физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
10.9.5. Сингулярное состояние черных дыр Все вышерассмотренные заключения следуют из теории, пока не учитываются квантовые явления, протекающие в черной дыре.Допустим, что наблюдатель находится на поверхности звезды, испытывающей гравитационный коллапс. При приближении к источнику сильного гравитационного поля возникают приливные гравитационные силы, которые испытывает любое тело, имеющее конечные размеры. Это происходит из-за того, что сильные поля тяготения всегда неоднородны по составу и поэтому на различные точки таких тел действуют Волновая оптика 218 неодинаковые силы тяготения. В процессе падения противоборствующие силы давления вещества звезды уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей силе тяготения, поэтому поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, пересечет его и будет неудержимо продолжать сжиматься дальше. Так как процесс сжатия остановиться не может, то за короткий промежуток времени (по часам на поверхности звезды) звезда сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной, те. звезда достигает сингулярного состояния. При приближении к сингулярному состоянию приливные гравитационные силы также стремятся к бесконечности. Это значит, что любое тело будет разорвано приливными силами. Если тело находится под горизонтом, то избежать сингулярности невозможно. Для черной дыры, например, с массой в десять масс Солнца время падения в сингулярность составляет всего одну стотысячную долю секунды. Любые попытки вырваться из черной дыры приведут к уменьшению промежутка времени вхождения в сингулярное состояние. Чем меньше масса и размер черной дыры, тем больше приливные силы на ее горизонте. Например, для черной дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению 100 атм. В окрестности сингулярного состояния огромные приливные силы приводят к изменению физических свойств. Если переходить из внешнего пространства через поверхность горизонта внутрь черной дыры, тов формулах, описывающих четырехмерное пространство- время, координата времени заменяется радиальной пространственной координатой, те. время превращается в радиальное пространственное расстояние, а это расстояние и есть время. Расстояние от горизонта до центра черной дыры, конечно, значит, и промежуток времени, в течение которого могут существовать тела внутри черной дыры, конечен. Например, для черной дыры с массой в 10 масс Солнца он составляет t 10 4 с. Внутри черной дыры к сингулярности сходятся все стрелы времени, и любое тело будет разрушено, а пространство и время распадаются на кванты. Так, квант времени характеризуется величиной t pl 10 44 с, а планковская длина кванта pl 10 33 см. Следовательно, непрерывный поток времени в сингулярности состоит из квантов времени, подобно тому, как поток воды в струе при ее прохождении через сито разбивается на мельчайшие капельки. В связи с этим не имеет смысла спрашивать, что будет потом. Понятия "раньше" и "позже" полностью теряют смысл квант времени разделить на еще меньшие части принципиально невозможно, как нельзя, например, разделить на части фотон. При переходе к квантовым процессам все в большей степени проявляется связь энергии и времени. Однако в дальнейшем при описании процессов не обойтись без понятия физического вакуума и его квантовых свойств. Согласно современным представлениям вакуум не является пустотой, а представляет собой "море" всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы. Этот вакуум "кипит, непрерывно порождая на короткое время пары Волновая оптика 219 виртуальных частиц и античастиц, которые мгновенно исчезают. В реальные частицы и античастицы они превратиться не могут. В соответствии с соотношением неопределенностей Гейзенберга, произведение времени жизни t виртуальной пары частиц на их энергию W порядка постоянной Планка h. Если жена физический вакуум наложить какое-либо сильное поле (например, электрическое, магнитное и т.