Fuzzball (теория струн) - Fuzzball (string theory)

Теория струн
Calabi yau formatted.svg
Фундаментальные объекты
Теория возмущений
Непертурбативные результаты
Феноменология
Математика
Теоретические пушинки, как классические черные дыры, искажают пространство-время и гнуть свет. Здесь край центрального темного пятна, горизонт событий, определяет не только порог, на котором скорость убегания равна скорости света, но также и физической поверхности пушистого шара. (Исполнение)

Fuzzballs теоретизируются некоторыми теория суперструн ученые, чтобы быть правдой квант описание черные дыры. Теория пытается решить две неразрешимые проблемы, которые классические черные дыры ставят перед современной физикой:

  1. В информационный парадокс в котором квантовая информация, связанная с падающей материей и энергией, полностью исчезает в сингулярности; то есть черная дыра не претерпит никаких физических изменений в своем составе, независимо от природы того, что в нее попало.
  2. В необычность в самом сердце черной дыры, где согласно традиционной теории черных дыр существует бесконечное пространство-время искривление из-за бесконечно интенсивного гравитационного поля из области нулевого объема. Современная физика не работает, когда такие параметры бесконечны и равны нулю.[Примечание 1]

Теория Fuzzball заменяет сингулярность в центре черной дыры, утверждая, что вся область внутри черной дыры горизонт событий на самом деле клубок струны, которые являются основными строительными блоками из материи и энергии. Считается, что струны представляют собой пучки энергии, колеблющиеся сложным образом как в трех физических измерениях пространства, так и в компактные направления- дополнительные размеры вплетены в квантовая пена (также известен как космическая пена).

Физические характеристики

В некоторых типах теория суперструн - основа теории пушистых комков - дополнительные измерения пространство-время считаются шестимерными Многообразие Калаби – Яу.

Самир Д. Матур из Государственный университет Огайо, с докторантом Олег Лунин, предположил в двух статьях в 2002 году, что черные дыры на самом деле представляют собой сферы из струн определенного объема; они не необычность, который, согласно классическому представлению, является нульмерной точкой нулевого объема, в которой сосредоточена вся масса черной дыры.[1]

Теория струн считает, что основные составляющие субатомные частицы, в том числе силовые носители (например. лептоны, 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, небольшой пушистый шар можно рассматривать как сверхплотный нейтронная звезда где его нейтроны разложились или «расплавились», высвободив кварки (струны в теории струн), составляя их. Соответственно, пушистые шарики можно рассматривать как самую крайнюю форму дегенеративная материя.

В то время как горизонт событий классической черной дыры считается очень хорошо определенной и отчетливой, Матур и Лунин далее подсчитали, что горизонт событий пушистого шара будет в чрезвычайно малом масштабе (вероятно, порядка нескольких Планковские длины ), 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 среднего размера черная дыра звездной массы из 6,8солнечные массы (M☉) составляет 20 километров.

В случае с черными дырами классической модели объекты, проходящие через горизонт событий на своем пути к сингулярности, считаются входящими в область искривленного пространства-времени, где скорость убегания превышает скорость света. Это царство лишено всякой структуры. Кроме того, в сингулярности - сердце классической черной дыры - пространство-время, как считается, 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 шарика струны, составляющие объект, просто падают и впитываются в поверхность пушистого шарика, что соответствует горизонт событий - порог, при котором убегающая скорость равна скорости света.

Пушистый комочек является 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 близко к их горизонту событий (см. § Информационный парадокс, ниже). Теория Fuzzball, по мнению ее сторонников, является истинным квантовым описанием черных дыр.

Исполнение художника Лебедь X-1, 8,7M☉ Черная дыра, находящаяся всего в 6000 световых годах от нас в нашей галактике Млечный Путь, принадлежит двойной системе вместе с голубой сверхгигантской переменной звездой. Если Лебедь X-1 на самом деле пушистый шар, его поверхность имеет диаметр 51 километр.

Поскольку объем пушистых комков является функцией радиуса Шварцшильда (2954 м на M☉), пушистые шары имеют переменную плотность, которая уменьшается как обратный квадрат их массы (удвоенная масса - это удвоенный диаметр, что в восемь раз больше объема, что дает четверть плотности). Типичный 6,8M☉ пушистый шар будет иметь среднюю плотность 4.0×1017 кг / м3.[Заметка 2] Немного такого комочка размером с каплю воды (0,05 мл, 5,0×10−8 м3) имел бы массу двадцать миллионов метрических тонн, что составляет массу гранитного шара диаметром 240 метров.[Заметка 3]

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 нейтронные звезды.[Примечание 4]- их плотности на много порядков меньше, чем у Планковская плотность (5.155×1096 кг / м3), что эквивалентно массе Вселенной, упакованной в объем одного атомного ядра.

Пушистые шары становятся менее плотными по мере увеличения их массы из-за дробное напряжение. Когда материя или энергия (струны) падают на пушистый шарик, к пушистому шарику не просто добавляются новые струны; струны слиться 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"[мнение ] Формулы теории струн, использованные Матуром и Луниным, заключаются в том, как дробные значения натяжения создают радиусы пушистых комков, которые точно равны радиусам Шварцшильда, которые Карл Шварцшильд вычислено с использованием совершенно другой математической техники 87 годами ранее.

