Квантовая теория черных дыр. Геллер Ю.И

Квантовая теория черных дыр

Квантовая теория черных дыр. Геллер Ю.И

Черные дыры в настоящее время рассматриваются в качестве самого привлекательного объекта для изучения во Вселенной. Они обладают уникальными свойствами и характеристиками, однако увидеть их невооруженным глазом не так и просто. До сих пор ученые только склоняются к изучению подобных космических тел, однако их реальное предназначение и функции еще доподлинно неизвестны.

Сегодня исследователи пытаются создать миниатюрную модель черной дыры в условиях лабораторий. Она должна выглядеть совсем не так как представляют ее многие обыватели, однако объект может обладать теми же специфическим свойствами, что и их собратья в открытом космосе.

Отличительные признаки черных дыр

Замечание 1

Астрофизики дают расплывчатое определение объектам, называемым «черные дыры». По мнению ученые, они являются остатками массивных звездных образований.

В какой-то момент бывшие звезды совершили коллапс под собственным весом, что привело к образованию нового объекта во Вселенной.

При попадании на них вещества, они преобразуют гравитационную потенциальную энергию, которое является единственным источником энергии, способным запомнить мощные потоки рентгеновского излучения.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Черные дыры микроскопических размеров, которые планируют воссоздать экспериментальным способом, могут иметь массу, сравнимую с крупным астероидом.

Такие образования могли появляться сразу после точки отсчета – Большого взрыва.

Поэтому ученым так важно сегодня достигнуть подобного состояния, чтобы объяснить многие процессы, происходящие на заре времени и пространства нашей объективной Вселенной.

Исследователи полагают, что пространство имеет иные скрытые измерения согласно квантовой теории струн. В этих условиях дыры могут рождаться в различных условиях и в настоящее время. Для этого необходимо лишь столкновение быстрых частиц. После взаимодействия частиц ученые намерены увидеть вместо поглощения вещества испускание энергии и быстрое затухание.

На современном этапе развития концепции черных дыр принято ориентироваться при построении квантовой теории черных дыр на общую теории относительности, которую сформулировал физик Альберт Эйнштейн около века назад.

Он полагал, что вещество можно сжать, тогда гравитация может стать настолько сильной, что очертит определенную область пространства. Из этой области ничего не сможет вырваться наружу и будет поглощено.

Подобную границу области называют горизонтом событий, и она располагается внутри черной дыры.

Считается, что любые объекты способны проникать внутрь этого пространства, однако наружу вновь выйти не способны. Чем меньше черная дыра по видимым размерам, тем больше ее масса и сжатие.

Ученые считают, что максимальная сжатость существовала перед Большим взрывом, энергия которой была сосредоточена в одной сверхмалой точке, а затем произошел ее коллапс с выбросом пока малоизученной энергии.

Однако некоторые ученые-теоретики считают, что коллапс – это не единственный путь зарождения черных дыр.

Несколько десятилетий назад была разработана еще одна концепция формирования черных дыр во Вселенной в ее ранний период существования. Специалисты называют их первичными черными дырами.

Установлено, что при расширении пространства средняя плотность вещества идет на уменьшение.

Таким образом, в первые моменты после Большого взрыва плотность была намного больше и могла достигать ядерного уровня.

В первые мгновения зарождения нашей Вселенной микроскопические черные дыры были необходимы для участия в процессе распространения материи, однако высокая плотность не гарантировала их появления.

Теперь исследователи космоса опираются на предыдущие теоретические знания и могут называть некоторые отличительные признаки различных черных дыр:

  • они имеют разнообразные размеры и могут существовать на уровне субатомных частиц;
  • после Большого взрыва могли остаться малые черные дыры, которые пытаются обнаружить ученые;
  • черные дыры могут возникать не только во Вселенной, но и в земных условиях.

Свойства черных дыр

Британский физик-теоретик Стивен Хокинг долгое время изучал свойства черных дыр. Он предположил, что подобные образования в космосе могут не только полностью поглощать вещество и пространство вокруг себя, но производить побочный продукт в виде тепла, однако измерить подобную величину пока не представляется возможным. Астрофизики определили примерную температуру черных звезд.

Несмотря на то, что в ней сконцентрирована огромная плотность и энергия, она имеет минимально возможную температуру, что очень мало для объекта Вселенной.