д.), то под воздействием его энергии некоторые виртуальные частицы могут стать реальными, те. в сильном поле происходит рождение реальных частиц из физического вакуума за счет энергии этого поля. Например, в сильном электрическом поле из вакуума рождаются электроны и позитроны. При изучении свойств физического вакуума около вращающейся черной дыры теоретически доказано, что должно происходить рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения. Так как виртуальные частицы и античастицы рождаются в вакууме на некотором расстоянии друг от друга, тов случае наличия вихревого поля тяготения черной дыры частица может родиться вне горизонта, а ее античастица под горизонтом. Это означает, что частица может улететь в космическое пространство, античастица же упадет в черную дыру. Следовательно, они уже никогда не могут вновь соединиться и аннигилировать. Поэтому в пространстве возникнет поток частиц, излученный черной дырой, который уносит с собой часть ее энергии. Это приведет к уменьшению массы и размеров черной дыры. Такой процесс излучения подобен тому, когда поверхность тела нагрета до определенной температуры. Так, для черной дыры в 10 масс Солнца температура составляет 10 8 К. Чем, больше масса черной дыры, тем меньше ее температура, и, наоборот, чем меньше масса, тем выше температура. Так, черная дыра с массой m 10 12 кг и размером в атомное ядро будет иметь мощность квантового испарения 10 10 Вт на протяжении 10 10 лет при температуре T 10 11 К. Когда масса черной дыры уменьшится до m 10 6 кг, а температура достигнет Т 10 15 К, процесс излучения приведет к взрыву и за 0,1 с выделится количество энергии, сравнимой со взрывом 10 6 мегатонных водородных бомб. Такие черные мини-дыры могли возникнуть в самом начале расширения Вселенной 15 10 9 лет, когда все вещество еще находилось в состоянии космологической сингулярности с огромной плотностью 10 94 г/см 3 и никакого дополнительного сжатия некоторой массы сверхгорячей плазмы до размеров гравитационного радиуса не требовалось. Таким образом, в природе, возможно, есть черные мини-дыры ранней Вселенной, массивные черные дыры звездного происхождения и сверхмассивные - в ядрах галактик. Основная масса звезд Галактик сосредоточена в ее ядре. Из-за существования сверхсильного гравитационного поля ядро галактики неустойчиво, т.к. находится в сингулярном состоянии. Не являются ли квазары - звездоподобные объекты - ядрами галактик, испытавших космологический взрыв. Волновая оптика 220 10.10. Космологическая сингулярность Новый этап в развитии современной космологии наступил после работ Фридмана (1922 г. Используя релятивистскую теорию тяготения Эйнштейна он получил математическую модель движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое, те. Вселенная нестационарная она должна либо сжиматься, либо расширяться. Из теории Фридмана следует, что наша Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности. В 1948 г. Гамов, Альфер и Херман предложили вариант возникновения горячей Вселенной как результат "Большого Взрыва" вещества. Основная идея гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы процессы протекания термоядерных реакций в самом начале расширения Вселенной после взрыва и по мере дальнейшей ее эволюции привели к наблюдаемому в космосе в настоящее время соотношению между количеством различных химических элементов и их изотопов. Наблюдения за различными объектами Вселенной горячими звездами, большими газовыми туманностями, гигантскими молекулярными облаками, Солнцем, космическими лучами, квазарами, галактиками и т.д. показазали, что в них, по массе, обнаруживается 25 - 27% гелия, 70 - 72% водорода и малая примесь остальных химических элементов, доля которых меняется от объекта к объекту, а содержание гелия и водорода постоянно. Но до образования небесных тел (галактик, звезд и т.д.) вещество Вселенной однородно все четыре силовых взаимодействий представляет одно "суперобъединение" при температуре T 10 32 К) и никаких перепадов давления не имелось, следовательно, не было и силы, в результате которой и началось стремительное расширение. Особую роль при этом сыграл физический вакуум. Причем он в зависимости от условий может быть разным. В нем вместе с плотностью энергии (из-за взаимодействия виртуальных частиц) одновременно возникают натяжения (подобно силам натяжения, возникающим при растяжении, например металлического стержня. Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению, те. как бы возникает отрицательное давление. В обычных средах натяжения и давления составляют малую долю полной плотности энергии. В физическом вакууме отрицательное давление огромно и по абсолютной величине равно плотности энергии. По мере расширения Вселенной (происходит понижение температуры) симметрия между электромагнитными слабым взаимодействием нарушается. Как известно, слабое взаимодействие связывают с наличием особых зарядов отличных от электрических зарядов, между которыми осуществляется электромагнитное взаимодействие с помощью фотонов) и это взаимодействие происходит на очень малых расстояниях. Это связано, прежде всего, с большой массой переносчиков слабого взаимодействия W + , W и Z o - бозонов. Волновая оптика 221 Однако при температуре выше T 10 15 К, как показывает расчет, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами. Его переносчики W + , W и Z o - бозоны и -фотоны имеются в изобилии и не обладают массой. Нет массы у кварков и лептонов. Спустя несколько минут после расширения Вселенной температура упала до 10 9 К. При таких температурах уже стало возможным соединение протонов и нейтронов с образованием ядер дейтерия, которые в результате термоядерных реакций приводили к образованию ядер атомов гелия. Но из-за продолжающегося расширения Вселенной и снижения температуры термоядерные реакции ранней Вселенной прекращались. За 5 минут успело образоваться около 25% гелия, а 75% составлял водород. Действительно многочисленные наблюдения показали, что первое поколение звезд во Вселенной имело именно такой процентный состав. Ядра атомов более тяжелых элементов появились во Вселенной много миллиардов лет позже в результате ядерных реакций в недрах звезд. Все активные процессы с участием элементарных частиц закончились, и наступил длительный период относительно спокойного расширения Вселенной. Расширяющееся вещество представляло собой высокотемпературную, ионизированную плазму, непрозрачную для излучения фотонов, которое и определяло в тот момент силу давления. В этой смеси плазмы и излучения имелись небольшие колебания плотности вещества - звуковые волны. По истечении 3 10 5 лет фотонной эры, за счет продолжающегося расширения Вселенной, плазма остыла до 4 10 3 К и превратилась в нейтральный газ в процессе захвата ядрами атомов свободных электронов. Этот газ стал прозрачным для фотонов, которые получили (открыты в 1965 г) название реликтового излучения. В настоящее время энергия реликтовых фотонов уменьшилась, а температура фотонного излучения составляет всего 3 - 5 К. Реликтовое излучение представляет собой слабый радиошум, приходящий из космоса независимо от направления приемной антенны. Число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом 1 см Вселенной, 500, а их плотность энергии 5 10 13 эрг/cм 3 Из-за отсутствия давления излучения упругость нейтрального газа резко упала и стало возможным проявление гравитационной неустойчивости, которая привела к образованию достаточно больших по размеру сгущений газа. Вследствие уплотнения звуковых колебаний при распространении их в этих комках газа, силы тяготения начинают увеличиваться, что и приводит к образованию массивных облаков, эволюционирующих в дальнейшем в сверхскопления галактик, скопления галактики галактики. Все что наблюдается сегодня в космосе - проявление космологической сингулярности. В настоящее время считается, что никакого предварительного сжатия перед космологической сингулярностью не было, она стала истоком времени, а Волновая оптика 222 сингулярность внутри черной дыры является концом ручейков реки времени. Поэтому в космологической сингулярности время и пространство также распадаются на кванты. В связи с этим теряет смысл сам вопроса что было еще раньше Можно только отметить, что вблизи сингулярности в масштабах квантов времени и пространства, существовала "пена" этих квантов, те. наблюдались квантовые флуктуации пространства и времени. В это время рождаются и тут же исчезают небольшие "виртуальные" замкнутые миры и виртуальные черные, и белые дыры. Столь малые размеры при больших энергиях кипящей "пены, обусловили возможность существования не трех, а более измерений. Однако эти дополнительные измерения остаются скрученными и не реализуются, а остаются только три пространственных измерения, которые при расширении вещества приводят к современному состоянию Вселенной. Следовательно, время в сингулярности в корне меняет свои квантовые свойства и начало расширения Вселенной является истоком нашего непрерывного потока времени, которое течет водном направлении от прошлого к будущему. Известно, что космологическая сингулярность произошла 15 - 20 млрд. лет назад. За это время, свет вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения, успеет пройти конечное расстояние во Вселенной 15-20 млрд. световых лет или около 6 10 15 пк. Поэтому точки пространства Вселенной, лежащие от нас на таких расстояниях, называют горизонтом видимости. Следовательно, те области пространства, которые лежат за горизонтом видимости, сегодня принципиально не наблюдаемы, а вблизи горизонта видимости мы можем наблюдать вещество из далекого прошлого. Из-за эффекта Доплера красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект приближается к горизонту видимости. А на самом горизонте - оно бесконечно, поэтому мы можем видеть лишь конечное число звезд и галактик во Вселенной. В связи с этим решается парадокс классической космологии фотометрический, который заключается в следующем. Так как Вселенная бесконечна, она заполнена бесконечным числом звезд и луч зрения рано или поздно встретит светящуюся звезду. