Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (11) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Оригинално заглавие
The Collapsing Universe (The Story of Black Holes), (Пълни авторски права)
Превод от
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,7 (× 24 гласа)

Информация

Сканиране
gogo_mir (2011 г.)
Корекция и форматиране
Ripcho (2011 г.)

Издание:

Айзък Азимов. Гравитационната гибел на вселената

Преводач: Радка Динекова

Рецензент: Валери Голев

Рецензенти на превода: Надка Стоянова, Красимира Абаджиева

Редактор: Валери Голев

Художник на корицата: Владимир Минчев

Художник-редактор: Димитър Петков

Технически редактор: Йорданка Иванова

Коректор: Славка Кръстева

Код: 01\9532421331\2332-2-90

Американска. Издание I.

Формат 70X90/32 Печ. коли 18,00 Изд. коли 10,51 УИК 12,19

Държавно издателство „Народна просвета“ — София, 1990 г.

Държавна фирма „Полипринт“ — Враца

История

  1. — Добавяне

Съпротива срещу налягането

Какво става с веществото във вътрешността на световете, че те могат да издържат това огромно налягане?

За да отговорим на този въпрос, нека да разгледаме една маса, върху чиято повърхност сме поставили някакъв обект, например една книга. Земната гравитация привлича надолу тази книга. Ако книгата беше в състояние да се движи свободно, тя би паднала, реагирайки на земната гравитация, и би продължила непрекъснато да пада към центъра на Земята, ако нямаше нещо, което да я спира.

Но има нещо, което все пак я спира — масата. Бъдете сигурни, масата също се привлича надолу, но тя не пада, защото я спира подът, който от своя страна не пада, защото го спират стените на сградата, които пък не падат, защото ги държи фундаментът на сградата, който пък се държи от…

Ако се съсредоточим само върху книгата и масата, то тогава защо книгата в отговор на земното привличане просто не пробива масата?

Защото не може. Книгата е направена от атоми, масата — също. Очертанията на всички атоми — и на книгата, и на масата — са формирани от електронни обвивки. Това означава, че съществува някаква, така да се каже, електронна повърхност на книгата, а също и електронна повърхност на масата.

Двете електронни повърхности се отблъскват взаимно и понеже електромагнитните сили са много по-големи от гравитационните, то цялото привличане на голямата Земя не може да принуди книгата да пробие масата поради съпротивата на отблъскващите се електрони. С други думи, електромагнитните сили се противопоставят на гравитационните и между тях се установява равновесие, при което книгата лежи спокойно върху масата, без да я пробие надолу в отговор на гравитационното привличане, и без да се издига над нея в резултат на електромагнитното отблъскване.

Ако обаче теглото на обектите върху масата се направи достатъчно голямо, например ако се струпат върху нея достатъчно масивни книги, масата ще се счупи в най-слабото си място. Атомите, от които е съставена масата, ще се раздалечават в точките, където циментиращото действие на електромагнитните сили е най-слабо.

Ако се натовари някакъв друг обект, например восъчен блок, молекулите на восъка под действието на теглото ще се хлъзнат една върху друга и ще се отместят много бавно. Восъчният блок ще се деформира и товарът ще потъне във восъка не в самото вещество, а надолу от първоначалната повърхност, понеже восъкът ще изтече встрани, освобождавайки пътя на товара. (После е възможно восъкът обратно да залее потъналия в него товар.)

Във вътрешността на Земята протичат и двата процеса под действие на теглото на най-външните нейни слоеве. Има например пукнатини, които представляват слабите точки на земната кора. В действителност земната кора е съставена от множество големи плочи, които непрекъснато се раздалечават, сближават и се блъскат косо една в друга. Едно внезапно движение на веществото от едната страна на пукнатините спрямо другата води до неочакваното му разкъсване под действието на взаимния натиск и като резултат се получават земетресенията. На някакво разстояние под повърхността на Земята топлината прави скалите по-податливи на бавна деформация по подобие на восъка и магмата, както наричаме нагорещените скали, се промъква през слабите места на по-твърдите горни пластове и води до вулканични изригвания.

Ако обаче навлизаме все по-дълбоко и по-дълбоко в земните недра, имаме по-малък шанс да срещнем пукнатини и разкъсвания и деформирането протича по-плавно. Нещо друго трябва да се случи с веществото на големи дълбочини под действието на голямото налягане. Това друго нещо е уплътняването.

В лабораторни условия учените най-добре познават ефектите на увеличаване на налягането за газовете. Газовете се състоят от бързи молекули, отделени една от друга с разстояния, които са големи в сравнение с техните размери. Ако газовете се сгъстят, молекулите идват по-близо една до друга и известна част от празното пространство, така да се каже, „изчезва“. Газовете следователно лесно се свиват до по-малки обеми под действието на налягането. Те могат да бъдат сгъстени, до обем 1/1000 от първоначалния или още по-малък, преди да „изчезне“ цялото празно пространство и молекулите да влязат в контакт една с друга.

При течностите и твърдите тела обаче молекулите вече са в контакт една с друга и затова не могат да се свият чрез „изчезване“ на празно пространство като газовете. Ето защо като че ли нищо не се случва с течности или твърди тела, когато те се намират под действието на някакво налягане, способно да сгъсти газовете. Течностите и твърдите тела следователно са „несвиваеми“.