При этом масса дыры постепенно уменьшается, по мере того, как излучение уносит энергию. По этой причине существование черных дыр считается весьма нестабильным.

Сверхмалые черные дыры существуют непродолжительный срок и испаряются в зависимости от приобретенной массы.

Хокинг в своих работах смог объединить три основные теории: относительности, квантовую механику и термодинамику. Вскоре на основе его научных размышлений была создана квантовая теория гравитация, которая напрямую соответствовала современным представлениям о квантовой теории черных дыр.

Для того, чтобы произвести черную дыру в лабораторных условиях, необходимо соблюдения основных принципов и параметров:

  • создание первичной флуктуации плотности;
  • столкновение космических лучей;
  • применение ускорителя частиц.

Проблемы поиска и изучения черных дыр

Для понимания всех процессов в микроскопических черных дырах необходимо для начала понять, что из себя представляет сама черная дыра, находящаяся в естественных условиях Вселенной. Ученые пытаются найти области космического пространства, где фиксируется скопления этих интересных объектов.

Так как современные фоновые телескопы часто не могут справиться со своей задачей, то исследователи проводят собственные искусственные исследования в научных комплексах. Самым известным сооружением, при помощи которого планируют создать микроскопическую черную дыру, является Большой Адронный Коллайдер. Он установлен в Швейцарии.

Ускоритель БАК сможет столкнуть две частицы с огромной силой, а затем они коллапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Ученые намерены при помощи последующего анализа полученных данных скорректировать основные направление квантовых теорий гравитации и струн. Затем указанные данные могут ответить на вопрос о зарождении и развитии Вселенной, а также понять, сколько на самом деле существует измерений, и каким образом их можно найти и использовать.

Замечание 2

По одной из версий, черные дыры являются своеобразными порталами в иное измерение времени и пространства, входными дверями во Вселенную, что существует параллельно нашей.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_chernyh_dyr/

Двойник черной дыры

Квантовая теория черных дыр. Геллер Ю.И

Идея голографической дуальности, или AdS/CFT-соответствия, — одна из самых красивых и популярных идей современной физики. Впервые эта идея была сформулирована Хуаном Малдасеной еще в 1997 году, однако физики до сих пор продолжают ее развивать.

К настоящему времени пионерскую статью Малдасены процитировали почти 15 тысяч раз; более того, даже спустя двадцать лет она стабильно набирает около тысячи цитирований в год. Это абсолютный рекорд популярности сюжета из физики высоких энергий.

Причина популярности AdS/CFT-соответствия кроется в многообещающих результатах, которые можно получить в рамках этой идеи. В частности, с ее помощью можно объяснить, почему энтропия черной дыры пропорциональна площади горизонта событий.

В этом материале мы разберемся, что такое голографическая дуальность и почему она так нравится физикам.

Простой пример «голографии»

Для начала мы рассмотрим несколько простых примеров «голографичности» и дуальности, а потом узнаем, как они реализуются в AdS/CFT-соответствии и почему физики так любят эту идею.

Прежде чем мы будем говорить об AdS/CFT-соответствии, рассмотрим упрощенный вариант «голографии» — систему, поведение которой полностью определяется условиями на ее границе. Чтобы сделать этот пример одновременно строгим и наглядным (насколько это возможно), сначала мы разберем формальную математическую часть, а потом рассмотрим простой физический пример.

Итак, рассмотрим дифференциальное уравнение вида ∆u=0, где u(x) — дважды дифференцируемая функция, а ∆ — трехмерный оператор Лапласа (∆uuxx+uyy+uzz, нижний индекс обозначает производную по указанной переменной). Здесь и далее мы будем обозначать вектора жирным шрифтом.

Вообще говоря, это уравнение имеет бесконечное число решений, пока мы не наложим на функцию u какие-нибудь дополнительные ограничения. Поэтому будем считать, что функция u задана на некоторой области Ω, а на границе области ∂Ω удовлетворяет определенным краевым условиям.

Например, можно зафиксировать на границе значение функции: u|∂Ω=u0(x), или ее производную вдоль внешней нормали к области: (∂u/∂n)|∂Ω=u1(x). При этом функции u0(x) и u1(x) считаются непрерывными.

