Войти
| Струнная теория |
|---|
 |
| Фундаментальные объекты |
| Теория возмущений |
| Непертурбативные результаты |
| Феноменология |
| Математика |
| Связанные понятия |
Теоретики
|
|
Теоретические пушистики, как и классические черные дыры, искажают пространство-время и искривляют свет. Здесь край центрального темного пятна, горизонт событий, очерчивает не только порог, на котором его убегающая скорость равна скорости света, но и физическую поверхность пушистого шара. (Исполнение) Некоторые ученые, занимающиеся теорией суперструн, полагают, что пушистые шары являются истинным квантовым описанием черных дыр. Теория пытается решить две неразрешимые проблемы, которые классические черные дыры ставят перед современной физикой:
Теория Fuzzball заменяет сингулярность в сердце черной дыры, утверждая, что вся область в пределах горизонта событий черной дыры на самом деле представляет собой клубок струн, которые выступают в качестве основных строительных блоков материи и энергии. Считается, что струны представляют собой пучки энергии, колеблющиеся сложным образом как в трех физических измерениях пространства, так и в компактных направлениях - дополнительные измерения, вплетенные в квантовую пену (также известную как пена пространства-времени).
В некоторых типах теории суперструн - основы теории пушистых шариков - считается, что дополнительные измерения пространства-времени принимают форму 6-мерного многообразия Калаби – Яу. Самир Д. Матур из Университета штата Огайо вместе с докторантом Олегом Луниным в двух статьях в 2002 г. предположили, что черные дыры на самом деле представляют собой сферы из струн определенного объема; они не являются сингулярностью, которую классический взгляд считает нульмерной точкой нулевого объема, в которой сосредоточена вся масса черной дыры.
Теория струн утверждает, что фундаментальные составляющие субатомных частиц, включая носители силы (например, бозоны, фотоны и глюоны ), все состоят из одномерной струны энергии, которая принимает свою идентичность, колеблясь в разных режимах и / или частотах.. В отличие от представления о черной дыре как о сингулярности, маленький пушистый шар можно рассматривать как сверхплотную нейтронную звезду, где ее нейтроны разложились или «расплавились», высвобождая кварки (струны в теории струн), составляющие их. Соответственно, пушистые шары можно рассматривать как крайнюю форму вырожденной материи.
Принимая во внимание, что горизонт событий классической черной дыры считается очень хорошо определенным и отчетливым, Матур и Лунин далее подсчитали, что горизонт событий пушистого шара будет в чрезвычайно малом масштабе (вероятно, порядка нескольких планковских длин ), быть очень похожим на туман: fuzzy, отсюда и название «пушистый комок». Они также обнаружили, что физическая поверхность пушистого шара будет иметь радиус, равный радиусу горизонта событий классической черной дыры; для обоих, радиус Шварцшильда для медианного размера звездной массы черной дыры 6,8 солнечных масс ( M☉) составляет 20 километров.
В классической модели черных дыр считается, что объекты, проходящие через горизонт событий на пути к сингулярности, попадают в область искривленного пространства-времени, где скорость убегания превышает скорость света. Это царство лишено всякой структуры. Кроме того, в сингулярности - сердце классической черной дыры - считается, что пространство-время имеет бесконечную кривизну (то есть считается, что гравитация имеет бесконечную интенсивность), поскольку считается, что его масса сжалась до нулевого (бесконечно малого) объема, в котором оно имеет бесконечную плотность. Такие бесконечные условия проблематичны с известной физикой, потому что ключевые вычисления не могут быть вычислены с делителем нуля. Однако в модели пушистого шара струны, составляющие объект, просто падают и поглощаются поверхностью пушистого шара, что соответствует горизонту событий - порогу, при котором скорость убегания равна скорости света.
Пушистый шар - это черная дыра; считается, что на пространство-время, фотоны и все остальное, что не очень близко к поверхности пушистого шара, воздействуют точно так же, как на классическую модель черных дыр с сингулярностью в центре. Две теории различаются только на квантовом уровне; то есть они различаются только своим внутренним составом, а также тем, как они влияют на виртуальные частицы, которые формируются вблизи их горизонтов событий (см. § Информационный парадокс ниже). Теория Fuzzball, по мнению ее сторонников, является истинным квантовым описанием черных дыр.
Цветопередача Художника Cygnus X-1, 8,7 M☉ черной дыры всего 6000 световых лет от нас в нашей собственной галактике Млечный Путь, принадлежит к двоичной системе наряду с синей переменной звездой сверхгиганта. Если Cygnus X-1 на самом деле является пушистым шаром, его поверхность имеет диаметр 51 километр. Поскольку объем fuzzballs является функцией радиуса Шварцшильда (2954 м на М☉), fuzzballs имеют плотность переменной, которая уменьшается обратно пропорционально квадрату их массы ( в два раза превышает массу в два раза превышает диаметр, что в восемь раз превышает объем, что дает четверть плотности). Типичный пушистый шарик размером 6,8 M☉ будет иметь среднюю плотность4,0 × 10 17 кг / м 3. Кусочек такого пушистого шарика размером с каплю воды (0,05 мл, 5,0 × 10 -8 м 3) имел бы массу двадцать миллионов метрических тонн, что равно массе гранитного шара диаметром 240 метров.
