Vrimë e zezë e ngarkuar. Vrimat e zeza me ngarkesë elektrike. Vrimat e zeza në univers
Koncepti i një vrime të zezë është i njohur për të gjithë - nga nxënësit e shkollave te të moshuarit, ai përdoret në letërsinë shkencore dhe fantastike, në mediat e verdha dhe në konferenca shkencore. Por jo të gjithë e dinë se çfarë janë saktësisht këto vrima.
Nga historia e vrimave të zeza
1783 Hipoteza e parë për ekzistencën e një fenomeni të tillë si vrima e zezë u parashtrua në 1783 nga shkencëtari anglez John Michell. Në teorinë e tij, ai kombinoi dy krijime të Njutonit - optikën dhe mekanikën. Ideja e Michellit ishte kjo: nëse drita është një rrjedhë grimcash të vogla, atëherë, si të gjithë trupat e tjerë, grimcat duhet të përjetojnë tërheqjen e një fushe gravitacionale. Rezulton se sa më masiv të jetë ylli, aq më e vështirë është që drita t'i rezistojë tërheqjes së saj. 13 vjet pas Michellit, astronomi dhe matematikani francez Laplace parashtroi (me shumë mundësi pavarësisht nga homologu i tij britanik) një teori të ngjashme.
1915 Megjithatë, të gjitha veprat e tyre mbetën të paprekura deri në fillim të shekullit të 20-të. Në vitin 1915, Albert Ajnshtajni botoi Teorinë e Përgjithshme të Relativitetit dhe tregoi se graviteti është një lakim i hapësirë-kohës i shkaktuar nga materia, dhe disa muaj më vonë, astronomi dhe fizikani teorik gjerman Karl Schwarzschild e përdori atë për të zgjidhur një problem specifik astronomik. Ai eksploroi strukturën e hapësirës-kohës së lakuar rreth Diellit dhe rizbuloi fenomenin e vrimave të zeza.
(John Wheeler shpiku termin "vrima të zeza")
1967 Fizikani amerikan John Wheeler përvijoi një hapësirë që mund të shtypet, si një copë letre, në një pikë pafundësisht të vogël dhe caktoi termin "Vrima e Zezë".
1974 Fizikani britanik Stephen Hawking vërtetoi se vrimat e zeza, megjithëse gëlltitin lëndën pa kthim, mund të lëshojnë rrezatim dhe përfundimisht të avullojnë. Ky fenomen quhet "Rrezatimi Hawking".
2013 Hulumtimet e fundit mbi pulsarët dhe kuazarët, si dhe zbulimi i rrezatimit kozmik të sfondit të mikrovalës, më në fund kanë bërë të mundur përshkrimin e vetë konceptit të vrimave të zeza. Në vitin 2013, reja e gazit G2 iu afrua shumë vrimës së zezë dhe ka të ngjarë të përthithet prej saj, vëzhgimi i procesit unik ofron mundësi të mëdha për zbulime të reja të veçorive të vrimave të zeza.
(Objekti masiv Shigjetari A *, masa e tij është 4 milion herë më e madhe se Dielli, që nënkupton një grup yjesh dhe formimin e një vrime të zezë)
2017. Një grup shkencëtarësh nga bashkëpunimi i Teleskopit Event Horizon i disa vendeve, duke lidhur tetë teleskopë nga pika të ndryshme të kontinenteve të Tokës, kryen vëzhgime të një vrime të zezë, e cila është një objekt supermasive dhe ndodhet në galaktikën M87, yjësinë Virgjëreshë. Masa e objektit është 6.5 miliardë (!) masa diellore, gjigante herë më e madhe se objekti masiv Shigjetari A *, për krahasim, diametri është pak më i vogël se distanca nga Dielli në Pluton.
Vëzhgimet u kryen në disa faza, duke filluar nga pranvera e vitit 2017 dhe gjatë periudhave të vitit 2018. Sasia e informacionit u llogarit në petabajt, të cilat më pas duhej të deshifroheshin dhe të merrej një imazh i vërtetë i një objekti shumë të largët. Prandaj, u deshën edhe dy vite të tjera për të skanuar paraprakisht të gjitha të dhënat dhe për t'i kombinuar ato në një tërësi.
2019 Të dhënat u dekoduan me sukses dhe u sollën në pamje, duke prodhuar imazhin e parë të një vrime të zezë.
(Imazhi i parë ndonjëherë i një vrime të zezë në galaktikën M87 në yjësinë e Virgjëreshës)
Rezolucioni i imazhit ju lejon të shihni hijen e pikës pa kthim në qendër të objektit. Imazhi është marrë si rezultat i vëzhgimeve interferometrike me një bazë ekstra të gjatë. Këto janë të ashtuquajturat vëzhgime sinkrone të një objekti nga disa radio teleskopë, të ndërlidhur nga një rrjet dhe të vendosura në pjesë të ndryshme të globit, të drejtuara në një drejtim.
Çfarë janë në të vërtetë vrimat e zeza?
Një shpjegim lakonik i fenomenit tingëllon kështu.
Një vrimë e zezë është një rajon hapësirë-kohë, tërheqja gravitacionale e të cilit është aq e fortë sa që asnjë objekt, duke përfshirë kuantat e dritës, nuk mund ta lërë atë.
