Автор работы: Пользователь скрыл имя, 19 Марта 2012 в 17:19, реферат
Среди великого разнообразия небесных тел особое место занимает класс объектов, называемых чёрными дырами (ЧД). Их поле тяготения столь велико, что никакая частица, включая частицу (квант) света, не может вырваться изнутри такого объекта и уйти на бесконечность. Поэтому его поверхность действует как своего рода клапан, пропускающий вещество лишь в одну сторону — внутрь ЧД
Число комплексий N определяет по существу степень неполноты сведений о микроструктуре системы при заданном наборе указанных макроскопических параметров. Более удобный мерой такой неполноты информации о системе служит уже упомянутая выше энтропия системы, определяемая количественно соотношением
S = k lnN (7)
и измеряемая в единицах постоянной Больцмана. Это информационное толкование энтропии.
Чтобы дать такому толкованию количественную формулировку, необходимо ввести следующее простейшее определение изменения количества информации ΔI в результате некоторого процесса. Если до его начала имелось P равновероятных ответов на некоторый вопрос о рассматриваемой системе, ни один из которых нельзя было предпочесть другому, а по окончании процесса число таких ответов стало p, то изменение информации о системе имеет вид ΔI = k ln(P/p).
Если P > p, то имеется прирост информации, ΔI > 0, тo есть сведения о системе стали более определёнными, а в обратном случае — её убыль.
Приложим такое определение к рассмотренному процессу перехода системы в термодинамически равновесное состояние. Вначале система была чисто динамической, её энтропия равнялась нулю и был единственный ответ на вопрос о микросостоянии системы: P = 1. В конце энтропия системы увеличилась на величину ΔS, а число ответов на поставленный вопрос выросло до p = N. Поэтому убыль информации после термализации ΔI = –k lnN, и основное соотношение информационного подхода (см. (7)) имеет вид
ΔS = –ΔI, (8)
то есть уменьшение количества информации о системе равно приросту её энтропии и обратно. Важно, что при выводе формулы (8) не использован никакой конкретный механизм потери информации, что побуждает считать это соотношение универсальным.
Простой пример необратимого расширения на весь объём газа, первоначально сосредоточенного в половине объёма, проиллюстрирует соотношение (8) (рис. 3). Очевидно, что число равновероятных ответов на вопрос о поперечной по отношению к заслонке координате молекулы газа увеличивается вдвое после поднятия заслонки. Соответствующая убыль информации равна k ln2 , что в соответствии с (8) точно равно известному из термодинамики выражению для приходящегося на одну молекулу прироста энтропии в рассматриваемом процессе.
Из соотношения (8) следует, что невозможно нарушить второе начало термодинамики, то есть уменьшить энтропию замкнутой системы путём увеличения объёма информации о ней. За получение информации надо платить определённую цену, в том числе энтропийную, поскольку сам этот процесс необратим. Так, например, при определении координаты молекулы газа путём её освещения придётся считаться с тем, что рассеянный молекулой свет в конце концов диссипирует, поглотится системой, повысив её энтропию на величину, не меньшую выигрыша за счёт соотношения (8). Самое большее, чего можно достичь, это перераспределить энтропию (степень хаотичности)
В информационном подходе к процессу образования чёрных дыр ситуация очень близка к рассмотренному примеру термализации сгустка(от несущественной разницы — возможности ненулевой температуры у предшественника чёрной дыры — можно отвлечься). В случае чёрной дыры был доступен огромный объём информации о микросостоянии её предшественника, забытый в процессе коллапса. Образовавшаяся чёрная дыра помнит лишь малое число наблюдаемых параметров. Поэтому применительно к образованию чёрной дыры можно повторить почти всё сказанное. То, что у чёрной дыры отличная от нуля энтропия, нужно считать естественным и неизбежным.
Остаётся количественная проблема доказательства совпадения информационной (см. (7) или (8)) и термодинамической (см. (6)) формул для энтропии. Для этого нужно выявить те микросостояния, информации о которых лишён внешний наблюдатель. Этот вопрос оказался далеко не простым, и поэтому решение обсуждаемой проблемы затянулось на долгие годы. Уже из факта необратимости процесса образования чёрной дыры звёздной массы следует, что эти микросостояния не связаны со степенями свободы предшественника чёрной дыры. Такое решение было предложено лишь в самое последнее время. Исследования российских теоретиков И.Д. Новикова и В.П. Фролова показали, что микросостояния, играющие роль комплексий Больцмана, связаны с компонентами пар, которые рождены около горизонта событий (рис. 1), падающими внутрь чёрной дыры. Подсчёт их вклада в энтропию чёрной дыры ведёт к формуле (5).