Первый вариант математики называют краевыми условиями Дирихле, второй — краевыми условиями Неймана.

Важно, что оба этих граничных условия полностью определяют поведение функции внутри области Ω: решение задачи Дирихле всегда существует и единственно, а решение задачи Неймана существует и единственно, если интеграл от функции u1(x) вдоль ∂Ω равен нулю.

Если функция u(x) описывает какое-то поле, то его значения в заданном объеме легко можно найти, решая краевую задачу Дирихле или Неймана.

Другими словами, такое поле можно интерпретировать как своеобразную голограмму, вся информация о которой содержится на двумерной поверхности.

Поскольку уравнение вида ∆u = 0 является частным случаем уравнения теплопроводности и закона Гаусса, его «голографичность» сильно упрощает решение некоторых физических задач.

В частности, на этом свойстве основан метод изображений, который заменяет границу рассматриваемой области источниками-изображениями, расположенными за пределами области и воспроизводящими напряженность поля на границе.

Как правило, найти положение таких источников гораздо проще, чем искать распределение заряда на поверхности, а теорема существования и единственности гарантирует, что поле в реальной и «воображаемой» задаче совпадет.

Как правило, метод изображения разбирают в школе во время изучения электростатики, однако он применяется и в более сложных теориях.

Простейшая задача на метод изображений.

Сила притяжения точечного электрического заряда, подвешенного над проводящей пластиной, равна силе притяжения между зарядом и зарядом-изображением, расположенным на таком же расстоянии от границы.

В данном случае «работает» граничное условие Неймана: на границе проводника потенциал электрического поля (то есть градиент электрического поля) должен быть равен нулю, и введение фиктивного заряда это условие обеспечивает.

Wikimedia Commons

Простые примеры дуальности

Кроме того, прежде чем говорить о дуальностях, попробуем разобраться, что это слово вообще означает. Грубо говоря, две теории называются дуальными, если они разными словами описывают одну и ту же ситуацию.

На более формальном языке можно сказать, что дуальные теории переходят друг в друга, если определенным образом сопоставить элементы одной теории элементам другой теории и переопределить отношения между элементами.

Чтобы проиллюстрировать это определение, рассмотрим простой геометрический пример. Представим себе плоскость, на которой нарисованы три равноудаленные точки, и попарно соединим точки линиями. В этом рисунке каждая точка принадлежит ровно двум прямым, а каждая прямая пересекает ровно две точки.

Если теперь поменять местами понятия «точка» и «прямая», а также отношения «пересекается» и «принадлежит», то картинка не изменится: каждая точка, растянутая в прямую, будет пересекать две прямые, сжатые в точку, а каждая экс-прямая будет принадлежать двум экс-точкам.

Даже симметрия задачи сохранится.

Получается, что при таком преобразовании система переходит сама в себя, то есть она дуальна сама себе (физики говорят: самодуальна). Физические теории оперируют менее абстрактными объектами, чем эта геометрическая задача, однако суть дуальности остается прежней.

Преобразование дуальности между прямыми и точками

В частности, похожими свойствами обладает классическая электродинамика. В самом деле, в вакууме уравнения Максвелла выглядят подозрительно симметрично:

Здесь c обозначает скорость света, — оператор набла, вектора E и H — напряженность электрического и магнитного поля, ρe и ρm — плотность электрического и магнитного заряда, а Je и Jm — электрический и магнитный ток. Конечно, в природе магнитных зарядов не существует, однако пока что мы предположим, что их плотность отлична от нуля. Легко заметить, что эта теория переходит сама в себя, если повернуть поля и их источники на действительный угол ξ:

Если мы хотим описать теорию с источниками, то угол ξ нужно выбрать таким образом, чтобы магнитный заряд и магнитный ток обратились в ноль. В этом случае мы получим уравнения Максвелла в стандартной форме.

Если же мы рассмотрим свободную теорию, в которой ρe = ρm = 0 и Je = Jm =0, то дополнительное условие на угол ξ исчезнет, а физический смысл электрического и магнитного поля размоется.

В частности, если выбрать ξ=90°, электрическое поле перейдет в магнитное: EH, а магнитное — в электрическое: H→−E. При этом верхняя и нижняя пара уравнений Максвелла поменяются местами.

Следовательно, теория не изменится, если мы переставим электрическое и магнитное поле, а потом повернем их на 90 градусов. Поэтому свободная электродинамика в вакууме тоже дуальна самой себе.

Подчеркнем, что симметрия и самодуальность теории — это не одно и то же. На самом деле перестановка EH, H→−E имеет глубокий физический смысл, который теряется в приведенном выше наивном «выводе» самодуальности.

Если переписать уравнения Максвелла в ковариантном виде, то окажется, что такая перестановка меняет местами динамические уравнения, которые описывают поведение полей, и геометрические уравнения, которые выполняются по определению.

Чтобы найти динамические переменные в новой теории, нужно провести нетривиальную цепочку преобразований.

В результате окажется, что электромагнитное поле исходной теории сложным образом отображается в электромагнитное поле дуальной теории, а константа связи (элементарный заряд) отображается в обратную константу связи: e→1/e.

Тем не менее, со стороны дуальная теория выглядит как свободная теория электромагнетизма. Это поведение отличается от поведения теории при преобразованиях симметрии (например, повороты и лоренцовские бусты), после которых параметры теории остаются прежними, а исходные и преобразованные поля отвечают одним и тем же степеням свободы.

AdS и CFT

AdS/CFT-соответствие совмещает в себе идеи дуальности и «голографичности».

С одной стороны, оно связывает между собой две нетривиальные теории: квантовую теорию гравитации в (D+1)-мерном пространстве анти-де Ситтера и D-мерную конформную теорию поля.

С другой стороны, конформная теория «живет» на границе пространства, в котором действует квантовая гравитация, а значит, представляет собой своеобразную голограмму этого пространства. Давайте разберемся, о каких теориях идет речь.

Первая часть аббревиатуры «AdS/CFT» обозначает квантовую теорию гравитации в (D+1)-мерном пространстве-времени анти-де Ситтера, то есть пространстве с постоянной отрицательной кривизной.

Для описания пространственной части трехмерного пространства-времени анти-де Ситтера (AdS3) удобнее всего использовать модель Пуанкаре (Poincaré disk), в которой бесконечное пространство отображается в единичный диск. При этом геодезическими линиями выступают дуги окружностей, перпендикулярные границе диска.

Если сложить такие диски в стопку, образующую сплошной цилиндр, то получится модель полноценного пространства-времени AdS3. Обобщения на случай бо́льших размерностей можно построить аналогичным образом.

Свойства пространства анти-де Ситтера сильно отличаются от привычного для нас плоского пространства Минковского. Во-первых, это пространство имеет границу. Во-вторых, любой предмет, брошенный наблюдателем в пространстве анти-де Ситтера, возвращается к нему, словно бумеранг. При этом время возвращения не зависит от траектории объекта и всегда конечно.

В третьих, это правило распространяется даже на лучи света, которые в ходе своего путешествия достигают границы пространства, хотя эта граница бесконечно удалена от наблюдателя. Это связано с тем, что по мере удаления объекта их собственное время все больше и больше сокращается.

В частности, при приближении к границе время объекта практически останавливается.

Замощение диска Пункаре треугольниками и квадратами

Wikmedia Commons

Трехмерное пространство-время анти-де Ситтера

Wikmedia Commons

Вообще говоря, что такое квантовая теория гравитации в AdSD+1, до сих понятно не очень хорошо. Как правило, под такой теорией понимается теория струн. Впрочем, в реальных расчетах обычно идет речь о классическом пределе этой теории, который хорошо описывается Общей теорией относительности, то есть действием Эйнштейна—Гильберта.

Вторая часть аббревиатуры «AdS/CFT» скрывает в себе конформную теорию поля в D-мерном плоском пространстве-времени.

Конформная теория поля — это частный случай квантовой теории поля, в которой корреляционные функции (корреляторы) не меняются при конформных преобразованиях. Грубо говоря, корреляторы описывают вероятность перехода между различными конфигурациями полей.

Как только мы нашли все корреляторы теории и научились считать квантовые поправки к их классическим значениям, мы можем достать из теории все наблюдаемые величины, которые в ней содержатся, — например, сечения рассеяния частиц.

Поэтому корреляционные функции являются центральным объектом квантовой теории поля. Подробнее про корреляционные функции можно послушать в рассказах физиков-теоретиков Эмиля Ахмедова и Анатолия Дымарского.

