Від атома до чорної чорної діри

Англійський фізик Стівен Хокінг, автор унікальної теорії чорних дір, представив нове пояснення парадоксу пов`язаного з їх існуванням і спростував деякі, зроблені раніше припущень. Виступаючи з доповіддю на науковій конференції в ірландському Дубліні, учений заявив, про те, що раніше помилявся, стверджуючи, що чорні діри поглинають все, що в них потрапляє. Тепер вчений упевнений: чорні діри мають властивість «випускати» інформацію.

Однією з головних загадок в сучасній астрофізиці залишається «Інформаційний парадокс чорних дірок», і нові дослідження професора Хокінга, ймовірно, допоможуть його усунути. Запропонована в 1975 році Хокінг теорія чорних дір, вважається одним з найбільших проривів в даній сфері.

Для початку необхідно зрозуміти, як з`являються чорні діри. У 1783 році англійський математик Мітчел, а в 1796 році незалежно від нього французький математик і астроном П`єр Симон Лаплас, розглянули умови, при наявності яких світ не здатний покинути зірку.

При проведенні дослідження логіка вчених була досить проста. Для кожної астрономічної об`єкта можна розрахувати другу космічну швидкість або швидкість втечі, що дозволяє будь-якій фізичній тілу або частці зовсім його покинути. Але у фізиці того часу панувала безроздільно теорія Ньютона, згідно з якою світ являє собою потік часток. Розрахувати швидкість тікання частинок і тіл можна виходячи з рівності кінетичної енергії об`єкта перемістилися на нескінченну відстань і потенційної енергії поверхні планети і кінетичної енергії тіла, «який утік» на нескінченно велику відстань.

Так зокрема вчені розрахували, що Сонце перетвориться в чорну діру, в тому випадку якщо стиснеться до радіуса не більше 3-х кілометрів. Щільність його речовини під час цього процесу досягне 1016 г / см3. Радіус нашої планети Землі, стислій до чорної діри, зменшиться до одного сантиметра.

Здається неймовірним, що в природі є сили, які здатні стиснути зірку до таких незначних розмірів. З урахуванням цього висновки з робіт Лапласа і Мітчела більш ста років називали математичним парадоксом, який не має фізичного сенсу і наукової логіки.

Реальне математичне доказ цього, було отримано лише в 1916 році. Німецький астроном і математик Карл Шварцшильда, провівши дослідження рівнянь теорії відносності Ейнштейна, отримав досить цікавий результат. Зробивши аналіз рух частинки потрапила в гравітаційне поле масивного об`єкта, він прийшов до висновку, що рівняння не має фізичного сенсу, так як його підсумкове рішення звертається в нескінченність.

Точки, в яких фізичні характеристики поля втрачають свій сенс, називаються сингулярними або особливими. Сингулярність в точці нуль відображає точкову центрально-симетричну структуру силового поля. А точки, що знаходяться на сферичної поверхні, утворюють ту саму поверхню, швидкість втечі з якої дорівнює швидкості світла. У теорії відносності вона називається горизонтом подій або сингулярной сферою Шварцшильда.

Вже на прикладі Землі і Сонця стає зрозуміло, що чорні діри є вельми дивними космічними об`єктами. Навіть астрономи, які мають справу з речовиною при особливих значеннях температури, тиску і щільності, вважають їх украй екзотичними, і довгий час далеко не всі вірили в реальність їх існування. Разом з тим перші вказівки на можливість появи чорних дір містилися в загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, створеної в далекому 1915 році. Англійський учений-астроном Артур Еддінгтон, став одним з перших популізаторов і інтерпретаторів теорії відносності, в середині 30-х років він вивів систему рівнянь, які описували внутрішню будову зірок. Висновком з рівнянь стало те, що зірка знаходиться в постійному рівновазі під дією різноспрямованих сил внутрішнього тиску і тяжіння, створюваного рухом частинок з яких складається гаряча плазма усередині космічного світила і напором випромінювання, яке утворюється в його надрах. А це вказує на те, що зірка є ні що інше як газова куля, в центрі якого величезна температура, поступово знижується до периферії. З рівнянь слід, що температура нашого Сонця становить більше 5500 градусів, а відповідно в його центрі повинна бути не менше 10 мільйонів градусів. Це дозволило фізику Еддінгтон зробити по-справжньому пророчий висновок: при подібній температурі дається поштовх термоядерна реакція, якої достатньо для забезпечення звичного нам світіння Сонця.