Утверждение об универсальной связи (8) изменений энтропии и информации можно подкрепить двумя примерами, предложенными канадским физиком У. Унру. Эти примеры не относятся к физике чёрных дыр. Первый из них можно считать газодинамическим аналогом чёрной дыры. Рассмотрим объём газа под высоким давлением, окружённый звукопоглощающей стенкой с отверстием, сквозь которое вырывается газ со сверхзвуковой скоростью, приобретаемой, например, при протекании через сопло Лаваля (рис. 4).
В рамках гидродинамики (от оптических явлений мы отвлекаемся) срез сопла можно считать горизонтом событий: никакой звуковой сигнал не может проникнуть снаружи внутрь объёма. Согласно информационному подходу такая система должна обладать запасом энтропии. И действительно, квантовый расчёт звукового поля около отверстия показывает, что оно служит источником фотонов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия с некоторой отличной от нуля температурой.
Второй пример более сложен. Хорошо известно, что явления в поле тяготения и в ускоренной системе отсчёта имеют очень близкую и глубокую аналогию, которая подсказала А. Эйнштейну путь к созданию общей теории относительности. Проявлением такой аналогии служит, например, невесомость в орбитальном полёте: тяготение и центробежная сила точно компенсируют друг друга. Поэтому можно ожидать, что силу тяготения как причину эффекта Хокинга можно заменить переходом к ускоренной системе отсчёта, движущейся с ускорением a. Расчёт показывает, что равномерно ускоренный в вакууме наблюдатель увидит тепловое излучение, отвечающее температуре kT ha.
В рассматриваемом случае имеется горизонт событий: существует область пространства-времени,
Существование чёрных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями (см. статью А.М. Черепащука „Чёрные дыры в двойных системах“). Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то роль чёрных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что ещё не открытые первичные чёрные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.
Однако уже сейчас можно говорить и о совсем иной, общефизической, роли чёрных дыр, обогативших наши общие представления о неорганическом мире. Появление чёрных дыр как продукта теоретической мысли подняло на новый уровень наше понимание теплоты.С XVIII-XIX века — времени победы кинетической теории над теорией теплорода — наука знала единственный механизм появления тепла — хаотизацию движения частиц, обладающих запасом кинетической энергии. Такой механизм проявляется при трении двух кусков дерева, с помощью чего наши предки добывали огонь, и при химических и ядерных реакциях. С наиболее общей, информационной точки зрения появление тепла во всех таких случаях отвечает утрате микроскопической информации о состоянии частиц горячего тела.
Физика чёрных дыр указала новый механизм возникновения тепла, когда информация о внутреннем состоянии чёрной дыры „отсекается“ от наблюдателя мощными силами тяготения (а сам этот объект может быть уподоблен „чёрному ящику“ — так в кибернетике называют устройство с неизвестной внутренней структурой). Этот новый механизм действует по схеме:
чёрная дыра → чёрный ящик → чёрное тело
а также имеет дело с хаосом, которому отвечает равновероятность (с точки зрения внешнего наблюдателя) различны
… (долгоживущие) 1 Физический вакуум — не пустота, он заполнен всевозможными частицами(в том числе квантами света), находящимися в особом — виртуальном — состоянии, которое характеризуется коротким временем существования частицы из-за недостаточной величины её энергии. Настоящих — реальных — частиц в вакууме нет по самому определению этого понятия.
… мире 2 Совершенно иначе обстоит дело не для внешнего наблюдателя, покоящегося на бесконечности, а для наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру. Его физический мир покрывает всё пространство, в том числе и внутренность чёрной дыры, и для него нет ни горизонта событий, ни самого эффекта Хокинга.
Бе́лая дыра́ — гипотетический физичес
Теоретически предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества чёрной дыры, находящейся в другом времени.
На сегодняшний день неизвестны физические объекты, которые можно достоверно считать белыми дырами, также нет теоретических предпосылок по методам их поиска (в отличие от чёрных дыр, которые должны находиться, например, в центрах крупных спиральных галактик).
