Единая теория всего (3)

Струнные дыры

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после «выгорания» звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии «бесконечной плотности». Сингулярность окружает так называемый «горизонт событий», гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они «втягиваются» в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

 

Это-то «навсегда» и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно испаряются. В соответствии с законами квантовой механики, пары «виртуальных» частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться «виртуальным» частицам у самого горизонта событий. В этом случае «виртуальные» частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме «излучения Хокинга». Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Температура излучения Хокинга (излучение вблизи горизонта событий чёрной дыры, имеющее тепловой спектр):

где  \hbar — постоянная Планкаc — скорость света в вакууме, k — постоянная БольцманаG — гравитационная постоянная, и, наконец, M — масса чёрной дыры. Например, несложно вычислить, что черная дыра массой 2*10^30 кг (масса Солнца) будет иметь температуру излучения равную 6,135*10^(-8) Кельвинов. Это очень маленькая температура, даже по сравнения с фоновым излучением Вселенной с температурой 2,7 Кельвина.

Но температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Однако такой взгляд приводит к «информационному парадоксу». Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура «излучения Хокинга» означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в 2004-м году он изменил своё мнение — и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются «примерить» на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) теорию струн. Теория струн сейчас — это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В 1996 году Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения того, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, — просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн — это ещё не всё. В 2004-м году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую — большую и очень гибкую — струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких «струнных» чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs — «пуховыми шариками», или stringy stars — «струнными звёздами»). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами «горизонта событий» в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. «горизонт событий» на самом деле представляет собой «пенящуюся массу струн», а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация — путём квантовой телепортации — отпечатывается на излучении Хокинга. Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

Экстремальные черные дыры.

Многообразие ( Евклидово пространство является самым простым примером многообразия. Более сложным примером может служить поверхность Земли. Возможно сделать карту какой-либо области земной поверхности, например карту полушария, но невозможно составить единую (без разрывов) карту всей её поверхности) по которому может двигаться струна называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго обозначения ‘p’ — целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия). Пример — две струны, у которых один или оба конца закреплены на 2-мерной D-бране или D2-бране:

D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа пространственных измерений нашего пространства-времени. Само слово ‘брана’ произошло от слова ‘мембрана’, которая является двумерной поверхностью.

 Для чего я тут про это написал, а вот:

Браны сделали возможным описание некоторых специальных черных дыр в рамках теории струн (Это открытие сделали Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа в 1996 г. Выше.)

Взаимосвязь бран с черными дырами косвенная, но убедительная. Вот как это происходит: Вы начинаете с выключения гравитационной силы (вы делаете это, устанавливая струнную константу связи (число, означающее вероятность распада струны на две струны — одна из двух фундаментальных постоянных в теории струн. Первая — это «натяжение» струны) на нуле). Это может показаться странным для описания черных дыр, которые есть ничто иное, как гравитация, однако, посмотрим, что происходит дальше. С отключенной гравитацией мы можем рассмотреть геометрии, в которых многие браны накручены вокруг дополнительных измерений. Теперь мы используем факт, что браны переносят электрические и магнитные заряды. Оказывается, что имеется предел того, как много заряда может иметь брана, этот предел связан с массой браны. Конфигурации с максимально возможным зарядом очень специфичны и называются экстремальными. Они включают в себя одну из ситуаций, когда имеются дополнительные симметрии, которые позволяют проводить более точные вычисления. В особенности, такие ситуации характеризуются наличием нескольких различных суперсимметрий, которые связывают фермионы и бозоны.

Имеется также максимальное количество электрического или магнитного заряда, которое может иметь черная дыра, и все еще быть стабильной. Они называются экстремальными черными дырами, и они многие годы изучались специалистами по ОТО.

Несмотря на тот факт, что гравитационная сила была выключена, экстремальная система бран делит некоторые свойства с экстремальными черными дырами. В особенности, идентичны термодинамические свойства двух систем. Таким образом, через изучение термодинамики экстремальных бран, накрученных на дополнительные измерения, можно воспроизвести термодинамические свойства экстремальных черных дыр.

Одной из проблем физики черных дыр было объяснение открытия Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру. Новая идея из теории струн такова (в случае экстремальных черных дыр) что вы можете продвинуться в изучении аналогичных систем экстремальных бран, свернутых вокруг дополнительных измерений. Фактически, многие свойства двух систем в точности одинаковы. Это почти сверхъестественное совпадение возникает потому, что в обоих случаях имеется несколько различных суперсимметричных преобразований, связывающих фермионы и бозоны. Оказывается, они позволяют сконструировать убедительную математическую аналогию, которая заставляет термодинамики* двух систем быть идентичными.

 

____________

* Термодинамика черной дыры (свойства):

  • Сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий
  • Площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться со временем при любом классическом процессе.
  • В любых неравновесных процессах с участием чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается.

 

Подготовлено специально для «Астрономия»

Stay tuned.



Читайте также:


Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Instagram