Космология – наука о строении и эволюции Вселенной

2) Каким бы  сложным ни было исходное тело, после его сжатия в черную дыру внешний наблюдатель может определить только три его параметра: полную массу, момент импульса (связанный с вращением) и электрический заряд. Все остальные особенности тела (форма, распределение плотности, химический состав и т.д.)в ходе коллапса «стираются». То, что для стороннего наблюдателя структура черной дыры выглядит чрезвычайно простой, Джон Уилер выразил шутливым утверждением: «Черная дыра не имеет волос».

В процессе коллапса звезды в черную дыру за малую долю секунды (по часам удаленного наблюдателя) все ее внешние особенности, связанные с исходной неоднородностью, излучаются в виде гравитационных и электромагнитных волн. Образовавшаяся стационарная черная дыра «забывает» всю информацию об исходной звезде, кроме трех величин: полной массы, момента импульса (связанного с вращением) и электрического заряда. Изучая черную дыру, уже невозможно узнать, состояла ли исходная звезда из вещества или антивещества, была ли она вытянутой или сплюснутой и т.п. В реальных астрофизических условиях заряженная черная дыра будет притягивать к себе из межзвездной среды частицы противоположного знака, и ее заряд быстро станет нулевым. Оставшийся стационарный объект либо будет невращающейся «шварцшильдовой черной дырой», которая характеризуется только массой, либо вращающейся «керровской черной дырой», которая характеризуется массой и моментом импульса.

3) Если исходное  тело вращалось, то вокруг черной  дыры сохраняется «вихревое»  гравитационное поле, увлекающее  все соседние тела во вращательное движение вокруг нее. Поле тяготения вращающейся черной дыры называют полем Керра (математик Рой Керр в 1963 нашел решение соответствующих уравнений). Этот эффект характерен не только для черной дыры, но для любого вращающегося тела, даже для Земли. По этой причине размещенный на искусственном спутнике Земли свободно вращающийся гироскоп испытывает медленную прецессию относительно далеких звезд. Вблизи Земли этот эффект едва заметен, но вблизи черной дыры он выражен гораздо сильнее: по скорости прецессии гироскопа можно измерить момент импульса черной дыры, хотя сама она не видна.

Чем ближе мы подходим к горизонту черной дыры, тем сильнее становится эффект увлечения «вихревым полем». Прежде чем достичь горизонта, мы окажемся на поверхности, где увлечение становится настолько сильным, что ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным (т. е. быть «статическим») относительно далеких звезд. На этой поверхности (называемой пределом статичности) и внутри нее все объекты должны двигаться по орбите вокруг черной дыры в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Независимо от того, какую мощность развивают его реактивные двигатели, наблюдатель внутри предела статичности никогда не сможет остановить свое вращательное движение относительно далеких звезд.

Предел статичности  всюду лежит вне горизонта  и соприкасается с ним лишь в двух точках, там, где они оба пересекаются с осью вращения черной дыры. Область пространства-времени, расположенная между горизонтом и пределом статичности, называется эргосферой. Объект, попавший в эргосферу, еще может вырваться наружу. Поэтому, хотя черная дыра «все съедает и ничего не отпускает», тем не менее, возможен обмен энергией между ней и внешним пространством. Например, пролетающие через эргосферу частицы или кванты могут уносить энергию ее вращения.

4) Все вещество  внутри горизонта событий черной  дыры непременно падает к ее центру и образует сингулярность с бесконечно большой плотностью. Английский физик Стивен Хоукинг определяет сингулярность как «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

5) Кроме этого  С.Хоукинг открыл возможность  очень медленного самопроизвольного  квантового «испарения» черных  дыр. В 1974 он доказал, что  черные дыры (не только вращающиеся, но любые) могут испускать вещество и излучение, однако заметно это будет лишь в том случае, если масса самой дыры относительно невелика. Мощное гравитационное поле вблизи черной дыры должно рождать пары частица-античастица. Одна из частиц каждой пары поглощается дырой, а вторая испускается наружу. Например, черная дыра с массой 10¹² кг должна вести себя как тело с температурой 10¹¹ К, излучающее очень жесткие гамма-кванты и частицы. Идея об «испарении» черных дыр полностью противоречит классическому представлению о них как о телах, не способных излучать.