Израильские астрономы Алон Реттер и Шломо Хеллер предполагают, что аномальный гамма-всплеск GRB 060614, который произошёл в 2006 году, был «белой дырой»[
Самой большой космической загадкой нашего времени считается явление, получившее кодовое название GRB 060614, которое было зафиксировано гамма-обсерваторией Swift 14 июня 2006 года в созвездии Индеец, на расстоянии 1,6 млн. световых лет от нашей планеты. Оно заключалось в серии мощных рентгеновских вспышек, источник которых ученые так и не смогли установить. Но на днях была выдвинута практически фантастическая теория, из которой следует, что причиной могло быть «схлопывание» гигантской белой дыры, которая является полной противоположностью черной: она не поглощает материю, а исторгает ее из себя в огромных количествах до того момента, пока окончательно не «схлопнется», оповестив при этом Вселенную о своей гибели мощным гамма всплеском. Спросите и в чем же тут фантастика? Дело в том, что учеными так и не было обнаружено ни одной белой дыры, и вообще, их существование находится под большим вопросом. Рентгеновские вспышки, или иначе гамма всплески (gamma-ray bursts – GRB) не относятся к разряду рядовых космических явлений. Первая подобная вспышка была зафиксирована в 1971 году, хотя ученые знали об их существовании задолго до этого. Эти вспышки классифицируют и делят на два вида – короткие-импульсные и долгие. Продолжительность первых – от ничтожных долей секунды до нескольких секунд. Время жизни вторых может растянуться на десятки секунд, а иногда и на несколько часов. Ученые досконально изучили эти загадочные космические явления и пришли к выводу, что короткие-импульсные вспышки возникают при столкновениях нейтронных звезд, которые сливаются воедино и в последствии образуют черную дыру. Природа возникновения долгих рентгеновских вспышек остается для ученых загадкой. Основная и единственная теория заключается в том, что это космическое явление является результатом «схлопывания» массивных звезд, которое, как мы все знаем, в большинстве случаев заканчивается образованием новой черной дыры. Эти космические явления фиксируются при помощи космической обсерватории «Стриж» (Swift) и телескопа «Хаббл» (Hubble), благодаря которым ученые выяснили, что длинные вспышки, в отличие от коротких, нередко возникают и в межзвездном пространстве, из чего следует, что «схлопывание» звезд не является единственной причиной их появления. Вспышку, полыхнувшую пять лет назад в созвездии Индейца, нельзя причислить ни к одному из известных видов. Дело в том, что она сопровождалась двумя всплесками: первый короткий – 5 секунд и сразу за ним длинный – 97 секунд. Вспышкам было дано кодовое название GRB 060614. Первоначально ученые сошлись во мнении, что причиной их возникновения стало рождение сверхновой звезды. Впоследствии эта теория не подтвердилось, т.к. на месте их возникновения не было обнаружено ровным счетом ничего. Можно предположить, что не вдалеке друг от друга произошло сразу два события Вселенского масштаба: сначала столкнулись две нейтронные звезды, а вслед за этим, буквально через несколько секунд «схлопнулась» массивная звезда. Но это всего лишь теория, которая не имеет под собой никакой основы, признаются ученые. На данный момент явление под кодовым именем GRB 060614 является загадкой, ответ на которую не знает никто. Или все-таки знает? Так, совсем недавно, никому неизвестные израильские астрономы Алон Реттер (Alon Retter) и Шломо Хеллер (Shlomo Heller) из Пенсильванского государственного университета выдвинули теорию, из которой следует, что «схлопывание» белых дыр, существование которых, кстати, до сих пор находится под большим вопросом, сопровождается серией рентгеновских вспышек, как коротких-импульсных, так и длинных. Материя, как и энергия не может исчезнуть бесследно, исходя из этого, появилась теория, утверждающая, что любая черная дыра оканчивается разрывом в пространстве и времени – белой дырой, исторгающей из себя материю, поглощенной черной. Т.о. черная и белая дыры образуют своеобразный туннель во времени, соединяющий отдаленные участки космического пространства. Многие авторитетные ученые убеждены, что в скором времени человечество сможет не только перемещаться по естественным туннелям черных дыр, но и создавать их. Реттер и его коллега утверждают, что белые дыры появляются лишь на доли секунды. За это время они успевают выбросить в космос огромное количество материи, после чего «схлопываются » со вспышкой. По их мнению, этот процесс напоминает миниатюрный аналог Большого взрыва, в результате которого появилась Вселенная. “Вполне возможно, что вся наша Вселенная – это результат схлопывания гигантской белой дыры, на другом конце которой находилась черная дыра, поглотившая все сущее нашего времени”, – говорит Алон Реттер. Интересный факт! В 1986 году известный американский астроном по фамилии Харрис пытался убедить все ученое сообщество, что гамма-вспышки – это выхлопы из двигателей инопланетных звездолетов, работающих на антиматерии и даже приводил вполне весомые доводы. Харрис пытался найти связь между разрозненными рентгеновскими вспышками, которые даже сложились в траектории, сходившиеся в одной точке – инопланетной базе! Всего ученый насчитал 134 таких траектории и сделал вывод, что движение во вселенной довольно таки оживленное. Однако, коллеги подняли Харриса на смех и тот забросил свои исследования. Источник: kosmos.of.by