Një vrimë e zezë dikur ishte një yll masiv. Për sa kohë që reaksionet termonukleare mbajnë presion të lartë në zorrët e tij, gjithçka mbetet normale. Por me kalimin e kohës, furnizimi me energji është i varfëruar dhe trupi qiellor, nën ndikimin e gravitetit të tij, fillon të tkurret. Faza e fundit e këtij procesi është kolapsi i bërthamës yjore dhe formimi i një vrime të zezë.
- 1. Nxjerrja e një avioni të vrimës së zezë me shpejtësi të madhe
- 2. Një disk i materies rritet në një vrimë të zezë
- 3. Vrima e zezë
- 4. Skema e detajuar e rajonit të vrimës së zezë
- 5. Madhësia e vëzhgimeve të reja të gjetura
Teoria më e zakonshme thotë se ka fenomene të ngjashme në çdo galaktikë, duke përfshirë edhe qendrën e Rrugës sonë të Qumështit. Graviteti i madh i vrimës është në gjendje të mbajë disa galaktika rreth saj, duke i penguar ato të largohen nga njëra-tjetra. "Zona e mbulimit" mund të jetë e ndryshme, gjithçka varet nga masa e yllit që është kthyer në një vrimë të zezë dhe mund të jetë mijëra vjet dritë.
Rrezja e Schwarzschild
Vetia kryesore e një vrime të zezë është se çdo lëndë që futet në të nuk mund të kthehet kurrë. E njëjta gjë vlen edhe për dritën. Në thelbin e tyre, vrimat janë trupa që thithin plotësisht të gjithë dritën që bie mbi to dhe nuk lëshojnë të tyren. Objekte të tilla mund të duken vizualisht si mpiksje të errësirës absolute.
- 1. Lëvizja e lëndës me gjysmën e shpejtësisë së dritës
- 2. Unaza fotonike
- 3. Unaza e brendshme e fotonit
- 4. Horizonti i ngjarjeve në një vrimë të zezë
Bazuar në Teorinë e Përgjithshme të Relativitetit të Ajnshtajnit, nëse një trup i afrohet një distancë kritike nga qendra e vrimës, ai nuk mund të kthehet më. Kjo distancë quhet rrezja e Schwarzschild. Çfarë ndodh saktësisht brenda kësaj rrezeje nuk dihet me siguri, por ekziston teoria më e zakonshme. Besohet se e gjithë lënda e një vrime të zezë është e përqendruar në një pikë pafundësisht të vogël, dhe në qendër të saj ka një objekt me densitet të pafund, të cilin shkencëtarët e quajnë një shqetësim singular.
Si bie në një vrimë të zezë
(Në foto, vrima e zezë e Shigjetarit A * duket si një grup jashtëzakonisht i ndritshëm drite)
Jo shumë kohë më parë, në vitin 2011, shkencëtarët zbuluan një re gazi, duke i dhënë emrin e thjeshtë G2, e cila lëshon dritë të pazakontë. Një shkëlqim i tillë mund të japë fërkime në gaz dhe pluhur, të shkaktuar nga veprimi i vrimës së zezë Shigjetari A * dhe që rrotullohet rreth saj në formën e një disku grumbullimi. Kështu, ne bëhemi vëzhgues të fenomenit të mahnitshëm të përthithjes së një re gazi nga një vrimë e zezë supermasive.
Sipas studimeve të fundit, qasja më e afërt me një vrimë të zezë do të ndodhë në mars 2014. Ne mund të rikrijojmë një pamje se si do të luhet ky spektakël emocionues.
- 1. Kur shfaqet për herë të parë në të dhëna, një re gazi i ngjan një topi të madh gazi dhe pluhuri.
- 2. Tani, që nga qershori 2013, reja është dhjetëra miliarda kilometra larg vrimës së zezë. Ai bie në të me një shpejtësi prej 2500 km / s.
- 3. Reja pritet të kalojë vrimën e zezë, por forcat e baticës të shkaktuara nga ndryshimi në tërheqjen që veprojnë në skajet kryesore dhe pasuese të resë do të bëjnë që ajo të zgjatet gjithnjë e më shumë.
- 4. Pasi reja është thyer, shumica e saj ka shumë të ngjarë të bashkohet me diskun e grumbullimit rreth Shigjetarit A*, duke gjeneruar valë tronditëse në të. Temperatura do të rritet deri në disa milionë gradë.
- 5. Një pjesë e resë do të bjerë direkt në vrimën e zezë. Askush nuk e di saktësisht se çfarë do të ndodhë me këtë substancë, por pritet që në procesin e rënies ajo të lëshojë rryma të fuqishme rrezesh X dhe askush tjetër nuk do ta shohë atë.
Video: vrima e zezë gëlltit një re gazi
(Simulimi kompjuterik se sa pjesë e resë së gazit G2 do të shkatërrohet dhe konsumohet nga vrima e zezë Shigjetari A*)
Çfarë është brenda një vrime të zezë
Ekziston një teori që pretendon se një vrimë e zezë brenda është praktikisht e zbrazët dhe e gjithë masa e saj është e përqendruar në një pikë tepër të vogël të vendosur në qendër të saj - një singularitet.
