратился бы в поток субатомных частиц, движущихся по направлению к точке сингулярности. Доказать эту гипотезу, конечо же, невозможно, ведь ученые вряд ли когда-нибудь смогут узнать, что происходит внутри черных дыр. Сейчас некоторые физики заявляют, что если бы человек попал в черную дыру, то у него появился бы клон. Первая из его версий сразу же была бы уничтожена потоком раскаленных частиц излучения Хокинга, а вторая бы прошла через горизонт событий без возможности вернуться назад.

« Чёрные дыры » Вселенной.

«Черная дыры»

«Что там новенького в космосе? Чёрные дыры? Заглянуть в них не прочь не только астрономы, но и те, кто интересуется жизнью вселенной, в том числе и любопытные школьники», – так сказал доктор педагогических наук Е. Левитан.

В научно – популярной литературе, в статьях о Вселенной часто можно встретить термин «чёрная дыра». У Вас, впервые, прочитавшего это словосочетание, сразу возникает образ, скажем, отверстия в стене. Упоминание о дырах во Вселенных, первоначально также ассоциируется с неким отверстием в небесах. Так, что же такое чёрная дыра?

Чёрная дыра – это космический объект невероятной плотности, обладающий абсолютной гравитацией, такой, что любое космическое тело и даже само пространство и время, поглощаются ею, это своего рода конечная точка всего.

«Черная дыры» немного напоминают пылесос, который работает в космосе, но в отличие от пылесоса чёрные дыры не всасывают внутрь себя все находящиеся в зоне их воздействия объекты, а, используя свою силу тяжести, только притягивают всё вокруг. Это называется эффектом вакуума (отсутствие воздуха), который вы можете наблюдать и у себя дома в своей комнате. Когда при уборке комнаты включается пылесос, то можно наблюдать, как крошки, грязь и мелкие предметы начинают движение по направлению к пылесосу. У чёрной дыры сила всасывания не так велика, как у пылесоса, поэтому космические объекты не всасываются внутрь неё, а только притягиваются.

Что же делает чёрная дыра? Чёрные дыры управляют самой эволюцией Вселенной. Они на центральном месте, но их невозможно увидеть, можно обнаружить их признаки, хотя чёрные дыры обладают свойством разрушать, они также помогают строить галактики.

Как рождается чёрная дыра? Когда у большой звезды заканчивается топливо, она не может больше поддерживать свой вес. Давление от массивных слоёв водорода заставляет звезду сжиматься всё меньше и меньше. В конце концов, звезда станет меньше атома. Представьте себе на мгновение, что вся звезда раздавиться в точку, меньше атома.

Как может получиться что-то меньше, но сохранить тоже количество массы? На самом деле все очень просто. Возьмём губку, размером с бутылку, мы легко можем раздавить ее в руках. Но вот интересный момент. Если мы делаем что-то меньшее, сжимая ее, ее гравитация становится сильнее. Представим себе, если мы сжимаем звезду в размер атома, насколько мощным станет ее гравитация? Гравитация черной дыры настолько мощная, что поглощает все, даже свет, который проходит слишком близко. Совершенно верно, даже свет не может избежать черную дыру.

Строение чёрной дыры: Черные дыры состоят из трех основных частей). Внешний слой черной дыры называется внешним горизонтом событий. Внутри внешнего горизонта событий вы еще можете вырваться от гравитации черной дыры, потому что сила тяжести здесь не так сильна. Средний слой черной дыры называется внутренним горизонтом событий. Центр черной дыры называется Сингулярность. Это странное слово означает раздавленную звезду. Сингулярность, это место, где гравитация черной дыры самая сильная.

Что будет если в неё попасть? Здесь очень интересно. Для наблюдателя с Земли будет видно, как тот кто полетел к чёрной дыре, моментально в неё упал и исчез. А тот, кто к ней будет подлетать, будет медленно-медленно приближаться, часы будут всё медленнее идти, всё будет затормаживаться (это происходит потому, что чёрная дыра искривляет (нарушает) пространство (мир) вокруг себя.

Что считают учёные, относительно чёрных дыр? Некоторые учёные считают, что чёрные дыры являются воротами в параллельные вселенные, что вполне может быть.

Теперь понятно, что чёрная дыра – это совершенно загадочное явление в Космосе, о котором человечество не знает практически ничего. Поэтому любые новые сведения о них становятся сенсацией. А так как изучение чёрных дыр практически невозможно в космосе, то на Земле изучают их аналоги и создают модели.

Аналоги «чёрных дыр» на Земле .

- тела таких огромных масштабов, что человеку их трудно осознать. Но на Земле, оказывается, есть "миниатюрный" аналог этих . И эти аналоги недавно были обнаружены в южной части Атлантического океана

Аналог космического монстра создан в китайской лаборатории – он способен засасывать свет.

«Чёрные дыры» позволят создать солнечные батареи нового поколения, способные улавливать энергию светила гораздо эффективнее нынешних.

Модели «чёрных дыр».

Объеденив знания мировых ведущих физиков о чёрной дыре с передовыми визуальными эффектами, кинокартина «Интерстеллар» показала наиболее точную модель чёрной дыры в истории научной фантстики. Ведущие мировые ученые предложили использовать голливудский научно-фантастический фильм «Интерстеллар» в качестве учебного пособия для детей по черным дырам

Учёные провели опыты, смоделировав «в ванной» черные дыры с их горизонтом событий.

Рябь в потоке ведет себя почти так же, как световые волны в пространстве-времени. Вблизи камня поток становится неоднородным, рябь изгибается, а длины волн изменяются. То же самое происходит со светом в гравитационных полях звезд и планет. В некоторых случаях поток настолько быстр, что рябь не может распространяться против течения, словно свет, не способный выйти из черной дыры

Что общего у капли воды, чёрной дыры и атома? Группа британских ученых, возглавляемая профессором обратились к капле воды потому, что силы поверхностного натяжения, удерживающие ее в целости, можно использовать, как аналог других сил, действующих в других объектах, от атома до черной дыры.

Ещё одна интересная модель «чёрной дыры» была создана в Новосибирском планетарии. Одна из занимательных игр для детей. Очень интересно сравнить, с какой скоростью и как в дыру затягивает тяжёлые и лёгкие шарики. Дольше всего держится, естественно, тяжёлый.

Как наглядно показать и представить «чёрную дыру»?

Как же можно наглядно показать и представить «чёрную дыру», чтобы нам легче было понять её устройство.

Представим чёрную дыру в виде водопада, гравитацию в виде реки, текущей к водопаду, а луч света в виде байдарки. Выше от водопада течение слабое, человек в лодке может грести против течения и выбраться. Но чем ближе к водопаду, тем сильнее течение и тем труднее выбраться. Край водопада – это край чёрной дыры. Несмотря на всю силу человека в лодке, он падает. То же самое и в космосе.

Для наглядного представления «Чёрной дыры» возьмём большой кусок пищевой плёнки, растянем его в руках и положим в центр небольшой шарик, чтобы тот образовал прогиб из-за своего веса. Капнем несколько капель воды на лист и посмотрим, как они скатятся по плёнке прямо к шарику. Это покажет, как работает гравитация. Уберём шарик и пальцем потрогали плёнку и определим - чем сильнее её оттягивать (чем тяжелее объект), тем сильнее получается воронка. Затем сделаем дыру посередине плёнки, которая изображает очень и очень тяжёлый объект. Через это отверстие будут проскакивать капли воды. Выходит, что чёрная дыра - это настолько тяжёлый объект, что он искривляет пространство. Всё, что попадает в него (как капли), никогда не возвращается обратно».