-Понятие кривизны пространства

Кривизна пространства-времени, в общей теории относительности  величина, характеризующая меру отклонения свойств пространства-времени от свойств так называемого плоского пространства-времени специальной теории относительности.. 

-Гравитационные  волны 
     Согласно общей теории относительности Эйнштейна, в поле тяготения могут распространяться гравитационные волны. Источником гравитационного излучения может быть любая масса, движущаяся с переменным ускорением. Мощность гравитационного излучения определяется произведением массы на первую производную ускорения (ускорение ускорения).  
     Все гравитационные массы (в отличие от электрических зарядов) имеют один и тот же знак и величина гравитационной массы строго пропорциональна величине инертной массы. Если в некоторой системе массивных тел, движущихся с переменным ускорением, центр инертных масс этих тел остается на месте, то остается на месте и центр гравитационных масс. Это значит, что гравитационное излучение одной движущейся с переменным ускорением массы этой системы будет в значительной степени компенсироваться излучением другой. Такой излучатель называется квадрупольным.

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов, но на данный момент нет достоверных сведений об их непосредственной регистрации. 

Гравитацио́нный ра́диус (ра́диус  сферыШва́рцшильда)

Гравитацио́нный ра́диус (или ра́диус Шва́рцшильда) представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой в Общей теории относительности, если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась), и целиком лежала бы внутри этой сферы.

По величине гравитационный радиус совпадает с  радиусом сферически-симметричного  тела, для которого в классической механике вторая космическая скорость на поверхности была бы равна скорости света. 
 

Проблема  темной материи

"Темная материя" (или "скрытая масса" - англ. Dark matter, в космологии и астрофизике также тёмное вещество, тёмная энергия) - общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающие электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемым косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на наблюдаемые объекты.  

Из какого вещества состоит в основном Вселенная? Расчеты  нуклеосинтеза показывают, что темная материя Вселенной не состоит из обычной материи - нейтронов и протонов?

Эту материю  мы не можем наблюдать, но она имеет  значительную массу и непонятно  из чего состоит.

Это вещество, не испускает и не поглощает электромагнитное излучаение, но участвует в гравитационных взаимодействиях (притягивает к себе, или искривляет траекторию "светлого вещества"). Поэтому наблюдать "темную материю" непосредственно невозможно. О ее существовании свидетельствуют результаты наблюдений за искривлением проходящих мимо скоплений "темной материи" световых лучей под действием её силы притяжения.

устойчивость  вселенной и антропный принцип

Антропный принцип впервые в 1958 г. был предположен  нашим соотечественником  Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, что бы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни  установлены строго определенные отношения.

антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного, в центральный, приоритетный. Антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных

При использовании  антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что, с точки зрения современной физики, доказывает существование множества миров.

Фундаментальные взаимодействия и мировые константы

В настоящее  время известны четыре фундаментальных  взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия по сути своих названий относятся к силам, возникающим в гравитационных и электромагнитных полях. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитационное.

Этим основным взаимодействиям соответствуют  четыре мировых константы. Заметим, что подавляющее число физических констант имеют размерности, зависящие  от системы единиц отсчета.

Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы - фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Константа сильного взаимодействия количественно определяет взаимодействие барионов. Константа слабого взаимодействия связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.

Таким образом, считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают  нынешнее строение и существование  Вселенной. Так, гравитационное - удерживает планеты на их орбитах и тела - на Земле. Электромагнитное - удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых, в том числе, состоим и мы сами. Слабое - обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования ядер атомов.

КСЕ   

С глубокой древности  и до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный мир  олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного  разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселенная конечна - обладает ограниченным объемом и временем существования.  
    Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселенной ведут от момента, при котором, как полагают, внезапно нарушилось состояние сингулярности и произошел "Большой Взрыв". По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" (ТБВ) в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Единственной брешью в прекрасном сооружении ТБВ они считают проблему Начала - физического описания сингулярности. Однако и тут преобладает оптимизм: ожидают, что с созданием "Теории Всего Сущего", объединяющей все фундаментальные физические силы в единое универсальное взаимодействие, эта проблема будет автоматически решена. Тем самым построение модели мироздания в наиболее общих и существенных чертах благополучно завершится.