Sipas një teorie tjetër që ekziston prej gjysmë shekulli, gjithçka që bie në një vrimë të zezë shkon në një univers tjetër që ndodhet në vetë vrimën e zezë. Tani kjo teori nuk është ajo kryesore.
Dhe ekziston një teori e tretë, më moderne dhe më këmbëngulëse, sipas së cilës gjithçka që bie në një vrimë të zezë tretet në dridhjet e fijeve në sipërfaqen e saj, e cila përcaktohet si horizonti i ngjarjeve.
Pra, cili është horizonti i ngjarjeve? Është e pamundur të shikosh brenda një vrime të zezë edhe me një teleskop super të fuqishëm, pasi edhe drita, duke hyrë brenda një gypi gjigant kozmik, nuk ka asnjë shans të dalë përsëri. Çdo gjë që mund të konsiderohet disi është në afërsi të saj.
Horizonti i ngjarjeve është një vijë e kushtëzuar e sipërfaqes nga e cila asgjë (as gaz, as pluhur, as yje, as dritë) nuk mund të shpëtojë. Dhe kjo është pika shumë misterioze e pakthimit në vrimat e zeza të Universit.
Idetë ekzistuese për vrimat e zeza bazohen në teorema të vërtetuara me anë të gjeometrisë diferenciale të manifoldeve. Prezantimi i rezultateve të teorisë është i disponueshëm në libra dhe ne nuk do t'i përsërisim ato këtu. Duke iu referuar lexuesit për detaje monografive dhe koleksioneve, si dhe punimeve dhe rishikimeve origjinale, ne kufizohemi në një numërim të shkurtër të dispozitave kryesore që qëndrojnë në themel të ideve moderne rreth vrimave të zeza.
Familja më e përgjithshme e zgjidhjeve të vakumit të ekuacioneve të Ajnshtajnit, që përshkruan hapësira-kohë stacionare asimptotike të sheshta me një horizont ngjarjesh josingular dhe të rregullt kudo jashtë horizontit, ka simetri boshtore dhe përkon me familjen Kerr me dy parametra. Dy parametra të pavarur dhe një përcaktojnë masën dhe momentin këndor të vrimës së zezë. Teoremat që mbështesin këtë deklaratë u formuluan në punimet për një vrimë të zezë jo rrotulluese dhe u përgjithësuan në metrikën Kerr në. Zgjidhjet e ekuacioneve jo vakum të Ajnshtajnit që përshkruajnë vrimat e zeza mund të karakterizohen nga një numër i madh parametrash. Pra, në rastin e sistemit të ekuacioneve Einstein-Maxwell, familja e zgjidhjeve Kerr-Newman posedon vetitë e renditura, e cila ka katër parametra ku ngarkesat elektrike, magnetike, veçantia e kësaj familjeje u vërtetua në . Ka zgjidhje për sistemin e ekuacioneve Einstein-Yang-Mills që përshkruajnë vrimat e zeza që mbartin ngarkesa me matës (ngjyrë), si dhe sistemin Einstein-Yang-Mills-Higgs me simetri të thyer spontanisht, që përshkruan pikat gravituese monopole dhe dyonet e fshehura nën ngjarje. horizont. Në supergravitetin e zgjatur, janë gjetur zgjidhje që përshkruajnë vrima të zeza jashtëzakonisht të ngarkuara me një strukturë fermionike. Është thelbësore që të gjitha zgjidhjet e listuara të njihen për fusha me masë zero, të cilat nuk mund të kenë fusha masive të jashtme të një vrime të zezë.
Fusha Kerr-Newman
Duke e shtyrë diskutimin e zgjidhjeve me ngarkesa magnetike dhe matës deri në § 18, le të shqyrtojmë më në detaje zgjidhjen Kerr-Newman që përshkruan një ngarkesë elektrike rrotulluese
vrimë e zezë. Në koordinatat Boyer-Lindqvist, katrori i intervalit hapësirë-kohë ka formën
ku futet shënimi standard
4-potenciali (-forma) i fushës elektromagnetike, i përcaktuar nga relacioni
për nuk ndryshon nga potenciali i një ngarkese pikë në hapësirën Minkowski. Një term shtesë në përpjesëtim me a përputhet në pafundësi hapësinore me potencialin e dipolit magnetik Komponentët jozero të tenzorit metrikë kontravariant janë
Për metrikën Kerr-Newman, ekzistojnë tridhjetë simbole Christoffel jo-zero, nga të cilat njëzet e dy janë të barabartë në çift.
ku tregohet
Simbolet e Christoffel janë funksione të diferencës dhe nuk zhduken në rrafshin ekuatorial të metrikës Kerr. Pjesa tjetër e komponentëve të lidhjes janë të çuditshme në lidhje me reflektimin në plan, ku marrin vlera zero. Është e dobishme ta mbani këtë parasysh kur zgjidhni ekuacionet e lëvizjes së grimcave.
Përbërësit jozero të tensorit të fushës elektromagnetike janë të barabartë me
që i përgjigjet mbivendosjes së fushës së Kulonit dhe fushës magnetike të dipolit.