Хотя такие плотности почти невообразимо экстремальны, математически говоря, они бесконечно далеки от бесконечной плотности. Хотя плотность типичных пушистых комков звездной массы довольно велика - примерно такая же, как у нейтронных звезд, - их плотности на много порядков меньше планковской плотности (5,155 × 10 96 кг / м 3), что эквивалентно массе Вселенной, упакованной в объем одного атомного ядра.
Пушистые шары становятся менее плотными по мере увеличения их массы из-за частичного натяжения. Когда материя или энергия (струны) падают на пушистый шарик, к пушистому шарику не просто добавляются новые струны; струны сливаются вместе, и при этом вся квантовая информация падающих струн становится частью более крупных и сложных струн. Из-за частичного натяжения натяжение струн экспоненциально уменьшается по мере того, как они становятся более сложными с большим количеством видов вибрации, расслабляясь на значительную длину. «Математическая красота» формул теории струн, которые использовали Матур и Лунин, заключается в том, как дробные значения натяжения создают радиусы пушистых комков, которые точно равны радиусам Шварцшильда, которые Карл Шварцшильд вычислил с использованием совершенно другой математической техники 87 лет назад.
Согласно правилу обратных квадратов плотности массы, пушистые шары не обязательно должны иметь невообразимую плотность. Есть также сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре практически всех галактик. Стрелец A *, черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь, имеет размер 4,3 миллиона M☉. Если теория пушистого шарика верна, его средняя плотность «всего» в 51 раз больше плотности золота.
При 3,9 миллиарда M☉ (довольно большая сверхмассивная черная дыра) пушистый шар имел бы радиус 77 астрономических единиц - примерно такой же размер, как конечная ударная волна гелиосферы нашей солнечной системы, - и среднюю плотность, равную плотности Атмосфера Земли на уровне моря (1,2 кг / м 3).
Независимо от массы и результирующей плотности пушистого шара, определяющим фактором, определяющим, где находится его поверхность, является порог, при котором его убегающая скорость точно равна скорости света. Скорость убегания, как следует из названия, - это скорость, которой должно достичь тело, чтобы убежать от массивного объекта. Для Земли это 11,2 км / с. В другом направлении скорость убегания массивного объекта равна скорости удара, достигаемой падающим телом, которое упало с края сферы гравитационного воздействия массивного объекта. Таким образом, горизонты событий - как для классических черных дыр, так и для пушистых комков - лежат именно в той точке, где пространство-время искривилось до такой степени, что падающие тела просто достигают скорости света. Согласно Альберту Эйнштейну, через его специальную теорию относительности, скорость света является максимально допустимой скоростью в пространстве-времени. С этой скоростью падающее вещество и энергия ударяются о поверхность пушистого шарика, и его теперь освобожденные отдельные струны вносят свой вклад в состав пушистого шарика.
Классические черные дыры создают проблему для физики, известную как информационный парадокс черной дыры, проблема, впервые поднятая в 1972 году Якобом Бекенштейном, а затем популяризированная Стивеном Хокингом. Информационный парадокс рождается из осознания того, что вся квантовая природа (информация) материи и энергии, которая попадает в классическую черную дыру, как считается, полностью исчезает из существования в сингулярности нулевого объема в ее сердце. Например, черная дыра, которая питается звездной атмосферой (протонами, нейтронами и электронами) от соседней звезды-компаньона, должна, если она подчиняется известным законам квантовой механики, технически расти и становиться все более и более отличной по составу от той, которая есть. питаясь светом (фотонами) от соседних звезд. Тем не менее, последствия классической теории черных дыр неизбежны: помимо того факта, что две классические черные дыры будут становиться все более массивными из-за падающего вещества и энергии, они не претерпят нулевого изменения в своем относительном составе, потому что их сингулярности не имеют состава. Бекенштейн отметил, что этот теоретический результат нарушает квантово-механический закон обратимости, который, по сути, гласит, что квантовая информация не должна быть потеряна ни в каком процессе. Эта область исследований сегодня известна как термодинамика черных дыр.
Даже если бы квантовая информация не была погашена сингулярностью классической черной дыры и каким-то образом все еще существовала, квантовые данные не смогли бы подняться против бесконечной гравитационной интенсивности, чтобы достичь поверхности своего горизонта событий и убежать. Излучение Хокинга (до сих пор необнаруженные частицы и фотоны, которые, как считалось, испускаются из-за близости черных дыр) не могло обойти информационный парадокс; он мог выявить только массу, угловой момент и электрический заряд классических черных дыр. Считается, что излучение Хокинга создается, когда виртуальные частицы - пары частиц / античастиц всех видов плюс фотоны, которые являются их собственными античастицами - формируются очень близко к горизонту событий, и один член пары движется по спирали, в то время как другой улетает, унося с собой энергия черной дыры.
Теория пушистика, выдвинутая Матуром и Луниным, удовлетворяет закону обратимости, потому что квантовая природа всех струн, которые падают в пушистый шар, сохраняется, поскольку новые струны вносят свой вклад в состав пушистого комка; никакая квантовая информация не уничтожается. Более того, этот аспект теории поддается проверке, поскольку ее центральный принцип гласит, что квантовые данные пушистого комка не остаются в ловушке в его центре, а достигают его нечеткой поверхности, и что излучение Хокинга уносит эту информацию, которая закодирована в тонких корреляциях между исходящие кванты.
