Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Релятивистский закон сложения скоростей⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 14
Пусть система О ′ (ракета) движется со скоростью υ, а в ней летит вперёд пуля со скоростью и ′ (рис. 11.3). Тогда скорость пули и относительно неподвижной системы О (относительно Земли) будет такой: и = ≠ и′ + υ, (11.3) причём при любых и ′ и υ скорость и всегда будет меньше с. например, а) пусть и ′ = с /2 и υ = с /2; тогда и = (4/5) с; б) пусть и ′ = с и υ = с; тогда и = с. И лишь при и ′<< с или при υ << с выполняется классический закон сложения скоростей: и ≈ и ′ + υ. Отсюда следует, что скорость света с в вакууме является предельно достижимой скоростью в природе в любой системе отсчёта, и никакими способами её превзойти невозможно. Основной закон релятивистской динамики В любой инерциальной системе основной закон релятивистской динамики имеет тот же вид, что и классический второй закон Ньютона: Δ р / Δ t = F, где р = m υ = υ − релятивистский импульс тела. Гравитационное красное смещение Согласно общей теории относительности (ОТО), любая частица, обладающая энергией Е, имеет гравитационную массу m = E/c 2 . Следовательно, фотон с энергией Е = h νбудет взаимодействовать с гравитационным полем как частица с массой m ф = h ν /c 2 . Это приведёт к тому, что при излучении, например, Солнцем, фотон, поднимаясь в гравитационном поле Солнца, затрачивает часть своей энергии на совершение работы против силы тяжести. При этом потеря энергии фотоном −Δ Е ф = −Δ(h ν) = А = , (11.4) где G = 1/(15·109) − гравитационная постоянная. Для Солнца ( = 7·108 м, =2·1030 кг) относительное «покраснение» фотона ≈ 2·10−6, (11.5) (относительное увеличение длины волны Δλ/λ ≈ 2·10−6). Эффект уменьшения частоты (увеличение длины волны) при удалении фотона от большой массы называется гравитационным красным смещением. Если звезда имеет очень большую плотность, например, как нейтронная звезда (ρ ~ 1018 кг/м3, R ~ 10 км ), то величина Δν/ν может быть очень заметной, порядка 0,01 или 0,1. А у чёрных дыр гравитация такая, что энергии фотона h ν вообще не хватит для её преодоления, т. е. −Δν/ν ≥ 1, и такая звезда уже не будет излучать свет. Из (11.5) видно, что фотон не сможет преодолеть гравитацию звезды массой М (−Δν/ν = 1) с радиуса .
Вывод. Человек с горы видит стоящих внизу людей немножко красными, а сам он для людей снизу выглядит немножко голубым. Из формул (11.4) и (11.5) несложно оценить, − а на сколько именно произойдёт «покраснение» фотона при его подъёме на высоту горы в гравитационном поле Земли (масса Земли МЗ = 6·1024 кг, её радиус RЗ = 6400 км). Гравитационный коллапс Звёзды зарождаются из газо-пылевых облаков (туманностей) внутри нашей галактики. Газ − в основном водород. Под действием гравитации происходит сжатие газа, образуется компактное облако. По мере дальнейшего уплотнения облака оно разогревается, так как его гравитационная энергия W ≈ − GM 2 / R (М − масса шарового облака, R − его радиус), превращается в тепловую. Когда температура внутри шара достигает порядка 10 млн градусов, в нём начинаются термоядерные реакции − зажигается новая звезда (рис. 11.4 − 11.6). Ядерным топливам нашего Солнца, как и подобных ему «обычных» звёзд, является водород, который в ядерных реакциях превращается в гелий: + → + е+ + энергия; + → + энергия; + → + 2 + энергия. Исчерпав через несколько миллиардов лет водород, звёзда начинает сжигать гелий, превращая его в углерод с выделением огромной энергии: + + → + энергия. При этом давление внутри звезды растёт, она расширяется в сотни раз, превращаясь в красный гигант или даже в сверхгигант (например, сверхгигант Бетельгейзе, или α-Ориона: R α ≈ 300 млн км ≈ 400 , М α ≈ 20 ). Затем может «загореться» углерод. Ядерный ресурс звезды исчерпывается, когда все лёгкие элементы в недрах звезды превратятся в железо. Железо уже «не горит», т. е. ядра железа не могут превращаться в более тяжёлые ядра с выделением энергии. Звезда, лишённая источников энергии, охлаждается, давление в ней падает, и рано или поздно оно уже не может противостоять гравитационным силам. Звезда начинает сжиматься, её плотность возрастает, и итогом такого сжатия может стать одно из трёх состояний, в зависимости от исходной массы звезды. 1. Если масса звезды не превышает 1,5 массы Солнца, то сжатие звезды останавливается при средней плотности звёздного вещества 109 кг/м3 и радиусе R ≈ ≈ 7000 км. Такие звёзды, называемые белыми карликами, излучают свет за счёт остатков своей тепловой энергии в течение нескольких сотен миллионов лет, затем остывают и становятся невидимыми.
