65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Заметим, что на самом деле сфотографировать саму черную дыру невозможно, поскольку она ни излучает, ни отражает падающий на нее свет. Но черные дыры обычно не одиноки, возле них могут находиться другие звезды. Эти звезды под действием гравитации могут постепенно приближаться к горизонту событий, и вещество звезд начнет перетекать в черную дыру. При таком перетекании далеко не все вещество сразу падает за горизонт, большая его часть закручивается вокруг черной дыры по спирали и разгоняется до скоростей, близких к скорости света. В этом процессе из-за трения разных слоев оно сильно разогревается и начинает светиться. Под действием гравитации падающее вещество сжимается и образует диск, наподобие дисковых колец Сатурна, только у черных дыр они состоят из раскаленного вещества, которое вращается с бешеной скоростью. Такой диск (который, кстати, образуется не только вокруг черных дыр, но и вокруг некоторых звезд) ученые называют аккреционным, от лат. accrētiō – «приращение, увеличение». Так что сама черная дыра, конечно же, не светится, а вот вращающееся вокруг нее вещество светит очень даже ярко. Именно его и удалось сфотографировать Телескопу горизонта событий. Ну, и саму черную дыру на его фоне.

Еще одну черную дыру с аккреционным диском очень красочно изобразили в фильме «Интрестеллар». Там, конечно же, изображена не настоящая черная дыра, но очень точная компьютерная модель. И это очень хорошая иллюстрация еще одного эффекта ОТО – гравитационного линзирования.

Рис. Компьютерная модель эффекта гравитационного линзирования, благодаря которому оказывается видна задняя часть аккреционного диска.

Почему же в фильме нам показывают не один аккреционный диск, расположенный в горизонтальной плоскости, а целых два? Откуда у черной дыры возникает второй диск, расположенный вертикально? На самом деле это один и тот же горизонтальный диск. Просто из-за экстремально сильного искривления пространства задняя часть этого диска, которая должна быть скрыта от нас самой черной дырой (горизонтом событий), становится видна сверху и снизу.

В ХХ веке после открытия первых элементарных частиц (протонов и электронов) физики начали активно изучать их свойства, а также то, что происходит с частицами, если их разогнать до достаточно высоких энергий. И тут выяснилось, что на высоких скоростях частицы ведут себя совсем не так, как предсказывала обычная квантовая механика: при столкновениях могут рождаться новые, неизвестные ранее частицы. Эти новые частицы в свою очередь через довольно короткий промежуток времени распадаются, испуская еще какие-то частицы. Всё это выглядело очень обескураживающе. Неужели внутри протонов и электронов могут находиться еще какие-то частицы? Или они рождаются в момент столкновения? И почему продукты распада и виды рождающихся частиц зависят от того, с какой скоростью мы их столкнули? Сколько еще типов частиц существует в природе и как они связаны друг с другом? На эти вопросы не смогли дать ответы ни квантовая механика, ни теория относительности. Поэтому физикам пришлось разработать новый радел физики – квантовую теорию поля – для описания всех этих взаимодействий и превращений частиц.

Часть 6 Квантовая теория поля

Вопрос 55. Что такое антиматерия?

После создания квантовой механики и теории относительности, а также целого ряда успешных экспериментов по подтверждению правильности предсказаний этих двух теорий, физики задались вопросом: а можно ли объединить оба подхода и построить релятивистскую квантовую теорию или, как ее теперь называют, квантовую теорию поля? Первым такую попытку совершил британский физик-теоретик Поль Дирак (1902–1984), предложивший в 1928 году релятивистскую теорию электрона. В своей статье «Квантовая теория электрона» Дирак впервые сформулировал одно из самых известных в квантовой теории поля уравнений, носящее с тех пор его имя. Обычное квантовое уравнение Шрёдингера является нерелятивистским[101], т. е. оно неприменимо для описания частиц, движущихся с большими скоростями (близкими к скорости света). Поэтому Дираку пришлось несколько его модифицировать, сделав так, чтобы координаты и время входили в него в некотором смысле равноправно, поскольку в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга. При помощи уравнения Дирака удалось получить более точное описание тормозного излучения электронов[102], рассеяния фотона на электроне (так называемый эффект Комптона), энергетических уровней атома водорода[103] и некоторых других важных явлений.