Научно- исследовательская работа по физике "Изучение черных дыр"

Научно- исследовательская работа по физике

Изучение черных дыр

                                                                                                                                 Автор:

Карманчук Варвара

9б класс

Руководитель

Пищулина Н.И.

учитель физики

Содержание

Введение

Основная часть

Первый этап: вводный

2.2 Второй этап: поисково-исследовательский

2.3 Третий этап: аналитико-оформительский

Заключение

Вывод и результат работы

Физика - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания. С помощью нее мы исследовали и исследуем космическое пространство, с ее помощью появилась спутниковая связь, ученые научились прогнозировать будущее.

Актуальность данной работы с научной точки зрения состоит в том, чтобы:

изучить такие загадочные объекты Вселенной, как черные дыры;

рассмотреть черные дыры – как последнюю стадию эволюции звезд;

расширить спектр наших знаний о загадках Вселенной;

продемонстрировать тесную связь физики, астрономии, космонавтики и других наук.

получить дополнительные знания о черных дырах – загадочных объектах Вселенной

Проблема: Загадочность данного физического явления, отсутствие единой точки зрения в научном мире

Цель научно - исследовательской работы: Изучение природы черной дыры, выяснение какими свойствами она обладает и как образуется черная дыра.

Задачи представленной научно- исследовательской работы

Отобрать и проанализировать литературу по данной теме;

Провести опрос на выявление заинтересованности и осведомленности людей в науке (в частности, в явлении черных дыр);

Найти ответ на вопрос: что такое чёрная дыра, её свойства, как образуется и её виды;

Познакомиться с возникновением, формированием, видами черных дыр;

Создать подборку материала, который можно использовать на уроках физики и волонтерских проектах – кружках для детей дополнительного образования, в коррекционных интернатах для увеличения интереса к обучению;

Объект исследования: Черные дыры, как астрофизический объект и элемент научной фантастики.

Предмет исследования: эволюция и природа черных дыр.

Методы исследования:

Анализ различных источников литературы

Систематизация и обобщение данных

Работа посвящена теоретическим основам исследовательской работы. В ней говорится о том, что существуют так называемые «чёрные дыры». Приводятся определение данного явления, а также информация о нём: Как образуются, виды и свойства.

Гипотеза: Распространенный миф о черных дырах, который говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя, неверен. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии.

Методы работы над проектом:

теоретические методы систематизации теоретического материала,

обобщение накопленного материала, изучение и анализ научной, публицистической литературы и иных источников информации по проблеме исследования

обработка и анализ данных;

подготовка презентации к защите проекта (научно- исследовательской работы)

выступление на конференции

Предполагаемый результат:

Создание проекта

Оформление проекта.

Практическое назначение данного проекта заключается в возможности использования его результатов на уроках физики и дополнительном образовании.

2. Основная часть

2.1 Первый этап: вводный

Задачи этапа:

постановка проблемы;

поиск источников информации, их изучение и анализ;

определение и уточнение темы проекта, объекта и предмета исследования, постановка цели и задач исследования;

Содержание и методы деятельности:

работа в библиотеке образовательного учреждения;

работа с руководителем проекта по обсуждению материалов;

определение темы проекта (научно- исследовательской работы).

Из всех порождений человеческого разума, от единорогов и горгулий до водородной бомбы, самое фантастическое, наверное, — это черная дыра: дыра в пространстве с резко очерченными границами, в которую проваливается все, что оказывается поблизости, но из которой ничего не может выйти обратно, дыра с настолько мощной силой тяготения, что даже свет оказывается пойманным в ее объятиях, дыра, которая искривляет пространство и сворачивает время. Тем не менее, существование черных дыр надежно предсказывается хорошо доказанными законами физики. Только в нашей галактике черных дыр может быть миллионы, но чернота прячет их от наших взоров.

Выводы по результатам работам I этапа.

Постановка проблемы.

Выбор темы проекта.

Формулировка цели, задач, гипотезы, поиск источников информации, анализ и её систематизация.

2.2 Второй этап: поисково-исследовательский

Задачи этапа:

исследование проблемы: поиск точек соприкосновения предметов: физики и уникальных явлений

систематизация информации.

Исследование выбранной проблемы.

Анализ литературы, других источников информации, консультации.

Черные дыры (рис. 1)- один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна.

Рис. 1 – Черная дыра

У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы пространства-времени. Самой большой черной дырой во Вселенной является черная дыра, расположенная в центре галактики NGG 1277 в созвездии Персея, находящаяся на расстоянии 228 миллионов световых лет от Земли. Черные дыры настолько массивны, что их вторая космическая скорость быстрее, чем скорость света. Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Так ли это? Как они образуются?Вот на эти вопросы я и попытаюсь ответить в совей работе, основываясь на статьях ученых.