2. Если масса звезды составляет 2−4 солнечных, то под действием гравитации такая звезда сжимается до размеров в 10-20 км. Плотность её вещества достигает ядерной: ρ ~ 1017…1018 кг/м3. Это самые плотные объекты во вселенной. При такой плотности происходит как бы «вдавливание» электронов атомов в ядра, и из слияния электронов с протонами образуются нейтроны, которые, уже беспрепятственно сближаясь друг с другом, образуют упаковку с ядерной (нейтронной) плотностью. Так возникает нейтронная звезда, или пульсар. Нейтронные звёзды были открыты в 1967 году, когда с помощью радиотелескопов были зарегистрированы столь частые вспышки излучения (с периодом около 1 с), что они могли производиться только маленькими сверхплотными объектами. Впоследствии они были названы пульсарами. Сейчас известно свыше ста пульсаров. Одни излучают только в радиодиапазоне, другие – во всех диапазонах, от радио- до гамма-. Большинство пульсаров имеют период вращения от 10 мс до 100 с. Один из самых «быстрых» пульсаров имеет период Т = 1,6 мс и находится от нас на расстоянии около 15000 св. лет. Его диаметр 10 км, а гравитация настолько велика, что даже при столь быстром вращении он не разваливается. Частота вращения пульсаров исключительно стабильна – по крайней мере, до девятого знака – это одна секунда за 30 лет. Самые точные атомные часы, используемые сейчас как эталон времени, имеют относительную погрешность порядка 10–14. 3. Если масса звезды достаточно велика, в 4−5 раз больше солнечной, то происходит так называемый гравитационный коллапс – неудержимое сжатие звезды до таких размеров и плотностей (ρ >2·1019 кг/м3), что её гравитационное поле уже не могут преодолеть не только никакие тела, но и кванты света: звезда превращается в чёрную дыру. Пока никакие теоретические расчёты не могут оценить ни размеры, ни плотность чёрной дыры, да и сами эти понятия внутри черной дыры теряют смысл, так как в сильных гравитационных полях изменяется геометрия пространства − оно становится неевклидовым (линейка не только будет изменять свою длину, но и станет «кривой»). Чёрные дыры проявляют себя только через гравитационное воздействие на соседние звёзды и через рентгеновское излучение падающего на них вещества (аккрецию). Когда говорят о «размерах» чёрной дыры, то имеют в виду её гравитационный радиус (радиус сферы Шварцшильда) , где М – масса звезды, породившей чёрную дыру. Для этого радиуса вторая космическая скорость (т. е. скорость, необходимая для преодоления гравитации звезды) должна быть равна скорости света: υ2 = . Всё, что находится под этим радиусом, преодолеть гравитацию чёрной дыры уже никогда не сможет.
Если бы наше Солнце, не теряя массы ( = 2·1030 кг), начало сжиматься в чёрную дыру, то его гравитационный радиус rg,был бы около 3 км. Для нашей же Земли (М З = 6·1024 кг) гравитационный радиус rg = 8 мм. Термин «чёрная дыра» был введён в 1968 году. Для описания свойств чёрных дыр необходимо в полной мере использовать общую теорию относительности Эйнштейна (ОТО). Предполагается, что сверхмассивные чёрные дыры имеются в ядрах галактик.
11.10. Аккреция Температура поверхности некоторых пульсаров составляет десятки миллионов градусов, а их светимость в рентгеновском диапазоне в 103 −104 раз превышает полную светимость Солнца, несмотря на их маленькие размеры. Чем же вызвана столь высокая температура их поверхности? Наблюдения показали, что многие пульсары – это не просто одиночные нейтронные звезды, а нейтронные компоненты двойных звезд. Другой компонентой является обычная звезда, как правило,− красный гигант. И они движутся по своим круговым орбитам вокруг их общего центра масс. Такие звёздные пары являются довольно тесными, находящимися на расстояниях, сравнимых с их радиусами. Это приводит к явлению, называемому аккрецией, – перетеканию вещества из одной компоненты в другую: нейтронная компонента своей мощной гравитацией высасывает вещество из своей соседки – обычной звезды (рис. 11.7). Скорость падения этого вещества на поверхность нейтронной звезды при этом очень большая, сравнимая со скоростью света. Её можно оценить по формуле, вытекающей из закона сохранения энергии: υ , где М – масса нейтронной звезды, r – её радиус. Если принять М = = 2·1030 кг, r = 10 км, G = 1/(15·109), то скорость падения υ ≈ 1,5·108 м/с = с /2! Падение вещества с такой скоростью вызывает, с одной стороны, сильный разогрев нейтронной звезды, а с другой, вследствие резкого торможения вещества при ударе о поверхность нейтронной звезды, – мощное тормозное рентгеновское излучение. Картина здесь аналогична той, которая наблюдается в рентгеновской трубке. Зная светимость нейтронной звезды (р ≈1030 Дж/с), несложно подсчитать, что темп аккреции составляет порядка 1014 кг/с. В таком темпе обычная звезда может поставлять вещество своей маленькой нейтронной соседке в течение многих миллионов лет.
* ) Это следует из равенств: d υ2 = d (υ·υ) = 2(υ· d υ).
|
|||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-19; просмотров: 281; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.218.55.14 (0.021 с.) |