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или поверхность других звезд. В действительности из-за наличия горизонта видимости мы видим конечное число звезд, которые редко разбросаны в пространстве. Наше ночное небо представляется темным в нем видны хаотично разбросанные светящиеся точки звезд. Подтверждением горячего начала возникновения нашей Вселенной являются результаты наблюдений за объектами космического пространства. К ним относятся, например, наличие реликтового излучения, наличие 25 - 30% гелия в составе дозвездного вещества ранней Вселенной. Волновая оптика 223 10.11. Поляризация времени Мы живем в мире, в котором время является лишь одномерными однонаправленным оно течет от прошлого через настоящее к будущему. Время выстроилось в три стрелы психологическую, термодинамическую и космологическую. На современном этапе все они направлены в одну сторону. Однако в сверхсильных гравитационных полях или в состоянии сингулярности не происходит разрыва связи времени просто оно распадается на кванты времени, те. на миллиарды миллиардов квантовых ручейков или квантовых капель. Разрыва времени не происходит, а происходит его квантовое изменение. Реальное время двумерно. Его можно изобразить векторами на плоскости, а мы видим лишь его проекции на одну ось. Во Вселенной не существует одновременности. Любое реальное тело в мире разновременно. Любой процесс, протекающий как бы мгновенно, есть лишь равнодействующая бесконечно разных, бесконечно далеких одна от другой эпох, скрещенных вмиг в данной точке тела. Каждый объект (человек) существует в своем индивидуальном времени. Но изолированных объектов нет, все тела взаимодействуют со своим окружением (оно бесконечно атом с атомом, звезда со звездой, галактика с галактикой и т.д. Эта связь реальна, но одновременна ли она Мы видим ближайшую звезду Проксиму из созвездие -Центавра, какой она была 4,3 световых года назад. Луч от нашего Солнца идет к Земле 8,3 минуты. Удаленные галактики видятся нам такими, какими они были миллиарды лет назад. Горизонт видимости нашей Вселенной 10 10 световых лет. Следовательно, Вселенная в любой точке пространства в любые мгновения разновременна. Реальной одновременности не существует. Одновременная разновременность - реальный физический процесс, который определяет всю структуру мироздания, взаимодействие всех материальных объектов Вселенной пыли, газа, частиц, фотонов, гравитационных волн и т.д. Одно приходит из прошлого вчера, другое из прошлого миллиарды лет назад, а в сумме их действие в любом месте мгновенно. В ответ каждый объект на воздействие этих разновременных сил отвечает своим воздействием, но и оно достигает его соседей не одновременно. Таки образом, действующее время любой точки Вселенной - равновесие всех прошедших эпох, вся безмерная громада миллиардолетий, сведенная водно мгновение. Следовательно, настоящее никогда не теряется в бездне прошлого и реально существует в далеком будущем. Для выхода из однолинейности времени возможен переход в двухмерное время, те. существует перпендикулярное время - в итоге произойдет поляризация времени. В результате оно будет течь по замкнутой криволинейной траектории, например, по окружности. В этом случае не происходит разрыва времени, а наблюдается переход в соседнее время, в иное время, не оторванное от своего, а только искривленное. В каждый момент мы движемся вперед в сторону будущего, а в сумме все больше и больше отклоняемся от него. В какой-то точке, продолжая двигаться вперед, мы расстаемся со своим будущим, не пересекая нуля времени, и Волновая оптика 224 начинаем движение к своему прошлому, которое теперь и является нашим будущим. Происходит движение по кольцу времени. Если создать генератор фазового времени - сингулятор времени, который бы позволил сжимать и растягивать время, менять знак течения времени, а также искривлять его, те. использовать его поляризацию, то можно было бы вернуться в любую эпоху прошлого или попасть в будущее. |