Для вычисления корреляционных функций удобно использовать производящий функционал Z[J], который иногда называют статсуммой (partition function) по аналогии со статистической физикой.

В каком-то смысле производящий функционал — это обобщение понятия действия на квантовый случай: так же, как действие содержит всю информацию о классической теории, производящий функционал исчерпывающе описывает соответствующую квантовую теорию.

Более того, основной вклад в производящий функционал дают именно классические траектории, около которых флуктуируют квантовые поля.

Верхняя строка: определение производящего функционала через функциональный интеграл, пригодное для теорий с известным действием. Нижняя строка: вычисление n-точечной корреляционной функции с помощью производящего функционала

К сожалению, на практике посчитать квантовые поправки к производящему функционалу и корреляционным функциям удается далеко не всегда. Например, в квантовой хромодинамике (КХД), которая описывает сильные взаимодействия, вывести аналитические выражения удается только в пределе больших энергий (то есть малого расстояния между кварками), когда эффективная константа связи становится маленькой. Более того, некоторые эффекты в этих теориях в принципе нельзя описать в рамках теории возмущений. Поэтому в КХД и ряде других квантовых теорий получить осмысленный ответ удается только с помощью численных расчетов на суперкомпьютере.

Голографическая дуальность

Однако AdS/CFT-соответствие позволяет получить те же самые ответы гораздо проще, используя дуальность между конформной теорией поля в D-мерном плоском пространстве и квантовой теорией гравитации в (D+1)-мерном пространстве анти-де Ситтера. Математически эта дуальность выражается в равенстве производящих функций теорий:

Понимать это равенство нужно следующим образом. Представим, что на границе AdSD+1 живут некоторые операторы, которые описывают квантовые поля конформной теории. Эти операторы задают граничные условия для полей квантовой гравитации, которые действуют в объеме пространства.

Зная эти условия, можно найти допустимые конфигурации полей в AdSD+1 и оценить производящий функционал теории квантовой гравитации, который неявно зависит от операторов на границе. Наконец, принцип голографической дуальности утверждает, что этот функционал в точности равен производящему функционалу граничной конформной теории поля.

Следовательно, с помощью производящего функционала квантовой гравитации можно рассчитать корреляционные функции конформной теории.

Более детально разобраться в том, как работает голографическая дуальность, можно с помощью статей «AdS/CFT-соответствие», «AdS/CFT соответствие.

Некоторые примеры вычисления корреляционных функций» и «AdS/CFT соответствие и теория струн». В основном эти статьи основаны на знаменитом обзоре Хуана Малдасены.

К сожалению, из-за большого количества деталей читать эти статьи без предварительной подготовки практически бесполезно.

На практике AdS/CFT-соответствие обычно используют в упрощенном виде, рассматривая конформные теории поля с большим числом степеней свободы. Такие теории отдаленно напоминают квантовую хромодинамику с бесконечно большим числом цветов.

Конечно, теория с бесконечно большим числом цветов в реальности не реализуется, однако она дуальна классической теории гравитации, поэтому найти ее производящий функционал гораздо проще.

В этом случае считать функциональный интеграл в теории квантовой гравитации не нужно — достаточно найти классическое решение с заданными граничными условиями и подставить его в действие Эйнштейна—Гильберта.

Это позволяет хотя бы качественно объяснить поведение граничных квантовых систем. Как и в других областях физики, здесь теоретики придерживаются английской поговорки «keep task small». Другими словами, сначала ученые считают то, что считается, пытаются увидеть общие закономерности в модельных примерах, а потом распространяют их на реальные задачи.

Любимая голограмма теоретиков

А для модельных примеров принцип AdS/CFT-соответствия предсказывает много красивых, многообещающих результатов. Именно этим и объясняется его популярность.

Во-первых, этот принцип объясняет, почему энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий, и даже намекает на какое-то описание ее внутренних квантовых состояний.

Для этого он полагается на тот факт, что черная дыра в AdS дуальна конформной теории поля на границе при конечной температуре, равной температуре Хокинга.