Чёрная дыра - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом (рис. 2).

Рис. 2 – Строение черной дыры

В конце жизни звезда может начать сжиматься к центру за счет потери внутреннего давления. При этом перейдя определенную границу - радиус Шварцшильда, ее плотность станет настолько велика, что она продолжит сжатие и его уже ничего не сможет остановить. В результате получается объект с огромной массой и плотностью т. е. черная дыра. Называется "черной", т. к. вторая космическая скорость у поверхности превышает скорость света.

Черные дыры могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр во Вселенной.

Рис. 3 – Массивная черная дыра поглощает звезду

С астрофизической точки зрения, обнаруженные черные дыры подразделяются на две категории:

первый тип - это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды.

второй тип - это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Согласно теории Эйнштейна черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

Рис. 3–Гравитационные воронки (искривление пространства-времени)

Глава 2. Свойства черных дыр

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации - и никаким иным.

Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (StevenHawking) в 1970 году.

Глава 3. Теория, расчеты Эйнштейна

Рассмотрим всемирную теорию тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь, на поверхности Земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли. Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше.

Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света?

Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

где GN - постоянная Ньютона, а с - скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.

Другими словами, чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением в 1905 году специальной теории относительности появилось понимание того факта, что скорость света в вакууме - не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно. Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее. То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Возвращаясь к гравитации, необходимо отметить ее важное свойство, которое открыл еще Галилей: все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют «принципом эквивалентности».

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке Северного полюса. Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному. Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов. Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это «нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа. Дальнейшие расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного - для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» - это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

Глава 4. Обнаружение черных дыр

Поскольку свет не может вырваться из массивных животных силков, он не может быть виден. Поэтому чтобы искать черные дыры, можно полагаться только на косвенные доказательства их существования. Одним из способов поиска черной дыры, являются нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов, астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики.

Рис. 4 – Искажение изображения галактики, проходящей перед черной дырой

На самом деле, большинство астрономов теперь считают, что супер массивная черная дыра может существовать в центре нашей галактики Млечный Путь (рис. 5). Означает ли это, что она в конечном итоге все поглотит? На самом деле, нет. Черная дыра имеет ту же массу, что и оригинальные звезды, потому как была сформирована из них. Пока ничего не предвещает слишком близкого приближения к горизонту событий, так что это безопасно. Вполне вероятно, что миллиарды звезд в нашей галактике будет продолжать орбиту вокруг этой гигантской черной дыры миллиарды лет вперед. Доказательства этой и других черных дыр может быть подтверждены с помощью функции поиска для рентгеновских лучей. Астрономы полагают, что черные дыры излучают их в большом количестве.

Рис. 5 – Черная дыра в центре Млечного пути выдала ярчайшую вспышку

2.3 Третий этап: аналитико-оформительский

Задачи этапа:

обработка информации;

оформление научно- исследовательской работы

подготовка выступления на научно - практическую конференцию

заключение, оформление вывода и результата работы

Проектная деятельность осуществлялась по этапам:

Первый этап (вводный):

Была определена проблема, цели, задач проекта, я познакомилась с информацией по заинтересовавшей меня теме.

Второй этап: поисково-исследовательский

На поисково-исследовательском этапе я собрала различную информацию о таком явлении, как черная дыра

Третий этап: аналитико-оформительский

Аналитико-оформительский этап позволил мне изучить и систематизировать полученные знания, оформить научно- исследовательской работу и подготовиться к выступлению.

Вывод и результат работы:

Цели и задачи проектной деятельности выполнены.

Приобретены новые знания, навыки исследовательской и проектной работы, оформления научно - исследовательской работы.

Изучив различную литературу и статьи сети Интернет по заявленной теме, я выяснила, что знание законов физики играет большую роль в развитии человека, как личности. Правильное использование соответствующих физических законов может помочь каждому человеку в достижении успеха.

Проанализировав и систематизировав подученную информацию, был составлен учебный материал, который может быть применен преподавателем на уроках физики, астрономии, а также может быть использован в дополнительном образовании и волонтерских проектах при работе в кружках.

Заключение

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что черная дыра - это тот объект Вселенной, который окончательно еще не изучен.Черные дыры, несомненно, самые загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая космическая скорость превышает скорость света. И чем массивнее объект движения, тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей тяжести.

«Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя» - говорилось в ведении данной работы. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды.