Войти
теорема без волос утверждает, что все черные дыры решения Эйнштейна– Уравнения Максвелла гравитации и электромагнетизма в общей теории относительности могут быть полностью охарактеризованы только тремя внешне наблюдаемыми классическими параметрами: масса, электрический заряд и угловой момент. Вся остальная информация (для которой «волосы» - метафора) о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее, «исчезает» за черной дырой горизонт событий и остается поэтому постоянно недоступен для внешних наблюдателей. Физик Джон Арчибальд Уиллер выразил эту идею фразой «у черных дыр нет волос», которая и послужила источником названия. В более позднем интервью Уилер сказал, что Якоб Бекенштейн придумал эту фразу.
Первая версия теоремы об отсутствии волос для упрощенного случая уникальности метрики Шварцшильда был показан Вернером Израэлем в 1967 году. Результат был быстро обобщен на случаи заряженных или вращающихся черных дыр. До сих пор нет строгого математического доказательства общей теоремы об отсутствии волос, и математики называют ее гипотезой об отсутствии волос . Даже в случае одной только гравитации (т. Е. При нулевом электрическом поле) эта гипотеза была решена лишь частично благодаря результатам Стивена Хокинга, Брэндона Картера и Дэвида С. Робинсона при дополнительная гипотеза о невырожденных горизонтах событий и техническое, ограничивающее и трудно оправдываемое предположение реальной аналитичности пространственно-временного континуума.
Предположим, две черные дыры имеют одинаковые массы, электрические заряды и угловые моменты, но первая черная дыра образовалась в результате коллапса обычной материи, тогда как второй был сделан из антивещества ; тем не менее, тогда гипотеза гласит, что они будут совершенно неотличимы для наблюдателя за пределами горизонта событий. Ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц (т. Е. Глобальных зарядов барионного числа, лептонного числа и т. Д., Все из которых были бы разными для исходные массы материи, которые создали черные дыры) сохраняются в черной дыре, или, если они сохранятся каким-то образом, их значения будут ненаблюдаемы извне.
Каждые изолированная нестабильная черная дыра быстро распадается до стабильной черной дыры; и (за исключением квантовых флуктуаций) стабильные черные дыры могут быть полностью описаны (в декартовой системе координат) в любой момент времени этими одиннадцатью числами:
,
(три компонента),
(три компонента),
(три компонента),
.Эти числа представляют сохраненные атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его гравитационное и электромагнитное поля. Все остальные варианты черной дыры либо ускользнут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой.
Изменяя систему отсчета, можно установить линейный импульс и положение равными нулю и сориентировать спиновый угловой момент вдоль положительной оси z. Это исключает восемь из одиннадцати чисел, оставляя три, которые не зависят от системы отсчета: масса, величина углового момента и электрический заряд. Таким образом, любая черная дыра, которая была изолирована в течение значительного периода времени, может быть описана метрикой Керра – Ньюмана в правильно выбранной системе отсчета.
Теорема об отсутствии волос была первоначально сформулирована для черных дыр в контексте четырехмерного пространства-времени, подчиняющегося уравнению поля Эйнштейна общей теории относительности с нулевой космологической постоянной, в присутствии электромагнитных полей или, возможно, других полей, таких как скалярные поля и массивные векторные поля (поля Proca и т. Д.).
С тех пор он был расширен, чтобы включить случай, когда космологическая постоянная положительна ( что подтверждают недавние наблюдения).
Магнитный заряд, если он будет обнаружен в соответствии с предсказаниями некоторых теорий, сформировал бы четвертый параметр, которым обладает классическая черная дыра.
Контрпримеры, в которых теорема не работает, известны в пространственно-временных измерениях больше четырех; при наличии неабелевых полей Янга – Миллса, неабелевых полей Прока, некоторых неминимально связанных скалярные поля, или скирмионы ; или в некоторых теориях гравитации, помимо общей теории относительности Эйнштейна. Однако эти исключения часто являются нестабильными решениями и / или не приводят к сохранению квантовых чисел, так что «тем не менее,« дух »гипотезы об отсутствии волос, кажется, сохраняется». Было высказано предположение, что "волосатые" черные дыры могут рассматриваться как связанные состояния безволосых черных дыр и солитонов.
. В 2004 году точное аналитическое решение (3 + 1) -мерной сферически-симметричной черной дыры с получено минимально связанное самовзаимодействующее скалярное поле. Это показало, что помимо массы, электрического заряда и углового момента черные дыры могут нести конечный скалярный заряд, который может быть результатом взаимодействия с космологическими скалярными полями, такими как инфлатон. Решение устойчиво и не обладает нефизическими свойствами; однако существование скалярного поля с желаемыми свойствами является лишь предположением.
Результаты LIGO предоставляют некоторые экспериментальные доказательства, согласующиеся с уникальностью теоремы об отсутствии волос. Это наблюдение согласуется с теоретической работой Стивена Хокинга о черных дырах в 1970-х годах.
Исследование Стивена Хокинга, Малкольма Перри и Эндрю Строминджер постулирует, что черные дыры могут содержать «мягкие волосы», что дает черной дыре больше степеней свободы, чем считалось ранее. Эти волосы проникают в состояние с очень низкой энергией, поэтому в предыдущих расчетах, которые постулировали теорему об отсутствии волос, они не использовались.