Elementi i vijës (1) nuk varet nga koordinatat, pra nga vektorët
janë vektorë vrasës që gjenerojnë ndërrime në kohë dhe rrotullime rreth boshtit të simetrisë. Vektorët vrasës dhe nuk janë ortogonalë me njëri-tjetrin
Simetria e fushës elektromagnetike në lidhje me transformimet e dhëna nga vektorët Killing shprehet në barazinë me zero të derivateve Lie të 4-potencialit (3) përgjatë fushave vektoriale (8),
Vektori i kohës është i ngjashëm në rajonin e kufizuar nga pabarazia
dhe bëhet izotropik në sipërfaqen e ergosferës
që është një elipsoid i revolucionit. Brenda ergosferës, vektori është i ngjashëm me hapësirën, por ekziston një kombinim linear i vektorëve të vrasjes.
i cili është një vektor i ngjashëm me vrasjen brenda ergosferës nëse pabarazia
Sipërfaqja në të cilën ato bashkohen është horizonti i ngjarjeve, pozicioni i tij përcaktohet nga rrënja e madhe e ekuacionit
ku e gjejmë ku
Vlera luan rolin e shpejtësisë këndore të rrotullimit të horizontit; në përputhje me teoremën e përgjithshme, nuk varet nga këndi
Horizonti i ngjarjeve është një hipersipërfaqe izotropike, seksioni hapësinor i së cilës ka topologjinë e një sfere. Sipërfaqja e sipërfaqes dy-dimensionale të horizontit llogaritet me formulë
që çon në rezultat
Sipas teoremës së Hawking, sipërfaqja e horizontit të ngjarjes së një vrime të zezë të zhytur në një mjedis material, tensori i energjisë-momentit të të cilit plotëson kushtet e dominimit të energjisë nuk mund të ulet. Masa dhe momenti i rrotullimit të vrimës mund të ulet individualisht, ndërsa, pasi të ketë humbur plotësisht momentin e rrotullimit, vrima e zezë do të rezultojë të ketë një masë prej të paktën
e cila është quajtur masa e “pareduktueshme” e një vrime të zezë. Ligji i moszvogëlimit të zonës së horizontit të ngjarjes ka një natyrë të përbashkët me ligjin e rritjes së entropisë, mund të shoqërohet me humbjen e informacionit për gjendjen e materies që është nën horizontin e ngjarjes. Nëse një vrimë e zezë nuk do të kishte disa
entropia, atëherë thithja, le të themi, e një gazi të ndezur në hapësirën e jashtme do të çonte në një ulje të entropisë. Thirrja e konsideratave kuantike eliminon rrezikun e një kontradikte me ligjin e dytë të termodinamikës, sepse rezulton se në gravitetin kuantik entropia e një vrime të zezë është me të vërtetë proporcionale me sipërfaqen e horizontit të ngjarjeve (21) në njësi të katror i gjatësisë së Plankut
Kjo gjithashtu korrespondon me llogaritjet e mëparshme të efektit të prodhimit të grimcave në vrimat e zeza në kuadrin e teorisë gjysmëklasike. Entropia totale e vrimës së zezë dhe e lëndës së absorbuar nuk zvogëlohet në këtë rast, pasi masa (dhe, ndoshta, momenti rrotullues) i vrimës së zezë rritet gjatë përthithjes, si rezultat i së cilës sipërfaqja e horizonti i ngjarjeve rritet. Duhet të theksohet se emëruesi në (23) është jashtëzakonisht i vogël, prandaj, me një ndryshim makroskopik në zonën e horizontit, entropia e vrimës së zezë ndryshon me një vlerë shumë të madhe.
Në horizontin e ngjarjes, një kombinim linear i përbërësve të 4-potencialit është konstant, që ka kuptimin e potencialit elektrostatik të horizontit për një vëzhgues që rrotullohet me horizontin.
Gjithashtu konstante është sasia e quajtur "graviteti sipërfaqësor" i një vrime të zezë, e cila është e barabartë me nxitimin (në njësi të kohës së koordinatave) të një grimce të mbajtur në qetësi në horizont, në një formë të pandryshueshme.
