УО МО «Каменский городской округ»
МОУ «Бродовская общеобразовательная школа»
Учебно-исследовательская работа по физике и астрономии
Исполнитель: Куликов Артём
Ученик 9 класса
Руководитель: Жданова Вера
Петровна
учитель физики, астрономии
I. категории
пгт. Мартюш
2010
Содержание
I. Введение………………………………………………………………………2
II. Основная часть: ……………………………………………………..............3
1) Чёрные дыры – что это такое……………………………………................3
1.1 Невидимые миру звёзды………………………………………..........3
1.2 Небесная механика чёрных дыр……………………………………4
1.3 «Чёрные дыры не имеют волос»……………………………………6
1.4 Бездонные чёрные дыры…………………………………………….7
1.5 За краем гравитационной бездны…………………………………..8
1.6 Размеры, температура чёрной дыры……………………………...11
2)Чудеса в небесах…………………………………………………………............11
2.1 Тунгусское чудо……………………………………………………………...11
2.2 Антигравитационные вихри……………………………………...............13
2.3 Отонные катастрофы самолётов………………………………………….16
2.4 Космонавтика и чёрные дыры…………………………………………….23
2.5 Морская мощь чёрных дыр………………………………………………..24
III. Заключение………………………………………………………………….27
I Введение
Каждый, конечно, слышал или читал о чёрных дырах. О них часто говорят в передачах по телевидению, по радио, пишут в газетах, в журналах и книгах разного жанра – от научных монографий до художественной и даже детской литературы. Откуда такая популярность?
Дело в том, что чёрные дыры – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов до химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ чёрной дыры, отделённой от остального пространства определённой границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мёртвой хваткой; дыры, искривляющие пространство и тормозящие время. Подобно единорогам и химерам, чёрная дыра кажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы чёрные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их» - так сказал о чёрных дырах американский физик К. Торн.
К этому следует добавить, что внутри чёрной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты.…Внутри чёрной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.
Чёрные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной.
Они возникают также после смерти больших звёзд. Возможно, чёрные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.
Я понял, что меня это очень интересует, но больше всего меня заинтересовала информация, которая рассказывает о влиянии «чёрных дыр» на землю. Поэтому тему своей работы я выбрал «Фантастические «чёрные дыры» - это миф или реальность». Чтобы раскрыть тему я поставил перед собой следующие задачи:
1. Выяснить, что такое «чёрная дыра»
2. Откуда во Вселенной появляются тела с огромной силой тяготения - «чёрные дыры»
3. Как можно преодолеть силу притяжения «чёрной дыры»
4. Какое влияние на Землю оказывают «чёрные дыры»
Чтобы реализовать поставленные перед собой задачи я посетил школьный информационный центр, районную библиотеку, имени Пушкина Г. К.-Уральского, интернет. Использовал информацию с фильмов ВВС, журналов по астрономии, энциклопедии.
I. Основная часть
1) Чёрные дыры – что это такое?
1.1 Невидимые миру звёзды. Чёрная дыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия чёрных дыр можно начать со времён И. Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения – закон, управляющий силой, действию которой подвержено абсолютно всё. Ни во времена И. Ньютона, ни сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. То, что свет притягивается массивными телами, предполагал ещё И. Ньютон. С этого факта, с понимания того. Что свет также подчинён силам тяготения, и начинается предыстория чёрных дыр, история предсказания их поразительных свойств.
Одним из первых это сделал знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова:
«Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не даёт ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».
Как рассуждал П. Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова подать к тяготеющему центру. В наше время космических полётов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Это понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается. А с ростом расстояния от центра оно ослабевает.
Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмём небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далёкого наблюдателя, и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!
Если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.
Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.
Это было блестящим предвидением одного из свойств чёрной дыры – не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным учёным и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа. Но предвидение П.Лапласа и Дж. Мичела ещё не было настоящим предсказанием чёрной дыры. Почему?
Дело в том, что во времена П. Лапласа ещё не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А. Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для П. Лапласа рассматриваемая им звезда была только чёрной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо «общаться» с внешним миром, что-либо «сообщать» далёким мирам о происходящих на ней событиях. Иными словами, он ещё не знал, что это не только «чёрная», но и «дыра», в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространства не может выйти свет, то, значит, и вообще не может выйти, и такой объект мы называем чёрной дырой.
Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гравитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона. А.Эйнштейн показал, что для таких полей теория тяготения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсильных, а также для быстроменяющихся полей (для которых Ньютоновская теория также неприменима), и назвал её общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользоваться для доказательства возможности существования чёрных дыр и для изучения их свойств.
1.2 Небесная механика чёрных дыр. Согласно Ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым – гиперболе или параболе, - либо по замкнутой кривой – эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У чёрной дыры на больших от неё расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы Ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к чёрной дыре они нарушаются всё больше и больше.
Познакомимся с некоторыми важнейшими особенностями движения тел в поле тяготения чёрной дыры.