Необхідно визнати, що в кінцевому підсумку він мав рацію на сто відсотків: в центрі зірки в дійсності відбувається термоядерна реакція. Але, тим не менше, ядерна реакція в центрі зірки протікає, зірка світить, а випромінювання, що виникає при цьому, утримує її в стійкому стані. Але з часом ядерне «пальне» в світиться зірці вигорає. Виділення випромінює енергії припиняється, і сила, стримуюча стійке гравітаційне тяжіння, зникає. Є обмеження на масу загасаючої зірки, після якого вона починає необоротно стискатися. Математичні розрахунки показують, що цей процес починається, якщо маса зірки більше дві-три загальної маси Сонця.

Спочатку швидкість стиснення потухають зірки невелика, але темп безперервно зростає, враховуючи той факт, що сила тяжіння є обернено пропорційною квадрату відстані. Стиснення робиться незворотнім, сил, здатних протистояти самогравітаціі, не існує. Такий процес назвали гравітаційним колапсом. Швидкість наближення оболонки зірки безпосередньо до її центру збільшується і з часом, наближаючись до швидкості світла. Через деякий час, яке для людини величезне, але в космічному просторі мізерно з`являється нова чорна діра.

Раніше Стівен Хокінг стверджував, що чорна діра - це окремий космічний об`єкт, більшість фізичних властивостей якого, крім загальної маси, встановити практично неможливо. Професор заявляв, що після створення чорна діра миттєво починає втрачати масу і при цьому випускає випромінювання, яке носить випадковий характер і не передає інформації про фізичну вміст чорної діри.

Сьогодні, через три десятиліття, Стівен Хокінг прийшов до нового думку, що не все, що знаходиться в межах чорної діри, безповоротно втрачається для іншої всесвіту. Відповідно до чинних законів квантової фізики, яка надходить і передана інформація не може бути загублена повністю, вказує вчений. В середині 70-х він вважав, що дуже висока гравітація, якою володіє чорна діра, якимось чином призводить до порушення квантових законів.

Фізик стверджує, що розмірковував над цією проблемою протягом 30 років і тепер знайшов відповідь. Він прийшов до висновку, що космічні випромінювання Хокінга все-таки містять інформацію, і утворилася чорна діра, таким чином, не перешкоджає осягненню минулого і майбутнього.

Звичайно, нова теорія Хокінга позбавляє людство нехай фантастичною, але надії на те, що космічні чорні діри можуть з часом послужити для переміщення не тільки в просторі, але і в часі або стати перепусткою в інші світи і всесвіти.
«Мені шкода, що шанувальників наукової фантастики турбуватимуться. Але якщо ви потрапите в чорну дірку, енергія маси повернеться в наш всесвіт в дещо зміненій формі », - говорить Стівен Хокінг.

Можливо на те, що Хокінг змінив свою думку з приводу чорних дір, вплинуло проведення дослідів пов`язаних з прискоренням частинок, що дозволяє проникнути в саму таємницю походження реальності.

У сучасної фізики є перевірений засіб проникати в секрети атомного ядра - опромінити або обстріляти його частинками і постежити за тим, що відбувається процесом. Для самих перших експериментальних досліджень атома і його ядра було цілком достатньо енергії випромінювань, яка виникає при розпаді радіоактивних елементів в природному стані. Але незабаром цієї енергії стало недостатньо, і, щоб ще повніше пізнати сутність і «заглянути» в ядро, фізикам було задуматися над тим, як створити потік частинок володіють високою енергією штучно.

Відомо, що, знаходиться між електродами з протилежними зарядами, зарядженачастка, наприклад, протон або електрон, прискорює рух під впливом електричних сил. Це фізичне явище і породило в далекі 1930-ті роки ідею заснування лінійного прискорювача.

За запропонованою конструкції лінійний прискорювач був довгу і абсолютно пряму трубку-камеру всередині якої підтримується вакуум. Протягом по всій довжині камери розставлено безліч металевих трубок є електродами. Від спеціального генератора виробляє хвилі високої частоти на електроди направляється змінна електрична напруга таким чином, що, коли перший електрод стає зарядженим, припустимо позитивно, наступний електрод буде заряджений негативним зарядом. Далі чергування позитивний електрод, відразу за ним - негативний і т.д.