ku vektori përcaktohet me formulën (14). në (d.m.th., është një vektor izotropik i shtrirë në hipersipërfaqe
Një tjetër vektor izotropik i normalizuar nga kushti Për metrikën Kerr-Newman, graviteti sipërfaqësor i horizontit është
Vrimat e zeza
Duke filluar nga mesi i shekullit XIX. Zhvillimi i teorisë së elektromagnetizmit, James Clerk Maxwell kishte një sasi të madhe informacioni në lidhje me fushat elektrike dhe magnetike. Në veçanti, ishte befasuese që forcat elektrike dhe magnetike zvogëlohen me distancën në të njëjtën mënyrë si forca e gravitetit. Si forcat gravitacionale ashtu edhe ato elektromagnetike janë forca me rreze të gjatë. Ato mund të ndihen në një distancë shumë të madhe nga burimet e tyre. Përkundrazi, forcat që lidhin së bashku bërthamat e atomeve - forcat e ndërveprimeve të forta dhe të dobëta - kanë një rreze të shkurtër veprimi. Forcat bërthamore ndihen vetëm në një zonë shumë të vogël që rrethon grimcat bërthamore. Gama e madhe e forcave elektromagnetike do të thotë që, duke qenë larg një vrime të zezë, mund të ndërmerren eksperimente për të zbuluar nëse kjo vrimë është e ngarkuar apo jo. Nëse një vrimë e zezë ka një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik verior ose të ri), atëherë një vëzhgues i vendosur në distancë është në gjendje të zbulojë ekzistencën e këtyre ngarkesave duke përdorur instrumente të ndjeshëm. fundi i viteve 1960 dhe fillimi i viteve 1970, astrofizikanët - teoricienët kanë punuar shumë në problemin: cilat veti të vrimave të zeza ruhen dhe cilat veti humbasin në to? Karakteristikat e një vrime të zezë që mund të matet nga një vëzhgues i largët janë masa e saj, ngarkesa dhe momenti këndor i saj. Këto tre karakteristika kryesore ruhen gjatë formimit të një vrime të zezë dhe përcaktojnë gjeometrinë hapësirë-kohë pranë saj. Me fjalë të tjera, nëse vendosni masën, ngarkesën dhe momentin këndor të një vrime të zezë, atëherë gjithçka rreth saj do të dihet tashmë - vrimat e zeza nuk kanë veçori të tjera përveç masës, ngarkesës dhe momentit këndor. Pra, vrimat e zeza janë objekte shumë të thjeshta; ato janë shumë më të thjeshta se yjet nga të cilët dalin vrimat e zeza. G. Reisner dhe G. Nordström zbuluan zgjidhjen e ekuacioneve të Ajnshtajnit të fushës gravitacionale, e cila përshkruan plotësisht një vrimë të zezë "të ngarkuar". Një vrimë e zezë e tillë mund të ketë një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) dhe/ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik verior ose jugor). Nëse trupat me ngarkesë elektrike janë të zakonshme, atëherë trupat me ngarkesë magnetike nuk janë fare. Trupat që kanë një fushë magnetike (për shembull, një magnet i zakonshëm, një gjilpërë busull, Toka) domosdoshmërisht kanë dy polet veriore dhe jugore menjëherë. Deri vonë, shumica e fizikanëve besonin se polet magnetike ndodhin gjithmonë vetëm në çifte. Megjithatë, në vitin 1975 një grup shkencëtarësh nga Berkeley dhe Houston njoftuan se kishin zbuluar një monopol magnetik në një nga eksperimentet e tyre. Nëse këto rezultate konfirmohen, atëherë do të rezultojë se mund të ekzistojnë ngarkesa magnetike të veçanta, d.m.th. se poli magnetik i veriut mund të ekzistojë ndaras nga jugu dhe anasjelltas. Zgjidhja Reisner-Nordström lejon ekzistencën e një fushe magnetike monopole në një vrimë të zezë. Pavarësisht se si vrima e zezë fitoi ngarkesën e saj, të gjitha vetitë e kësaj ngarkese në zgjidhjen Reisner-Nordström kombinohen në një karakteristikë - numrin Q. Kjo veçori është e ngjashme me faktin se zgjidhja e Schwarzschild nuk varet nga mënyra se si e zeza vrima fitoi masën e saj. Në këtë rast, gjeometria hapësirë-kohë në zgjidhjen Reisner-Nordström nuk varet nga natyra e ngarkesës. Mund të jetë pozitiv, negativ, të korrespondojë me polin magnetik verior ose jugor - vetëm vlera e tij e plotë është e rëndësishme, e cila mund të shkruhet si |Q|. Pra, vetitë e një vrime të zezë Reisner-Nordström varen vetëm nga dy parametra - masa totale e vrimës M dhe ngarkesa totale e saj|Q| (me fjalë të tjera, nga vlera e tij absolute). Duke menduar për vrimat e zeza reale që mund të ekzistojnë në të vërtetë në Universin tonë, fizikanët arritën në përfundimin se zgjidhja Reisner-Nordström rezulton të jetë jo shumë domethënëse, sepse forcat elektromagnetike janë shumë më të mëdha se forcat e gravitetit. Për shembull, fusha elektrike e një elektroni ose një protoni është triliona triliona herë më e fortë se fusha e tyre gravitacionale. Kjo do të thotë se nëse vrima e zezë do të kishte një ngarkesë mjaft të madhe, atëherë forcat e mëdha me origjinë elektromagnetike do të shpërndanin shpejt në të gjitha drejtimet gazin dhe atomet që "lundrojnë" në hapësirë. Në kohën më të shkurtër të mundshme, grimcat me të njëjtën shenjë ngarkese si vrima e zezë do të përjetonin një zmbrapsje të fuqishme dhe grimcat me shenjën e kundërt të ngarkesës do të përjetonin një tërheqje po aq të fuqishme ndaj saj. Duke tërhequr grimcat me një ngarkesë të shenjës së kundërt, vrima e zezë së shpejti do të bëhej elektrikisht neutrale. Prandaj, mund të supozojmë se vrimat e zeza reale kanë vetëm një ngarkesë të vogël. Për vrimat e zeza reale, vlera e |Q| duhet të jetë shumë më pak se M. Në të vërtetë, nga llogaritjet rezulton se vrimat e zeza që mund të ekzistojnë në hapësirë duhet të kenë një masë M të paktën një miliard miliard herë më të madhe se |Q|.
Tani i drejtohemi historisë se si një vrimë e zezë mund të funksionojë si një makinë elektrike (motor elektrik, dinamo, etj.).
