IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
КРОТОВЫЕ НОРЫ И ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В фантастических романах описываются целые транспортные сети, соединяющие звездные системы и исторические эпохи, так называемые порталы, машины времени. Но гораздо более удивительным представляется то, что машины времени и тоннели в пространстве вполне серьезно, как гипотетически возможные, активно обсуждаются не только в статьях по теоретической физике, на страницах солидных научных изданий, но и в средствах массовой информации. Появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых «кротóвыми норами».
Подбирая материал к НПК по теме «Чёрные дыры», мы столкнулись с понятием «Кротóвые норы». Данная тема нас заинтересовала, и мы провели сравнение между ними.
Цель работы: Сравнительный анализ чёрных дыр и кротóвых нор.
Задачи: 1. Собрать материал о чёрных дырах и кротóвых норах;
2. Сделать подробный анализ полученной информации;
3. Сравнить чёрные дыры и кротóвые норы;
4. Создать познавательный фильм для учащихся.
Гипотеза: Возможно ли путешествие в пространстве-времени благодаря кротóвым норам.
Объект исследования: литература и другие ресурсы о кротóвых норах и чёрных дырах.
Предмет исследования: версии о существовании кротовых нор.
Методы: изучение литературы; использование Интернет-ресурсов.
Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках физики и во внеклассных занятиях по этому предмету.
В представленной работе использовались материалы научных статей, периодической печати, ресурсы сети Интернет.
Глава 1. Историческая справка
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во Вселенной существуют специальные «мосты» через пространство-время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна-Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую. [1; 3]
Теоретически кротóвая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). Входы в кротóвые норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять, как прямой отрезок пространства, так и спиральный. [3]
Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса. Но в 90-е годы XX века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии темной энергии.
Англоязычным термином, который с 90-х годов прижился для «кротóвых нор» стал «wormhole» (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер. На русский язык «wormhole» переводится как «червячная дыра». Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. Среди предложенных терминов были такие как: «червячная нора», «вормхол», «червоточина», «мост», «кротóвая нора», «туннель» и т.д. В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике. В результате этого голосования победил термин «кротовая нора». [7]
В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. ‒ всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд ‒ общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром. Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, ‒ черная дыра. [2; 4]
Глава 2. Кротовая нора и черная дыра
2.1. Кротовая нора
Крото́вая нора́ ‒ предполагаемая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве.
Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Различают проходимые и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют (разрушаются) слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал успели добраться от одного входа до другого. [2]
Разгадка кроется в том, что согласно эйнштейновской теории тяготения ‒ общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и ‒ чем она плотнее, тем сильнее искривление.
Одно из мест обитания «кротовых нор» ‒ центры галактик. Но здесь главное не перепутать их с черными дырами, огромными объектами, которые также находятся в центре галактик. Масса их ‒ миллиарды наших Солнц. При этом черные дыры обладают мощнейшей силой притяжения. Она настолько велика, что даже свет не может вырваться оттуда, поэтому разглядеть в обычный телескоп их невозможно. Сила притяжения «кротовых нор» также огромна, однако если заглянуть вовнутрь «кротовой норы», можно увидеть свет прошлого.
Кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны, называются проходимыми кротовыми норами. Существуют и непроходимые кротовые норы. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из-под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).
Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Могут существовать и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.
Особенностями кротовых нор являются следующие характеристики:
- Кротовая нора должна соединять между собой две не искривленные области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок ‒ горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено.
- Кротовая нора может соединять либо две разные Вселенные, либо одну и ту же Вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи.
- Понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать.
Исследование моделей кротовых нор показывает, что для их стабильного существования в рамках теории относительности Эйнштейна необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной. Для стабильного существования кротовой норы достаточно сколько угодно малого количества фантомной материи - скажем всего 1 миллиграмм (а может и еще меньше). В этом случае остальная часть материи, поддерживающая кротовую нору, должна удовлетворять условию: сумма плотности энергии и давления равна нулю. А в этом ничего необычного уже нет: даже самое обыкновенное электрическое или магнитное поле удовлетворяет этому условию. Это как раз именно то, что нужно для существования кротовой норы со сколько угодно малой добавкой фантомной материи.
2.2. Черная дыра
Чёрная дыра ‒ область в пространстве-времени. Гравитационное притяжение 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.
Теоретически, возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Первое было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное». Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды». [2]
Различают четыре сценария образования чёрных дыр:
два реалистичных:
гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды;
коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;
и два гипотетических:
формирование чёрных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные чёрные дыры);
возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.
Условия, при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению. [8]
Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.
25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра.
Исследователи чёрных дыр различают первичные чёрные дыры и квантовые. Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе ‒ их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр. В результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации.Заключение
Если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. На сегодняшний день теория физики кротовых нор и черных дыр является чисто теоретической наукой. Кротовые норы – это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках специальной теории относительности Эйнштейном в 1935 году.
Общая теория относительности математически доказывает вероятность существования кротовых нор, но до сих пор ни одна из них не была обнаружена человеком. Сложность ее обнаружения заключается в том, что предполагаемая огромная масса кротовых нор и гравитационные эффекты просто поглощают свет и не дают ему отразиться.
Проанализировав всю найденную информацию, мы узнали, чем отличаются кротовые норы от черных дыр и пришли к выводу, что мир космоса еще очень мало изучен, и человечество стоит на пороге новых открытий и возможностей.
На основе проделанного исследования был создан учебный фильм «Кротовые норы и Черные дыры», который используется на уроках астрономии.
Список использованных источников и литературы
Бронников, К. Мост между мирами / К. Бронников [Электронный ресурс] // Вокруг света. 2004. Май. – Режим доступа // http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/355/ (18.09.2017).
Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%B0 (30.09.2017);
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Зима, К. «Кротовая нора» - коридор времени / К. Зима // Вести.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://www.vesti.ru/doc.html?id=628114 (20.09.2017).
Кротовые норы и Черные дыры [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://ru.itera.wikia.com/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D1%8B_%D0%B8_%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D1%8B (30.09.2017).
Кротовые норы. Популярная наука с Анной Урманцевой [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=BPA87TDsQ0A (25.09.2017).
Кротовые норы пространства. [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=-HEBhWny2EU (25.09.2017).
Лебедев, В. Человек в кротовой норе (обзор) / В. Лебедев // Лебедь. Независимый альманах. [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://lebed.com/2016/art6871.htm (30.09.2017).
Сквозь червоточину, Есть ли край у вселенной. [Электронный ресурс]. – Режим доступа // https://donetskua.io.ua/vcc643aa0ba7d25acaabac4f86a05d038 (25.09.2017).
Черная дыра [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://ru-wiki.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Черные дыры. Вселенная [Электронный ресурс]. – Режим доступа // https://my.mail.ru/bk/lotos5656/video/_myvideo/25.html (25.09.2017).
Что такое кротовая нора. Чтиво [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://hi-news.ru/research-development/chtivo-chto-takoe-krotovaya-nora.html (18.09.2017).
Шацкий, А. Кротовые норы: что это - миф, врата в другие миры или математическая абстракция? [Электронный ресурс]. – Режим доступа // http://www.znanie-sila.su/?issue=zsrf/issue_121.html&r=1 (18.09.2017).
Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия [Текст] / Глав. ред. М. Аксёнова; метод. ред. В. Володин, А. Элиович. – М.: Аванта, 2004. С. 412-413, 430-431, 619-620.