(Universul care se prăbușește sau Istoria găurilor negre)

Ediție:

azimov

Isaac Azimov. Doamna gravitațională a universului

Traducător: Radka Dinekova

Recenzent: Valeri Golev

Recenzori ai traducerii: Nadka Stoyanova, Krassimira Abadjieva

Editor: Valeri Golev

Artist de copertă: Vladimir Minchev

Artist-editor: Dimitar Petkov

Editor tehnic: Yordanka Ivanova

Corector: Slavka Krasteva

American. Ediția I.

Format 70X90/32 Cuptor. mașini 18.00 Ed. când 10.51 PEC 12.19

Editura de Stat Narodna Prosveta - Sofia, 1990.

Compania de stat „Polyprint” - Vratsa

Pe alte site-uri:

Cuprins

  • 1. Particule și forțe
    • 1
    • Cele patru forțe
    • Atomi
    • Densitate
    • Gravitatie
  • 2. Planetele
    • Pământul
    • Celelalte planete
    • Viteza de evitare
    • Densitatea și formarea planetelor
  • 3. Materie densă
    • Intestinele planetelor
    • Rezistența la presiune
    • Stelele
    • Materie degenerată
  • 4. Pitici albi
    • Giganți roșii și sateliți întunecați
    • Superdensitate
    • Schimbarea la roșu a lui Einstein
    • Formarea piticilor albi
  • 5. Materie explozivă
    • Big Bang-ul
    • Secvența principală
    • Nebuloasele planetare
    • Noile stele
    • Supernove
  • 6. Stele de neutroni
    • Dincolo de piticii albi
    • Dincolo de lumină
    • Pulsari
    • Proprietățile stelelor de neutroni
    • Efecte de maree
  • 7. Găuri negre
    • Victoria finală
    • Detectarea găurilor negre
    • Mini găuri negre
    • Utilizarea găurilor negre
  • 8. Sfârșiturile și începuturile
    • Sfarsit?
    • Lovituri de ciocănitoare * și găuri albe
    • Quasarii
    • Oul cosmic
  • Anexa 1. Exprimarea numerelor sub formă de grade
  • Anexa 2. Sistemul metric
  • Anexa 3. Scale de temperatură

Gravitatie

Deci, în această carte am vorbit deja multe despre forțele nucleare, despre forțele electromagnetice și am evitat să vorbim despre forțele slabe, deoarece acestea sunt relativ nesemnificative pentru obiectivele pe care ni le-am propus până acum. Abia am menționat forța gravitației și este esențială pentru carte. De fapt, vom vorbi despre forța gravitațională atât de des încât, atunci când vine vorba de ea, o vom numi pur și simplu gravitație.

Gravitația afectează orice particulă [1] care are o masă - hadroni, leptoni și orice combinație a acestora - adică. pe toate obiectele pe care le vedem în jurul nostru pe Pământ și pe cele pe care le vedem pe cer. Putem extinde Tabelul 2 adăugând forțe slabe și gravitație. Va deveni apoi Tabelul 4.

Tabelul 4. Particulele și cele patru forțe Putere Proton Neutron Electron
Nuclear da da Nu
Electromagnetic da Nu da
Slab Nu Nu da
Gravitațional da da da

Dintre cele patru forțe, gravitația este cea mai slabă, după cum se poate vedea din Tabelul 1. Este mai bine să demonstreze acest lucru decât să îl revendici doar prin matematică foarte simplă.

Imaginați-vă că priviți masele a două obiecte care sunt singure în univers. Forța gravitațională dintre cele două obiecte poate fi reprezentată de ecuația compilată pentru prima dată de omul de știință englez Isaac Newton (1642–1727):

F (g) = Gmm ’/ d 2 (1)

În această ecuație F (g) este forța gravitațională dintre cele două corpuri, m este masa unui corp, m ’este masa celuilalt, d este distanța dintre ele și G este constanta gravitațională universală.

Trebuie să fim atenți la unitățile de măsură. Se obișnuiește să se măsoare masa în grame (g) și distanța în centimetri. G se măsoară în unități mai complexe, care nu ne interesează aici. Dacă folosim grame și centimetri, forța gravitațională este măsurată în unități numite dyn. [2]

Din câte știm, valoarea lui G este constantă peste tot în univers (există o anumită problemă cu aceasta, pe care o vom discuta mai târziu în carte). Această valoare, exprimată în unitățile pe care le folosim, este 6,67 X 10 –8 sau 0,0000000667. Să presupunem că cele două corpuri pe care le luăm în considerare sunt la o distanță de 1 cm, astfel încât d = 1 cm și deci d 2 = d X d = 1 X 1 = 1. Ecuația (1) ia următoarea formă:

F (g) = 6,67 x 10-8 mm ’(2)

Acum imaginați-vă că privim un electron și un proton. Masa electronului (m) este de 9,1 X 10 –28 g. Masa protonului (m ’) este 1,7 X 10 –24 g. Dacă înmulțim aceste două numere și apoi înmulțim produsul cu 6,67 X 10 –8, obținem 1 X 10 –58 din, sau 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 din. (Iată un exemplu despre modul în care notarea numerelor este preferabilă notării zecimale regulate.)