В самом деле, излучение Хокинга от черной дыры достигает границы пространства и возвращается обратно за конечное время, следовательно, дыра довольно быстро приходит в термодинамическое равновесие с окружающим ее пространством. При этом очевидно, что температура получившейся системы совпадает с температурой Хокинга.

Важно, что черная дыра разбивает пространство анти-де Ситтера на два причинно-несвязанных региона, которые не могут обмениваться друг с другом информацией.

Разумеется, границы этих регионов, лежащие на краю пространства анти-де Ситера, информацией обмениваться тоже не могут.

В квантовой теории поля энтропия каждого из этих регионов называется энтропией запутывания (entanglement entropy) и вычисляется по вполне определенным правилам.

Так вот, с помощью AdS/CFT-соответствия можно показать, что энтропия запутывания региона квантовой системы пропорциональна площади поверхности в пространстве анти-де Ситтера, которая натянута на границе региона и занимает в пространстве наименьшую площадь.

Чем больше регион, тем выгоднее поверхности «наматываться» на черную дыру, рядом с которой пространство искривлено слабее, чем около границы. В итоге при некотором критическом размере поверхность рвется на две части, одна из которых проходит около горизонта событий черной дыры.

Поэтому в предельном случае, когда размер региона совпадает со всей границей пространства, энтропия его запутывания совпадает с энтропией черной дыры. При этом можно предположить, что поведение полей на границе описывает квантовые состояния черной дыры.

Впрочем, последнее утверждение до сих пор строго сформулировать не удалось.

Минимальная поверхность, натянутая в AdSD+2 на границе региона B

Tatsuma Nishioka, Shinsei Ryu, Tadashi Takayanagi

(a) Примеры минимальных поверхностей (линий) в AdS3, натянутых на границах региона A. (b) Предельный размер региона, при котором минимальная поверхность рвется на две части

Tatsuma Nishioka, Shinsei Ryu, Tadashi Takayanagi

Во-вторых, голографическая дуальность объясняет переход конфайнмент-деконфайнмент в квантовой хромодинамике. Напомним, что конфайнмент запрещает кваркам вылетать за пределы частиц. Чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее между ними натягивается глюонная струна; рано или поздно струна рвется и рождает пару кварк-антикварк, которая моментально объединяется с беглецами и образует новые составные частицы.

AdS/CFT-соответствие наглядным образом показывает, при каких условиях в теории возникает конфайнмент. Рассмотрим квантовую хромодинамику при конечной температуре и посчитаем энтропию запутывания между двумя кварками.

Как и в примере с черной дырой, для этого нужно найти площадь минимальной поверхности, натянутой на мировых линиях кварков. Можно придумать два принципиально разных варианта такой поверхности. Первый вариант — соединить мировые линии дугообразным «куполом».

Второй вариант — спуститься от каждой линии по кратчайшему пути к черной дыре и соединить их на ее горизонте событий, где затраты площади на прирост поверхности почти нулевые.

Если расстояние между кварками невелико, выгоднее оказывается первый вариант, энтропия запутывания и число степеней свободы растет при удалении кварков, и теория находится в фазе деконфайнмента. Если же кварки отойдут друг от друга достаточно далеко, меньшую площадь будет охватывать вторая поверхность, энтропия запутывания расти перестанет и теория перейдет в фазу конфайнмента.

Наконец, голографическая дуальность позволяет легко провести вычисления, которые практически невозможны в квантовой теории поля — например, найти квантовые поправки к эффекту Швингера. Эффект Швингера предсказывает, что сильное электрическое поле должно рождать заряженные частицы (например, электроны).

Как правило, при рассмотрении этого эффекта ограничиваются квазиклассическим приближением, потому что рассчитать квантовые поправки к эффекту очень сложно — до сих пор физики продвинулись не дальше первого порядка теории возмущений.

В то же время, голография легко получает «точный» результат, который совпадает с громоздкими однопетлевыми расчетами.

Напоследок заметим, что у AdS/CFT-соответствия есть один недостаток, на который принято закрывать глаза: это соответствие строго не доказано.

Вообще говоря, ученые не понимают, почему оно работает, хотя десятки частных примеров подтверждают, что догадка Хуана Малдасены была верной.

Впрочем, физиков отсутствие математической строгости никогда не останавливало — в физике принято считать, что теория является верной, если она позволяет получить правдоподобный результат. У AdS/CFT-соответствия таких результатов хватает с запасом.