Para së gjithash, duhet të njihemi me vetitë e mahnitshme të kufirit të një vrime të zezë, e cila, me
Oriz. 5. Vijat e forcës së fushës elektrike të një ngarkese pranë një vrime të zezë. Pluset dhe minuset tregojnë ngarkesa sipërfaqësore fiktive në skajin e një vrime të zezë
nga këndvështrimi i një vëzhguesi të jashtëm, manifestohet si një "membranë", e pajisur me veti të caktuara elektrike.
Për të kuptuar se çfarë është në rrezik këtu, merrni parasysh fushën elektrike të një ngarkese të vendosur pranë një vrime të zezë të pakarikuar që nuk rrotullohet. Siç kemi thënë tashmë, hapësira tre-dimensionale në afërsi të një vrime të zezë është e lakuar, dhe për këtë arsye linjat e fushës së kësaj fushe duken shumë të pazakonta, siç tregohet në Fig. 5. Ky vizatim, natyrisht, është skematik, pasi është e pamundur të përshkruhet konfigurimi i vijave në një hapësirë të lakuar në një copë letre të sheshtë. Ne shohim që një pjesë e vijave të fushës, duke u përkulur, shkon në hapësirë larg vrimës së zezë. Linjat e tjera të fushës qëndrojnë kundër vrimës së zezë.
Nëse çështja do të kufizohej në këtë, atëherë kjo do të thoshte se vrima e zezë është e ngarkuar. Në të vërtetë, ne e dimë se ligji i Gausit thotë se numri i linjave të forcës që kalojnë një sipërfaqe të mbyllur përcakton ngarkesën totale brenda saj. Por vrima jonë e zezë në tërësi nuk është e ngarkuar; kjo do të thotë se nëse ka vija të forcës që hyjnë në vrimën e zezë, atëherë duhet të ketë vija që dalin prej saj. Në të vërtetë, ne shohim në figurë se linjat e forcës së fushës elektrike dalin nga vrima e zezë nga ana e kundërt me ngarkesën dhe largohen nga vrima e zezë. Një konfigurim i tillë kompleks i fushës shoqërohet me një lakim të fortë të hapësirës.
Vijat e forcës në fig. 5 duken sikur sipërfaqja e vrimës së zezë është një sferë përçuese elektrike dhe afrimi me të nga jashtë ngarkesës shkakton polarizimin e ngarkesave të lira në sferën elektrikisht përçuese. Akuzat që kanë të kundërta
Oriz. 6. Rryma fiktive sipërfaqësore në kufirin e një vrime të zezë. Vrima e zezë e shtrirë për shkak të rrotullimit
shenjë në krahasim me atë të afruar, tërhiqen prej saj dhe mblidhen në njërën anë të sferës. Ngarkesat e së njëjtës shenjë si ajo që afrohet zmbrapsen dhe mblidhen nga ana e kundërt (shih Fig. 5). Një analogji e tillë na lejon të supozojmë me kusht se ka ngarkesa (fiktive) në sipërfaqen e një vrime të zezë, mbi të cilën përfundojnë linjat e forcës së fushës elektrike të jashtme.
Le të shqyrtojmë më në detaje procesin e afrimit të një ngarkese elektrike në një vrimë të zezë. Gjatë afrimit të ngarkesës, shpërndarja e ngarkesës fiktive sipërfaqësore të vrimës së zezë do të ndryshojë - ngarkesat e shenjës së kundërt tërhiqen në një pikë të vendosur drejtpërdrejt nën ngarkesën që afrohet. Pra, mund të supozojmë se një rrymë (fiktive) rrjedh në sipërfaqen e një vrime të zezë! Më tej, ne mund ta lidhim forcën e kësaj rryme me forcën e fushës elektrike që vepron përgjatë sipërfaqes së vrimës së zezë kur ngarkesa afrohet, siç shihet nga një vëzhgues i largët:
Kjo marrëdhënie ka formën e ligjit të mirënjohur të Ohm-it. Këtu kemi shënuar me rezistencën (fiktive) të sipërfaqes së vrimës së zezë. Një ekzaminim i detajuar tregon se ose në njësi të zakonshme është e barabartë me 377 ohms.
Pra, shqyrtimi tashmë i problemeve më të thjeshta elektrodinamike tregon se sipërfaqja e një vrime të zezë sillet si një membranë e pajisur me disa
vetitë elektrike. Shqyrtimi i problemeve më komplekse konfirmon këtë këndvështrim. Për shembull, le të bien dy rryma ngarkesash të shenjës së kundërt në pjesë të ndryshme të sipërfaqes së vrimës së zezë (Fig. 6), në mënyrë që ngarkesa totale e vrimës së zezë të mos ndryshojë. Atëherë mund të supozojmë se nga vendi ku bien ngarkesat pozitive A deri te vendi ku bien ngarkesat negative B, rrjedh një rrymë elektrike sipërfaqësore, siç tregohet në Fig. 6.
