Аккустические черные дыры

Вс, 03/23/2014 - 15:00


Одна из загадок современной физики связана с известным предсказанием Стивена Хокинга о том, что черные дыры испускают излучение.

Сопло Лаваля, располагающееся в дюзах ракет, представляет собой аналог черной дыры.

-

В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.

Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях. В поисках новых идей некоторые теоретики обратились к физике конденсированных сред, т.е. к изучению обычных веществ в кристаллическом и жидком состояниях.

Конденсированное вещество похоже на континуум пространства-времени, но имеет четкую микроскопическую структуру, подчиняющуюся квантовой механике. Кроме того, распространение звука в неоднородном потоке жидкости напоминает распространение света в искривленном пространстве-времени. Изучая модели черных дыр с помощью звуковых волн, мы с коллегами пытаемся разобраться в микроскопическом поведении пространства-времени. В таком аспекте оно, вопреки предположению Эйнштейна, подобно материальной жидкости, имеет зернистую структуру и задает абсолютную систему координат, наличие которой проявляется лишь в мельчайших масштабах.

В 1970-х гг. Стивен Хокинг предположил, что черные дыры испускают квантовое тепловое излучение. Но, согласно теории относительности, волны, излучаемые с горизонта событий, должны растягиваться до бесконечной длины. Поэтому излучение Хокинга должно возникать в бесконечно малой области пространства, где действуют неизвестные законы квантовой гравитации.
В поисках решения этой проблемы физики занялись изучением аналогов черных дыр в жидкостях. Молекулярная структура жидкости препятствует бесконечному удлинению волн и позволяет заменить тайны пространства-времени в микроскопических масштабах известной физикой.
Акустическая аналогия придает заключению Хокинга правдоподобность и заставляет предполагать, что, вопреки стандартной теории относительности, пространство-время имеет «молекулярную» структуру.

Черные дыры и раскаленные угли

Черные дыры — главный полигон для проверки теории квантовой гравитации, потому что для их описания критически важны как квантовая механика, так и общая теория относительности. Наиболее серьезный шаг к слиянию двух теорий был сделан в 1974 г., когда Стивен Хокинг из Кембриджского университета использовал квантовую механику для исследования горизонта событий.

Согласно общей теории относительности, горизонт событий — это гипотетическая граница внутренней части черной дыры, откуда чудовищное тяготение не выпускает даже свет. Падающий в черную дыру путешественник при пересечении горизонта событий не заметит ничего особенного.

Однако, миновав эту границу, он уже никогда не сможет послать наружу радиосигнал, не говоря уже о том, чтобы вернуться. Внешний наблюдатель получит только сигналы, переданные путешественником до пересечения горизонта. Световые волны, выходящие из гравитационного колодца вокруг черной дыры, растягиваются, смещаясь вниз по частоте. Следовательно, внешнему наблюдателю будет казаться, что путешественник движется замедленно и выглядит краснее, чем обычно.
Описанный эффект называется гравитационным красным смещением и наблюдается вблизи любого массивного объекта. Например, тяготение Земли изменяет частоту и время прихода сигналов, которыми обмениваются орбитальные спутники и наземные станции навигационной системы GPS. Однако вблизи горизонта событий красное смещение становится бесконечным. С точки зрения внешнего наблюдателя, спуск в черную дыру длится бесконечно, хотя для погружающихся в нее путешественников он занимает конечное время.

Говоря о черных дырах, мы рассматривали свет как классическую электромагнитную волну. Хокинг же проанализировал феномен бесконечного красного смещения с учетом квантовой природы света. Квантовая механика гласит, что даже абсолютный вакуум в действительности не пуст: согласно принципу неопределенности Гейзенберга, он заполнен флуктуациями в виде пар виртуальных фотонов. Виртуальными их называют потому, что в неискривленном пространстве-времени, вдали от гравитационных воздействий, они непрерывно появляются и исчезают, оставаясь в отсутствие каких-либо возмущений ненаблюдаемыми.

Однако в искривленном пространстве-времени вокруг черной дыры один фотон из пары может оказаться захваченным внутрь горизонта, в то время как другой будет выброшен наружу.


При дисперсии второго типа фотоны возникают вне горизонта и падают внутрь.

В случае дисперсии третьего типа фотоны рождаются внутри горизонта.

В результате виртуальные пары могут превращаться в реальные, образуя направленный наружу световой поток, уменьшающий массу дыры. В целом это излучение похоже на тепловое (как, например, от раскаленного уголька) с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Описанное явление называют эффектом Хокинга. Если дыра не будет поглощать вещество или энергию, вся ее масса со временем превратится в излучение Хокинга.

При рассмотрении аналогии потока жидкости с черной дырой чрезвычайно важно, что вблизи горизонта событий пространство остается почти идеальным квантовым вакуумом. Этот факт имеет большое значение для аргументации Хокинга. Виртуальные фотоны — это особенность квантового состояния с самой низкой энергией (основное состояние). Лишь благодаря разделению партнеров и удалению одного из них от горизонта событий виртуальные фотоны становятся реальными.

Идеальный микроскоп

Несмотря на то, что большинство физиков принимает аргументы Хокинга, проверить их экспериментально пока не удавалось. Предсказанное излучение от звездных и галактических черных дыр слишком слабо, чтобы наблюдать его. Остается лишь искать миниатюрные дыры, оставшиеся от ранней Вселенной или созданные в ускорителях частиц.

Эмпирическое подтверждение эффекта Хокинга помогло бы устранить недостатки теории, связанные с бесконечным красным смещением, которому подвергается фотон. Рассмотрим, что будет, если процесс излучения обратить вспять. Приближаясь к черной дыре, фотон Хокинга испытывает синее смещение в сторону более высоких частот и более коротких длин волн. Чем дальше назад во времени, тем ближе он подходит к горизонту событий и тем короче становится его длина волны. Как только она оказывается намного меньше диаметра черной дыры, фотон соединяется со своим партнером и получается виртуальная пара, рассмотренная ранее.

Синее смещение продолжается непрерывно до произвольно малых длин волн. Однако ни теория относительности, ни квантовая механика не могут предсказать, что будет с частицей, когда ее длина волны станет меньше длины Планка (порядка 10-35 м). Здесь уже нужна квантовая теория гравитации. Таким образом, горизонт черной дыры действует как фантастический микроскоп, позволяющий наблюдателю заглянуть в неизвестную физику. У теоретиков такая картина вызывает беспокойство. Если предсказание Хокинга опирается на неизвестную физику, то не следует ли нам усомниться в его обоснованности? Не могут ли свойства и даже само существование излучения Хокинга зависеть от микроскопических свойств пространства-времени, так же как теплоемкость или скорость звука в веществе зависят от его микроскопической структуры и динамики? Или этот эффект, как утверждал Хокинг, полностью определяется макроскопическими свойствами черной дыры, а именно ее массой и моментом вращения?

Другие материалы рубрики


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.