Prin urmare, putem spune că atracția gravitațională dintre un proton și un electron, atunci când se află la o distanță de 1 cm una de cealaltă, este:

F (g) = 1 x 10 -58 din (3)

Acum să ne întoarcem la forța electromagnetică și să facem o ecuație pentru această forță între două obiecte încărcate care sunt singure în univers.

Exact la o sută de ani după ce Newton a scris ecuația forței gravitaționale, fizicianul francez Charles Augustin de Coulomb (1736–1806) a arătat că o ecuație similară ar putea fi utilizată pentru a determina forța electromagnetică. Ecuația are următoarea formă:

În această ecuație, F (e) este forța electromagnetică dintre cele două corpuri, q este sarcina electrică a unui corp, q ’este sarcina electrică a celuilalt și d este distanța dintre ele. Și aici distanța se măsoară în cm și, dacă determinăm sarcina electrică în așa-numitele unități electrostatice, nu va fi necesar să introducem un termen analog constantei gravitaționale pentru a reflecta faptul că corpurile sunt în vid. . (Presupunând că corpurile sunt singure în univers, este firesc să presupunem că există un vid între ele.) Mai mult, dacă folosim aceste unități, F (e) va fi măsurat și în din.

Dacă presupunem acum că cele două corpuri sunt la o distanță de 1 cm, atunci d 2 va fi, de asemenea, egal cu 1 și ecuația va lua forma:

Să presupunem că ne uităm încă la electron și la proton. Cele două particule au aceleași sarcini electrice (deși opuse în semn), fiecare dintre acestea fiind de 4,8 X 10-10 unități electrostatice. Produsul qq ’este egal cu 4,8 X 10 –10 X 4,8 X 10 –10 = 2,3 X 10 –19 din.

Prin urmare, forța electrostatică dintre un proton și un electron, care sunt situate la o distanță de 1 cm una de cealaltă, este:

F (e) = 2,3 x 10 -19 din (6)

Dacă vrem să aflăm cu cât este mai mare forța electromagnetică decât forța gravitațională, trebuie să împărțim F (e) la F (g). Deoarece cele două forțe sunt exprimate în pepene verde în condițiile pe care le-am clarificat mai sus, pepenii vor fi scurtați și vom obține un număr adimensional „pur”.

Dacă împărțim ecuația (6) la ecuația (3), obținem:

F (e)/F (g) = 2,3 x 10 -19/1 x 10 -58 = 2,3 x 10 -39 (7)

Cu alte cuvinte, forța electromagnetică este de 2.300.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de ori mai mare decât forța gravitațională.

Pentru a ne face o idee despre cât de mare este această diferență, să reprezentăm forța gravitațională printr-o masă de 1 g. Atunci ce masă ar trebui să folosim pentru a reprezenta magnitudinea forței electromagnetice? Această masă va fi egală cu masa unui milion de corpuri ca Soarele nostru.

Sau imaginați-vă că magnitudinea forței gravitaționale este reprezentată de o distanță egală cu mărimea unui atom. Atunci magnitudinea forței electromagnetice va fi reprezentată de o distanță care este de mii de ori mai mare decât dimensiunea întregului univers cunoscut.

Gravitația este cea mai slabă dintre cele patru forțe. Chiar și așa-numitele forțe slabe sunt cu 10.000 de trilioane de trilioane de ori mai mari decât forțele gravitaționale.

Nu este surprinzător, atunci, că atunci când studiază comportamentul particulelor subatomice, fizicienii nucleari iau în considerare forțele nucleare, electromagnetice și slabe și ignoră complet gravitația. Gravitația este atât de slabă încât pur și simplu nu poate afecta niciodată în mod vizibil cursul evenimentelor din atomi și nucleii lor.

Același lucru s-ar putea spune și pentru fenomenele chimice. În toate schimbările chimice care au loc în corpul uman și în mediul neînsuflețit din afara rețelei, ar trebui luate în considerare doar forțele electromagnetice - în cazul radioactivității, ar trebui să se manifeste un anumit interes față de forțele nucleare și cele slabe, dar gravitația nu este niciodată luată în considerare. cont. Gravitația este atât de slabă încât nu produce efecte vizibile cu modificări chimice obișnuite.

Atunci de ce ar trebui să ne deranjeze gravitatea deloc?

Pentru că încă există și pentru că, deși incredibil de slab, este totuși simțit. Simțim constant acțiunea sa. Știm că, dacă cădem de la o înălțime mică, de exemplu de la etajul trei al unei clădiri, gravitația ne va ucide cel mai probabil. Știm că gravitația menține Luna pe orbită în jurul Pământului și Pământul pe orbită în jurul Soarelui. Cum este posibil acest lucru când această forță este atât de slabă?

Să ne uităm din nou la cele patru forțe. Forțele nucleare și cele slabe scad atât de rapid cu distanța încât nu ar trebui luate în considerare deloc la distanțe mai mari decât dimensiunea nucleilor atomici.

Cu toate acestea, forțele electromagnetice și gravitaționale scad cu pătratul distanței, ceea ce reprezintă o rată scăzută de scădere și pot fi resimțite pe distanțe mari.