Това е достатъчно вярно за обикновените условия, при които работят хидравличните преси и при които стоманените ферми крепят небостъргачите.

Ако се упражни налягане върху течности или твърди тела, тогава се уплътняват самите атоми. Електроните се приближават към ядрото. Това става, дори и при най-слабите налягания — например като това на книгата върху масата. Най-външните електрони се придвижват навътре по равнината на контакта. Разстоянието, на което електроните се придвижат навътре под действието на характерните за всекидневния живот налягания, е толкова микроскопично, че то е просто неизмеримо малко.

Атомите се уплътняват и електроните се преместват по-близо до ядрото, а силата на отблъскване между електроните в съседните атоми (които също са изместени навътре от налягането) нараства. При всички случаи се достига до ново равновесие. Налягането отвън свива атома като пружина, докато противоположното действие отвътре не се увеличи до състояние на равновесие с него.

Ако при обикновени условия налягането предизвиква неизмеримо малко уплътняване, то при достатъчно налягане уплътняването на атомите става измеримо и електроните забележимо се придвижват навътре. Това означава, че атомите на веществата под налягане заемат по-малко място, т.е. в даден обем имаме по-голяма маса, или казано по друг начин — плътността нараства…

Можем тогава да очакваме, че в земните недра плътността на изграждащото ги вещество се увеличава и ще стане по-висока, отколкото би била, ако това вещество беше на повърхността само под действието на атмосферното налягане.

Действително плътността на веществото на Земята се увеличава с увеличаване на дълбочината и на налягането, което се упражнява върху него. Веднага щом Кавендиш определил масата на Земята, станало ясно, че Земята не може да има една и съща плътност навсякъде, че в дълбините си тя трябва да бъде много по-плътна, отколкото на повърхността.

Океанът има плътност 1 g/cm3, а скалите от външната кора на Земята, въпреки че се различават по плътност една от друга, имат средна плътност около 2,8 g/cm3, докато общата средна плътност на Земята е 5,52 g/cm3.

Понеже външните слоеве на Земята имат плътност, по-малка от 5,52 g/cm3, то вътрешните слоеве трябва да са по-плътни от 5,52 g/cm3. Със сигурност ядрото на Земята се състои от желязно-никелова стопилка и тя, разбира се, е по-плътна от скалния материал над нея. Плътността на желязото, чието съдържание в ядрото е най-голямо, тук на повърхността, е 7,86 g/cm3. Тя обаче съвсем не е достатъчна, за да даде средната плътност на Земята. Това, което определя средната плътност на Земята, е нарастването на плътността под действието на налягането и уплътняването.

Земната мантия се простира под повърхността на дълбочина около 2900 километра или на около 4/9 от разстоянието до земния център. В целия зает от нея обем химичният състав на мантията не се променя значително и една проба от нейното вещество, извадена на повърхността, би имала плътност малко над 3 g/cm3. Плътността на мантията обаче постоянно се увеличава с дълбочината и в долната й част достига около 6 g/cm3. Средната плътност на мантията е 4,5 g/cm3.

На дълбочина 2900 километра се преминава от околната мантия в течното желязно-никелово ядро и се получава рязък скок на плътността, тъй като желязото е по-плътно от скалния материал. Независимо от това, че желязото на повърхността има плътност 7,86 g/cm3, под натиска на многокилометровата мантия плътността на ядрото във външната му част е около 9,5 g/cm3. Тази плътност нараства с проникването в дълбините на ядрото и в самия център на Земята тя е около 12 g/cm3. Средната плътност на ядрото е 10,7 g/cm3. Обаче дори максималната плътност, която може да се достигне в ядрото, е само половината от плътността, която има осмият на повърхността на Земята. Ако земното ядро се състоеше от осмий, то налягането върху него би увеличило плътността му до около 30 g/cm3.

По-напред, вече казахме, че ако Земята има една и съща плътност навсякъде, гравитационното привличане постоянно ще намалява с проникването навътре в нея и в центъра й ще стане нула. Поради промените на плътността в земните недра това не е съвсем така. Толкова голяма част от масата на Земята е концентрирана в нейното сравнително малко течно ядро — 31,5% от масата и 16,2% от обема на Земята — че гравитационното привличане се увеличава слабо със спускането ни надолу. Наистина, ако силата на нашето въображение ни отведе на границата между мантията и ядрото, гравитационното привличане, действуващо върху нас, ще бъде 1,06 пъти по-голямо от това на повърхността. Но при по-нататъшно проникване в ядрото гравитационното привличане в края на краищата ще започне да намалява и ще стигне нулева стойност в центъра на Земята.

В центъра на Земята атомите имат само 85% от диаметъра, който биха имали на повърхността. Електроните са навлезли на разстояние около 15% по-близо до ядрото и това малко, навлизане е достатъчно, за да породи насочен навън противодействуващ натиск, уравновесяващ всички неприятности, които насоченото навътре гравитационно привличане на огромната Земя е могло да причини. Това е още едно доказателство колко по-голяма е електромагнитната сила от гравитационната.