Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Для каждой черной дыры существует максимальная скорость, с которой она может вращаться. Критическая поверхность для черной дыры, вращающейся с максимальной скоростью, лежит на половине радиуса Шварцшильда от ее центра. Вне критической поверхности лежит область, называемая эргосферой, где скорость пространственного вихря превышает скорость света. При благоприятных обстоятельствах частицы могут поглощать немного вращательной энергии черной дыры в этой области и вылетать из нее, унося энергию с собой.

Обращение одного тела вокруг другого тела в пространстве легко можно понять. Но как понять, что само пространство вращается вокруг центрального тела? Это выходит за рамки здравого смысла.

Обычно мы думаем о пространстве как о жестком фоне, относительно которого мы измеряем движение. Но из общей теории относительности следует, что реальное пространство эластично, и это его свойство имеет наблюдательные проявления.

Увлечение пространства вокруг вращающихся тел долго оставалось лишь гипотезой, высказанной австрийскими физиками Джозефом Лензе и Гансом Тиррингом в 1918 году. До 2004 года не было возможности измерить этот эффект в пространстве, окружающем вращающуюся Землю. Изучая движение двух искусственных спутников Земли — LAGEOS I и II, группа под руководством Игнацио Куифолини из университета Лечче (Италия) и Эррикос Павлис (Мэрилендский университет) обнаружила, что плоскости орбит спутников поворачиваются примерно на два метра в год в направлении вращения Земли. Этот результат согласуется с прогнозом Лензе и Тирринга с точностью 10 %. Недавно запущенный спутник «Gravity Probe В», специально сконструированный в Стэнфордском университете и НАСА для измерения вращения пространства, сейчас пытается подтвердить этот результат.

Одним из явлений, связанных с эластичностью пространства, являются гравитационные волны — небольшие изменения кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Хотя американский физик Джозеф Вебер (1919–2000) еще в 1967 году утверждал, что открыл гравитационные волны, в действительности до сих пор нет прямого подтверждения их обнаружения.

На протяжении многих лет Вебер был единственным исследователем в этой области. Его детектор представлял собой 1,5-тонный алюминиевый цилиндр, подвешенный в вакуумном контейнере, изолированный от внешних воздействий, насколько это было возможно. Когда гравитационная волна пронизывает цилиндр, он начинает колебаться с характерной для него частотой. Амплитуда колебаний должна быть очень маленькой, не более 10–15 см, или 1 % диаметра протона. Понятно, что очень трудно измерить такое крохотное расстояние. Более того, любые происходящие поблизости вибрации — от проходящего транспорта до землетрясения — тоже могут заставить цилиндр колебаться. Поскольку никто другой не смог обнаружить гравитационные волны, считается, что колебания Вебера были вызваны внешними толчками. Тем не менее ожидаемый эффект от этой пространственной ряби настолько мал, что наша неспособность обнаружить гравитационные волны вовсе не означает, что их не существует.

В новом типе детектора лазер измеряет расстояние между свободно подвешенными массами (зеркалами). Антенна LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационная обсерватория) в США состоит из двух таких детекторов, разделенных расстоянием в 1000 км. В отличие от локальных «шумов» каждого детектора, истинные гравитационные волны, проходящие через Землю, будут отмечены обоими детекторами (рис. 15.9). Похожая гравитационноволновая обсерватория VIRGO действует в Италии.

Рис. 15.9. Гравитационноволновая обсерватория LIGO в США: вид с воздуха на антенну в Хенфорде, состоящую из двух вакуумных труб протянувшихся каждая на 4 км от лаборатории. Такая же антенна работает в Ливингстоне. Фото: LIGO Laboratory.

К настоящему времени уже получены косвенные доказательства существования гравитационных волн. Двойная нейтронная звезда PSR 1913+16, судя по всему, излучает гравитационные волны. Наблюдения за движением звезд показывают, что эта двойная система теряет энергию, и ничем другим кроме излучения гравитационных волн это объяснить нельзя. Темп потери энергии хорошо согласуется с прогнозом общей теории относительности. Это совпадение рассматривают как подтверждение существования гравитационных волн, хотя излучение PRS 1913+16 прямо не удается измерить гравитационноволновыми антеннами.