Cu toate acestea, există o diferență fundamentală între cele două forțe. Există două tipuri de sarcini electrice opuse și, după cum știm, un singur tip de masă.

În cazul forțelor electromagnetice, există atracție (între sarcini cu nume diferite) și repulsie (între sarcini cu același nume). Când forțele electromagnetice sunt suficient de mari, repulsia puternică dintre sarcinile cu același nume le disipează și nu permite construirea nicio structură materială semnificativă nicăieri. Atracția la fel de puternică dintre sarcinile cu același nume tinde să le reunească, neutralizând taxele. La urma urmei, sarcinile pozitive și negative (care, din câte știm, există în univers în cantități egale) se amestecă complet și nicăieri nu veți găsi altceva decât excedente foarte mici din cele două tipuri de taxe.

Prin urmare, atunci când interacțiunea electromagnetică este puternică și insurmontabilă, electronii sunt reținuți în vecinătatea nucleelor. Cu toate acestea, o bucată mai mare de materie va atrage sau respinge o altă astfel de bucată, la o oarecare distanță de ea, destul de slab, deoarece în ambele piese diferitele tipuri de sarcini sunt atât de bine amestecate încât încărcătura lor totală este practic nulă. [3]

Deoarece există un singur tip de masă, există un singur tip de interacțiune gravitațională - atracția. Din câte știm, nu există repulsie gravitațională. Orice obiect care are masă atrage orice alt obiect cu masă, iar forța gravitațională totală dintre cele două corpuri este proporțională cu masa lor totală. Nu există o limită superioară. Cu cât corpurile sunt mai masive, cu atât este mai mare forța care acționează între ele.

Luați în considerare un obiect precum Pământul, a cărui masă este de 3,5 X 10 de 51 ori masa protonului. Cu alte cuvinte, aceasta este o masă care este de 3.500 trilioane trilioane trilioane trilioane de ori mai mare decât masa protonului. Prin urmare, Pământul creează un câmp gravitațional care este de 3,5 X 10 de 51 de ori mai puternic decât cel al unui proton. Pe de altă parte, fiecare particulă din materia Pământului care are masă - fiecare proton, neutron și electron - este o sursă a unui câmp gravitațional foarte slab și toate se amestecă și se adaugă câmpului gravitațional total al Pământului.

Pământul are și un câmp electromagnetic în care fiecare proton și electron acționează ca sursă. Câmpurile de protoni și electroni slăbesc rapid cu distanța, astfel încât câmpul magnetic total al Pământului este foarte slab. Este suficient să se afecteze acul busolei și să devieze particulele încărcate care vin de la Soare sau din alte părți și, în același timp, este inimaginabil de mic pentru un obiect atât de imens precum Pământul, format din atâtea particule încărcate.

Prin urmare, în ciuda faptului că forța gravitațională este mult mai slabă decât forța electromagnetică în interacțiunile particulelor individuale, forța gravitațională totală a Pământului în ansamblu este mult mai mare decât forța sa electromagnetică. Forța gravitațională a Pământului este suficient de mare încât să ne facă să o simțim în mod inconfundabil și să ne omoare dacă suntem neglijenți.

Vastul câmp gravitațional al Pământului interacționează cu câmpul mai slab al Lunii, astfel încât cele două corpuri sunt strâns legate de gravitație. Forțele gravitaționale unesc planetele și Soarele. Există forțe gravitaționale semnificative între planete și între stele.

Forța gravitațională și numai ea deține Universul într-un întreg și dictează mișcarea tuturor corpurilor din el. Toate celelalte forțe acționează local. Numai forța gravitațională, care este cea mai slabă dintre toate, prin raza sa lungă de acțiune și manifestându-se doar ca atracție, guvernează destinele universului.

În special, forța gravitațională este cheia găurilor negre, așa că am pus deja piciorul pe autostradă pentru a le înțelege natura. Rămâne să citiți piesele de-a lungul drumului.

[1] Există particule care nu au masă și nu sunt afectate de gravitație în sensul obișnuit al cuvântului. De exemplu, particulele de lumină și radiații similare, numite fotoni, care înseamnă „lumină” în greacă, nu au masă. Nu au masă și unele particule neîncărcate numite neutrini. Aceste două tipuri de particule vor fi discutate mai târziu în carte. ↑

[2] Unitatea de forță dyn (dyn) este un element de bază în popularul, dar rar utilizat sistem de unități SCC (centimetru - gram - secundă). Conexiunea sa cu unitatea de forță din NE este de 1 dyn = 10 –5 N. - B.red. ↑

[3] Este posibil să smulgeți electronii dintr-un obiect prin frecare și ei îl părăsesc, deoarece corpul primește o mică sarcină pozitivă sau se adaugă electroni, ceea ce dă o mică sarcină negativă. Astfel de corpuri se pot atrage sau respinge reciproc, precum și atrage sau respinge alte obiecte. Dar forța rezultată este inimaginabil de mică în comparație cu ceea ce ar putea fi dacă toate particulele încărcate din orice corp și-ar putea realiza întreaga forță electromagnetică. ↑