Ne duhet t'i kujtojmë edhe një herë lexuesit se në realitet nuk ka ngarkesa dhe rryma sipërfaqësore (si dhe vetë sipërfaqja e materialit) për një vrimë të zezë. Nëse ndonjë vëzhgues bie në një vrimë të zezë, atëherë ai nuk ndeshet me asnjë sipërfaqe materiale, asnjë ngarkesë, asnjë rrymë kur kalon horizontin. Futja e këtyre sasive fiktive është thjesht një metodë vizuale e paraqitjes së sjelljes së vijave të fushës së një fushe elektrike (dhe, siç do ta shohim, edhe magnetike) pranë kufirit të një vrime të zezë, nga këndvështrimi i një vëzhguesi. ndodhet “larg vrimës së zezë. Një paraqitje e tillë është shumë e përshtatshme, vizuale dhe lejon që intuita jonë, e mësuar me analizën e eksperimenteve laboratorike me sfera përcjellëse, të funksionojë. Kjo na lejon, pa iu drejtuar ideve dhe llogaritjeve të ndërlikuara në lidhje me hapësirën-kohën katër-dimensionale të lakuar me të cilën merret relativiteti i përgjithshëm, të imagjinojmë sjelljen e një vrime të zezë në kushte të caktuara në një mënyrë relativisht të thjeshtë.
Në të ardhmen, ne do të përdorim paraqitjen e përshkruar, pa specifikuar çdo herë fiktivitetin e koncepteve të ngarkesave dhe rrymave sipërfaqësore për një vrimë të zezë.
Le të kthehemi tani në shqyrtimin se si një vrimë e zezë mund të luajë rolin e elementeve të ndryshëm të një qarku elektrik dhe makinave elektrike. Kjo linjë kërkimi tani po zhvillohet në mënyrë aktive nga fizikani amerikan Kip Thorne dhe kolegët e tij. Sigurisht që nuk do të ndalemi në detajet teknike të strukturave, por do të paraqesim vetëm skema të përgjithshme.
Sa është ngarkesa elektrike e një vrime të zezë? Për vrimat e zeza "normale" të shkallëve astronomike kjo pyetje është pa kuptim dhe e pakuptimtë, por për vrimat e zeza miniaturë është mjaft e rëndësishme. Le të themi se një vrimë e zezë në miniaturë hante pak më shumë elektrone se protone dhe fitoi një ngarkesë elektrike negative. Çfarë ndodh kur një vrimë e zezë miniaturë e ngarkuar është brenda lëndës së dendur?
Për të filluar, le të vlerësojmë përafërsisht ngarkesën elektrike të një vrime të zezë. Le të numërojmë grimcat e ngarkuara që bien në vrimën e zezë duke filluar që nga fillimi i tyryampampation që çoi në shfaqjen e saj dhe të fillojmë të përmbledhim ngarkesat e tyre elektrike: proton - +1, elektron - -1. Konsideroni këtë si një proces të rastësishëm. Probabiliteti për të marrë +1 në çdo hap është 0,5, kështu që kemi një shembull klasik të një ecjeje të rastësishme, d.m.th. ngarkesa mesatare elektrike e një vrime të zezë, e shprehur në ngarkesa elementare, do të jetë e barabartë me
Q = sqrt(2N/π)
ku N është numri i grimcave të ngarkuara të absorbuara nga vrima e zezë.
Le të marrim vrimën tonë të preferuar të zezë 14 kilotonshe dhe të llogarisim sa grimca të ngarkuara ka ngrënë.
N = M/m proton = 1,4*10 7 /(1,67*10 -27) = 8,39*10 33
Prandaj q = 7,31*10 16 ngarkesa elementare = 0,0117 C. Do të duket pak - një ngarkesë e tillë kalon në një sekondë përmes filamentit të një llambë 20 vat. Por për një ngarkesë statike, vlera nuk është e sëmurë (një grup protonesh me një ngarkesë të tillë totale peshon 0,121 nanogram), dhe për një ngarkesë statike të një objekti me madhësinë e një grimce elementare, vlera është thjesht e ndyrë.
Le të shohim se çfarë ndodh kur një vrimë e zezë e ngarkuar futet brenda lëndës relativisht të dendur. Për të filluar, merrni parasysh rastin më të thjeshtë - hidrogjenin diatomik të gaztë. Presioni do të supozohet të jetë atmosferik, dhe temperatura të jetë temperaturë dhome.
Energjia e jonizimit të një atomi hidrogjeni është 1310 kJ/mol ose 2,18*10 -18 për atom. Energjia e lidhjes kovalente në një molekulë hidrogjeni është 432 kJ/mol ose 7,18*10 -19 J për molekulë. Distanca në të cilën elektronet duhet të tërhiqen nga atomet, do ta marrim 10 -10 m, duket se është e mjaftueshme. Kështu, forca që vepron në një palë elektrone në një molekulë hidrogjeni gjatë jonizimit duhet të jetë e barabartë me 5.10 * 10 -8 N. Për një elektron - 2.55 * 10 -8 N.
Sipas ligjit të Kulombit
R = sqrt(kQq/F)
Për një vrimë të zezë 14 kiloton kemi R = sqrt (8.99*10 9 *0.0117*1.6*10 -19 /2.55*10 -8) = 2.57 cm.