Перспективным объектом для прямого наблюдения считается двойная черная дыра в квазаре OJ287, которую мы обсудим ниже. Это далекий внегалактический объект, причем один из компонентов этой системы массивнее обычной звезды в 1010 раз. Скорость потери энергии этой двойной системой недавно была подтверждена международной группой исследователей под руководством астрономов обсерватории Туорла (Финляндия). Подтверждение удалось получить 13 сентября 2007 года, в тот драматический момент, когда OJ 287 внезапно усилил свой блеск до уровня светимости 10 000 млрд Солнц. Следующее поколение гравитационноволновых антенн должно быть способно подтвердить излучение гравитационных волн квазаром OJ 287. Новое важное окно во Вселенную готово распахнуться.

Глава 16 Атомы и ядра

Свет мы сейчас представляем как колебания электрического и магнитного полей, которые каким-то образом распространяются в пространстве. Разумеется, далее мы еще будем обсуждать природу света, но сейчас мы зададим себе вопрос: «Что такое вещество?» Древнегреческий философ Эмпедокл (см. главу 2) высказывал много интересных идей об устройстве природы. Например, он предвидел, что свет распространяется с конечной (очень высокой) скоростью, и спустя многие века это подтвердилось. Он говорил также, что вещество состоит из четырех элементов — земли, воды, воздуха и огня. И эта идея оставалась ведущей еще в Средневековье, вплоть до XVII века.

Идею о четырех элементах критиковал Роберт Бойль. Он считал, что вещество состоит из часгиц различного рода, что плотное вещество образуется из скоплений часгиц и что химические изменения происходят в результате перестройки этих скоплений. В своей работе «Sceptical Chymist» (1661) Бойль критиковал алхимиков, пытавшихся получать золото из других элементов. Он определил элемент как субстанцию, которая не может быть никак раздроблена на более мелкие части; так он заложил основу химии как научной дисциплины.

Бойль также понимал, что тепло является показателем внутренних движений частиц вещества. Попробуйте вбить гвоздь в деревянный брусок. Пока гвоздь продвигается вперед, вы не заметите его нагрева. Но если продолжать бить по гвоздю после того, как он по шляпку ушел в дерево, то гвоздь начнет нагреваться. Удары по гвоздю уже не продвигают его дальше, а вызывают быстрые движения внутри гвоздя, которые проявляются как нагрев, или тепловая энергия (рис. 16.1).

Гораздо позже немецкий врач Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) объяснил тепло как форму энергии. Приход фон Майера в фи-зику был достаточно необычен. Будучи судовым врачом, во время путешествия к острову Ява он заметил, что венозная кровь моряков стала краснее, чем дома. Он знал о предложенной Лавуазье теории, что нагрев тела вызывается процессом горения, для которого кровь выделяет кислород. Возможно, кровь стала краснее потому, что в тропиках горение не такое сильное? Это заставило Майера задуматься о связи тепла с механической работой, производимой мускулами. Он пришел к выводу, что тепло и работа являются двумя формами энергии. Существуют разные виды энергии, и их сумма сохраняется в физических процессах и, в конце концов, во Вселенной в целом. Таким образом, он стал первым ученым, утверждавшим, что сохранение энергии имеет всеобъемлющий характер. Но идея Майера, опубликованная в частных брошюрах, осталась незамеченной. Позже он очень переживал, когда похожие идеи приписывались Джоулю.

Рис. 16.1. Роберт Бойль (1627–1691) рассматривал тепло как проявление движения частиц. В горячем газе скорости хаотически движущихся молекул в среднем больше, чем в холодном газе.

Впрочем, Джеймс Джоуль (1818–1889) пришел к таким же выводам независимо от Майера. Его искусные опыты с теплом, электричеством и механической работой были необходимы научной общественности для признания сохранения энергии. Этот богатый английский пивовар смог посвящать большую часть времени своему увлечению, сравнивая различные формы энергии.

В XVIII веке считалось, что горящее вещество теряет огненный элемент флогистон и что именно это служит причиной уменьшения свечи при горении. Заслуга в открытой истинной природы горения принадлежит Антуану Лорану Лавуазье, универсальному ученому, который был и математиком, и метеорологом, и геологом (рис. 16.2). В возрасте всего лишь 25 лет его избрали членом Академии наук в Париже. Примерно тогда же он получил удобную работу сборщика налогов. Химией он занялся позднее, когда работал в Королевском управлении пороха, где проводил различные опыты, в том числе — с горением фосфора и серы. Он обнаружил, что продукты сгорания весят больше исходного вещества и что эта разница как раз равна уменьшению веса воздуха. Лавуазье опознал активную составляющую воздуха и назвал ее кислородом. Флогистон теперь стал не нужен.