Дмитрий Трунин

Источник: https://nplus1.ru/material/2019/09/09/AdS-CFT

Черные дыры. Факты и теория

Квантовая теория черных дыр. Геллер Ю.И

Черные дыры — одни из самых странных и увлекательных тел во Вселенной. Они являются объектами с чрезвычайно высокой плотностью. И обладают таким сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может убежать от их чудовищных объятий.

Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование черных дыр в 1916 году в своей общей теорией относительности. Термин «черная дыра» был придуман в 1967 году американским астрономом Джоном Уилером. Впервые был использован в 1971 году.

Существует три типа черных дыр: обычные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры.

Обычные черные дыры. Небольшие, но смертельные

Когда звезда сжигает свое последнее топливо, она сильно уменьшается в размерах. Небольшие звезды, имеющие массы примерно в три раза больше массы Солнца, превращаются в нейтронные звезды или белые карлики. Но когда коллапсирует звезда побольше, она продолжает сжиматься и создает обычную черную дыру.

Черные дыры, образованные коллапсом отдельных звезд относительно невелики. Но имеют невероятную плотность. Такой объект содержит три массы Солнца в области размером с небольшой город. Такая плотность материи приводит к возникновению колоссального гравитационного поля. Черные дыры поглощают пыль и газ из пространства вокруг себя. И поэтому растут в размерах.

Согласно данным исследования Гарвардско-Смитсоновского Центра астрофизики, наша галактика Млечный Путь содержит несколько сотен миллионов черных дыр.

Супермассивные черные дыры — рождение гигантов

Маленьких черных дыр достаточно много во Вселенной. Однако доминируют в пространстве дыры побольше. Супермассивные черные дыры в миллионы или даже миллиарды раз тяжелее, чем Солнце. Но имеют радиус, близкий к радиусу ближайшей звезды к Земле. Считается, что такие черные дыры лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь.

Ученые пока до конца не определились, как именно возникают такие крупные черные дыры. Как только они рождаются, они, возможно, начинают набирать массу из пыли и газа вокруг себя. То есть того материала, который изобилует в центре галактик. И это позволяет им вырастать до огромных размеров.

Супермассивные черные дыры могут быть результатом слияния сотен или тысяч небольших черных дыр. Большие газовые облака также могут быть вовлечены в этот процесс. Они позволяют черным дырам быстро наращивать массу. Третий вариант — крах звездного кластера, когда группа звезд коллапсирует одновременно.

Промежуточные черные дыры — застрявшие посередине

Ученые когда-то считали, что черные дыры имеют только малые и большие размеры. Но недавние исследования показали возможность существования средних или промежуточных черных дыр (IMBH).

Такие тела могут образовываться, когда звезды в кластере сталкиваются по цепной реакции.

Некоторые из этих звезд, образовавшихся в одной и той же области пространства, в конечном итоге могут коллапсировать вместе в центре галактики и создать сверхмассивную черную дыру.

В 2014 году астрономы обнаружили объект, оказавшийся черной дырой промежуточной массы. Он находится в рукаве спиральной галактики.

Теория черных дыр — как они работают

Черные дыры невероятно массивны. Но при этом занимают небольшую область пространства. Между массой и гравитацией существует прямая связь. Это означает, что они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Практически ничто не может уйти от них. В классической физике даже свет, попадая в черную дыру, не может покинуть ее.

Такое сильное притяжение создает проблему наблюдения, когда дело доходит до черных дыр. Ученые просто не могут «видеть» их так, как они могут видеть звезды и другие объекты в космосе.

Для обнаружения этих объектов ученые полагаются на излучение, которое испускается, когда пыль и газ поглощается черной дырой. Супермассивные черные дыры, лежащие в центре галактики, могут оказаться окутаны пылью и газом, находящимися вокруг них.

Это может блокировать наблюдение контрольных выбросов.

Иногда, когда материя двигается к черной дыре, она рикошетом покидает горизонт событий и вылетает наружу, а не втягивается внутрь. Создаются яркие струи материала, движущегося с практически релятивистскими скоростями. Хотя сама черная дыра остается невидимой, эти мощные струи можно увидеть с больших расстояний.