Elektronet e grisura nga atomet marrin një nxitim fillestar prej të paktën 1.40 * 10 32 m/s 2 (hidrogjen), jonet - të paktën 9.68 * 10 14 m / s 2 (oksigjen). Nuk ka dyshim se të gjitha grimcat e ngarkesës së kërkuar do të përthithen nga vrima e zezë shumë shpejt. Do të ishte interesante të llogaritet se sa energji grimcat e ngarkesës së kundërt do të kenë kohë për të hedhur në mjedis, por numërimi i integraleve prishet :-(Nuk e di si ta bëj këtë pa integrale :-(Ekstrakt, efektet vizuale do të ndryshojnë nga rrufeja me top shumë të vogël deri te topi i zjarrit plotësisht i mirë.
Me dielektrikë të tjerë, një vrimë e zezë bën të njëjtën gjë. Për oksigjen rrezja e jonizimit është 2,55 cm, për azotin është 2,32 cm, për neonin është 2,21 cm dhe për helium është 2,07 cm. Për kristalet, lejueshmëria është e ndryshme në drejtime të ndryshme, dhe zona e jonizimit do të ketë një formë komplekse. Për diamantin, rrezja mesatare e jonizimit (bazuar në vlerën e tabelës së konstantës së lejueshmërisë) do të jetë 8.39 mm. Jam i sigurt se kam gënjyer për gjëra të vogla pothuajse kudo, por rendi i madhësisë duhet të jetë i tillë.
Pra, një vrimë e zezë, pasi është futur në një dielektrik, humbet shpejt ngarkesën e saj elektrike, pa prodhuar ndonjë efekt special, përveç shndërrimit të një vëllimi të vogël dielektrik në plazmë.
Nëse godet një metal ose plazmë, një vrimë e zezë e ngarkuar e palëvizshme e neutralizon ngarkesën e saj pothuajse menjëherë.
Tani le të shohim se si ngarkesa elektrike e një vrime të zezë ndikon në atë që ndodh me një vrimë të zezë në zorrët e një ylli. Në pjesën e parë të traktatit, karakteristikat e plazmës në qendër të Diellit ishin dhënë tashmë - 150 ton për metër kub hidrogjen të jonizuar në një temperaturë prej 15,000,000 K. Tani për tani, ne e injorojmë paturpësisht heliumin. Shpejtësia termike e protoneve në këto kushte është 498 km/s, ndërsa elektronet fluturojnë me shpejtësi pothuajse relativiste – 21,300 km/s. Kapja e një elektroni kaq të shpejtë nga graviteti është pothuajse e pamundur, kështu që vrima e zezë do të fitojë shpejt një ngarkesë elektrike pozitive derisa të arrihet një ekuilibër midis përthithjes së protoneve dhe përthithjes së elektroneve. Le të shohim se çfarë ekuilibri do të jetë.
Forca e gravitetit që vepron në proton nga ana e vrimës së zezë
F p \u003d (GMm p - kQq) / R 2
Shpejtësia e parë "elektrohapësirë" :-) për një forcë të tillë merret nga ekuacioni
mv 1 2 /R = (GMm p - kQq)/R 2
v n1 = sqrt((GMm n - kQq)/mR)
Shpejtësia e dytë "elektrokozmike" e protonit është
v n2 = sqrt(2)v 1 = sqrt(2(GMm n - kQq)/(m n R))
Prandaj, rrezja e përthithjes së protonit është e barabartë me
R p = 2 (GMm p - kQq)/(m p v p 2)
Në mënyrë të ngjashme, rrezja e përthithjes së elektroneve është
R e \u003d 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)
Që protonet dhe elektronet të absorbohen me intensitet të barabartë, këto rreze duhet të jenë të barabarta, d.m.th.
2(GMm p - kQq)/(m p v p 2) = 2(GMm e + kQq)/(m e v e 2)
Vini re se emëruesit janë të barabartë dhe zvogëlojeni ekuacionin.
GMm p - kQq = GMm e + kQq
Çuditërisht, asgjë nuk varet nga temperatura e plazmës. Ne vendosim:
Q \u003d GM (m p - m e) / (kq)
Ne zëvendësojmë numrat dhe me befasi marrim Q \u003d 5.42 * 10 -22 C - më pak se ngarkesa e elektronit.
Ne e zëvendësojmë këtë Q në R p = R e dhe me habi edhe më të madhe marrim R = 7.80 * 10 -31 - më pak se rrezja e horizontit të ngjarjes për vrimën tonë të zezë.
PREVED MEDVED
Përfundimi është ekuilibri në zero. Çdo proton i gëlltitur nga vrima e zezë çon menjëherë në gëlltitjen e një elektroni dhe ngarkesa e vrimës së zezë përsëri bëhet zero. Zëvendësimi i një protoni me një jon më të rëndë nuk ndryshon asgjë në thelb - ngarkesa e ekuilibrit nuk do të jetë tre rend të madhësisë më pak se ajo elementare, por një, pra çfarë?
Pra, përfundimi i përgjithshëm është se ngarkesa elektrike e një vrime të zezë nuk ndikon ndjeshëm në asgjë. Dhe dukej shumë joshëse ...
Në pjesën tjetër, nëse as autori dhe as lexuesit nuk mërziten, ne do të shqyrtojmë një vrimë të zezë në miniaturë në dinamikë - se si ajo nxiton nëpër zorrët e një planeti ose ylli dhe gllabëron materien në rrugën e saj.