Пучок електронів вистрілюється за допомогою електронної «гармати» в вакуумну камеру і, потрапляючи під дію потенціалу першого, позитивного зарядженого електрода починає прискорюватися, просуваючись крізь нього далі. Слідом за цим фаза напруги живлення змінюється, і електрод, заряджений позитивно, стає в одну мить негативним. Тепер уже він виробляє відштовхування від себе електронів, як би підганяючи їх. А другий електрод, за цей час став позитивним, притягує електрони, ще більш прискорюючи їх. Після цього, коли електрон пролетить через нього, він знову стає негативним і підштовхне ярмо до третього електроду і процес триває до безкінечності.

У міру руху електрони поступово розганяються і вже до кінця камери досягають швидкості світла і набувають енергію в кілька сотень мільйонів електрон-вольт. Атоми і їх ядра знаходяться у встановленого в кінці труби віконця, непроникного для повітря і через нього порція прискорених електронів завдає удар по досліджуваних об`єктів мікросвіту.

Нескладно зрозуміти, що чим значніше енергія, яку ми можемо повідомити частинкам, тим довше повинна бути вакуумна труба лінійного прискорювача. Її довжина може обчислюватися десятками, а то й сотнями метрів. Але в реальності, це не завжди можливо. Ось згорнути трубу в окрему компактну спіраль, то такий прискорювач може розміститися в науковій лабораторії.

Впровадити подібну ідею в життя допомогло фізичне явище, а саме той факт, що потрапивши в магнітне поле зарядженачастка, починає рухатися не по прямій лінії, а «завивається» навколо потужних магнітних силових ліній. Таким чином, був створений такий тип прискорювача як циклотрон.

Основну частину циклотрона становить потужний електромагніт, і розташована між його полюсами плоска циліндрична камера, яка складається з металевих коробок, напівкруглої форми і розділених невеликим проміжком. Металеві коробки - дуанти - виконують функцію електродів і з`єднані з різними полюсами генератора подає змінну напругу. У центрі камери розташоване джерело заряджених частинок, подобу електронної «гармати».

Вилітаючи з джерела, частка відразу ж притягається до зарядженого негативно електроду. Усередині електрода немає електричного поля, тому частка пересувається в ньому за інерцією. Під потужним впливом магнітного поля, частка описує півколо і наближається до зазору між електродами. Протягом цього часу перший електрод набуває позитивний заряд і тепер виштовхує частку, в той же час інший втягує її в себе. Таким чином, переходячи від одного дуанта до іншого, частка набирає величезну швидкість і окреслює розкручується спіраль. На мішені, частинки з камери виводяться за допомогою спеціальних магнітів.

У міру того як сучасні фізики все глибше проходили в структуру ядра, з`явилася потреба в частинках володіють більш високою енергій. Сьогодні найпотужніший прискорювач частинок - коллайдер - знаходиться в США - «Теватрон». Свою назву він отримав за те, що в його кільці, довжина якого шість кілометрів за допомогою мегамощних надпровідних магнітів частки набувають енергію більш одного тераелектронвольт. Механізм взаємодії ядер з урахуванням таких великих енергій цікавий сам по собі, але набагато важливіше, що вперше в умовах лабораторії ми можемо досліджувати процес зародження нашого Всесвіту. За допомогою коллайдера в США проводяться експерименти з метою практичного відтворення в лабораторних умовах справжнісінького Великого вибуху, з якого, згідно припущення, почалася наша Всесвіт. У цьому по-справжньому сміливому експерименті брали активну участь фізики з двадцяти країн світу, серед яких були і росіяни.

Можливо завдяки дослідженням вчених фізиків, математиків, астрономів, хіміків, вже в найближчі роки ми дізнаємося, як стався СВІТ.

Що таке реальність

Реальність починається з атома і, досягаючи чорних дір, простягається до меж Всесвіту. Розуміння природи реальності веде вчених далеко за межі розуміється. Але будьте обережні. Як тільки ви ввійдете в їх реальність, ви ніколи не зможете дивитися на світ колишніми очима.