Горизонт событий

Черные дыры имеют три «слоя» — внешний, горизонт событий и сингулярность.

Горизонт событий черной дыры — это то место, где свет теряет способность к «бегству». Когда частица пересекает горизонт событий, она уже не может покинуть черную дыру. На горизонте событий гравитация постоянна.

Внутренняя область черной дыры, где содержится ее масса, известна как сингулярность. Это единственная точка в пространстве — времени, где сосредоточена масса черной дыры.

По представлениям классической механики и физики ничто не может выйти из черной дыры. Однако, когда к уравнению добавляется квантовая механика, все немного меняется. В квантовой механике для каждой частицы имеется античастица. Это частица с одинаковой массой и противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, пара частица-античастица может аннигилировать.

Если пара частица-античастица создается вне досягаемости горизонта событий черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, а другая быть вытолкнута. В результате масса черной дыры уменьшается. Этот процесс называется излучением Хокинга. И черная дыра может начать распадаться, что отвергается классической механикой.

Ученые все еще работают над тем, чтобы создать уравнения, с помощью которых можно было понять, как функционируют черные дыры.

Сияющий свет двойных черных дыр

В 2015 году астрономы, использующие гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), впервые обнаружили гравитационные волны. С тех пор с помощью этого инструмента наблюдалось несколько других подобных инцидентов. Гравитационные волны, замеченные LIGO, возникли от слияния небольших черных дыр.

Наблюдения LIGO также дают представление о направлении вращения черной дыры. Когда пара черных дыр вращается по спирали вокруг друг друга, они могут вращаться в одном направлении. Или направления вращения могут быть совершенно разными.

Существует две теории о том, как образуются бинарные черные дыры. Первая предполагает, что они образовались примерно в одно и то же время, от двух звезд. Они могли родиться вместе и погибнуть примерно одновременно. Звезды-компаньоны имели бы похожее направление вращения. Поэтому черные дыры, которые они оставили, тоже вращались бы подобным образом.

По второй модели черные дыры в звездном кластере опускаются в его центр и соединяются. У этих компаньонов были бы случайные ориентации спина по сравнению друг с другом. Наблюдения черных дыр с различной ориентацией спина, произведенные с помощью LIGO, дают более убедительные доказательства этой теории образования.

Интересные факты о черных дырах

Ваша смерть наступит прежде, чем вы достигнете сингулярности. Исследование 2012 года предполагает, что квантовые эффекты приведут к тому, что горизонт событий будет действовать как стена огня, мгновенно сжигая вас до смерти.

Черные дыры не «засасывают». Всасывание вызвано выталкиванием чего-то в вакуум, которым массивная черная дыра определенно не является. Вместо этого объекты просто попадают в них.

Первым объектом, считающимся обнаруженной черной дырой, является Cygnus X-1. С В 1971 году ученые обнаружили радиоизлучение, исходящие от Cygnus X-1. Был обнаружен массивный скрытый объект, который был идентифицирован как черная дыра.

Cygnus X-1 был предметом товарищеского спора 1974 года между Стивеном Хокингом и физиком-теоретиком Кипом Торном. Последний утверждал, что этот источник был черной дырой. В 1990 году Хокинг признал свое поражение.

Миниатюрные черные дыры могли образоваться сразу после Большого взрыва. Быстро расширяющееся пространство, возможно, сжало некоторые свои области в крошечные плотные черные дыры. Они были менее массивны, чем Солнце.

Если звезда проходит слишком близко к черной дыре, она сможет быть поглощена ей. По оценкам астрономов, в Млечном Пути от 10 миллионов до миллиарда черных дыр с массами, примерно в три раза превышающими массу Солнца.

Теория струн предполагает больше типов массивных гигантских черных дыр, чем обычная классическая механика.

Черные дыры являются потрясающим материалом для научно-фантастических книг и фильмов. Фильм Интерстеллар в значительной степени полагался на консультации теоретического физика Кипа Торна.

Это позволило привнести настоящую науку в продукт Голливуда.

Фактически, работа со спецэффектами для блокбастера привела к улучшению научного понимания того, как могут выглядеть далекие миры, когда они расположены вблизи быстро вращающейся черной дыры.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://alivespace.ru/chernye-dyry-fakty-i-teoriya/

Biz-books
Добавить комментарий