В соответствии с правилом обратных квадратов плотности массы, пушистые шары не обязательно должны иметь невообразимые плотности. Это также сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре практически всех галактик. Стрелец А *, черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь, составляет 4,3 миллиона M☉. Если теория пушистого шарика верна, его средняя плотность «всего» в 51 раз больше плотности золота.

3,9 миллиарда M☉ (довольно большая сверхмассивная черная дыра), пушистый шар имел бы радиус 77 астрономические единицы - примерно того же размера, что и завершающий шок гелиосферы нашей солнечной системы - и средняя плотность равна плотности атмосферы Земли на уровне моря (1,2 кг / м3).

Независимо от массы пушистого шарика и результирующей плотности, определяющим фактором, определяющим, где находится его поверхность, является порог, при котором его убегающая скорость точно равна скорости света.[Примечание 5] 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. В соответствии с Альберт Эйнштейн через его специальная теория относительности, скорость света - это максимально допустимая скорость в пространстве-времени. С этой скоростью падающее вещество и энергия ударяются о поверхность пушистого шара, и его теперь освобожденные отдельные струны вносят свой вклад в состав пушистого шара.

Информационный парадокс

Основная статья: Информационный парадокс черной дыры

Классические черные дыры создают проблему для физики, известную как парадокс информации о черной дыре, проблема, впервые поднятая в 1972 г. Якоб Бекенштейн а позже популяризировал Стивен Хокинг. 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 падающей материи и энергии, они не претерпят нулевого изменения в своем относительном составе из-за их сингулярностей. не имеют композиции. Бекенштейн отметил, что этот теоретический результат нарушает квантово-механический закон обратимость, который, по сути, утверждает, что квантовая информация не должна быть потеряна ни в каком процессе. Эта область исследований сегодня известна как термодинамика черной дыры.

Даже если бы квантовая информация не погасла в сингулярности 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. Радиация Хокинга (до сих пор необнаруженные частицы и фотоны, которые, как считалось, испускаются из-за близости черных дыр) не смогли бы обойти информационный парадокс; он мог раскрыть только масса, угловой момент, и электрический заряд классических черных дыр. Считается, что излучение Хокинга возникает, когда виртуальные частицы —частица / Пары античастиц всех видов плюс фотоны, которые являются собственными античастицами, образуются очень близко к горизонту событий, и один член пары движется по спирали, а другой убегает, унося энергию черной дыры.

Теория пушистого комка, выдвинутая Матуром и Луниным, удовлетворяет закону обратимости, поскольку квантовая природа всех струн, которые падают в пушистый шарик, сохраняется, поскольку новые струны вносят 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 его центре, а достигают его нечеткой поверхности, и что излучение Хокинга уносит эту информацию, которая закодирована в тонких корреляциях между исходящие кванты.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Наименьшее линейное измерение в физике, которое имеет какое-либо значение при измерении пространства-времени, - это Планковская длина, который 1.616252(81)×10−35 м (CODATA значение ). Ниже планковской длины эффекты квантовая пена доминируют, и бессмысленно строить предположения о длине в более мелком масштабе - так же, как бессмысленно было бы измерять океанские приливы с точностью до одного сантиметра в море, поднятом штормами. Считается, что сингулярность имеет диаметр, не равный даже одной планковской длине; то есть ноль.
  2. ^ Это средняя объемная плотность; Как и в случае с нейтронными звездами, Солнцем и его планетами, плотность пушистого комка изменяется от поверхности, где он менее плотный, до его центра, где он наиболее плотный.
  3. ^ Меньшие пушистые комочки будут еще плотнее. Самая маленькая из обнаруженных черных дыр, XTE J1650-500, составляет 3,8 ± 0,5M☉. Физики-теоретики считают, что точка перехода, разделяющая нейтронные звезды и черные дыры, составляет от 1,7 до 2,7. M☉ (Центр космических полетов Годдарда: Ученые НАСА определили самую маленькую из известных черных дыр ). Очень маленький, 2,7M☉ Пушистый шар будет более чем в шесть раз плотнее, чем пушистый шар среднего размера 6,8 M☉, со средней плотностью 2.53×1018 кг / м3. Кусок такого пушистого шара размером с каплю воды имел бы массу 126 миллионов метрических тонн, что составляет массу гранитного шара диаметром 449 метров.
  4. ^ Считается, что средняя плотность нейтронных звезд находится в диапазоне 3.7–5.9×1017 кг / м3, что соответствует пушистым шарикам среднего размера от 7,1 до 5,6 M☉. Однако самые маленькие пушистые комочки плотнее нейтронных звезд; маленький, 2,7M☉ пушистый шар будет в четыре-семь раз плотнее нейтронной звезды. На основе «чайной ложки» (≈4,929 мл), которая является общепринятой мерой для передачи плотности в популярной прессе широкой читательской аудитории, сравнительные средние плотности выглядят следующим образом:
    • 2.7 M☉ пушистый комок: 12,45 миллиарда метрических тонн на чайную ложку
    • 6.8 M☉ пушистый комок: 1,963 миллиарда метрических тонн на чайную ложку
    • Нейтронная звезда: 1,8–2,9 миллиарда метрических тонн на чайную ложку.
  5. ^ «Скорость света» в этом контексте дана с точки зрения наблюдателя, который путешествует вместе с пушистым шаром и находится на краю его гравитационной сферы влияния. Ускользающая скорость равна именно так равной (не «очень близкой к») скорости света, потому что мы не измеряем скорость фотонов или частиц относительно пространства-времени, а вместо этого наблюдаем область пространства-времени, которая была деформирована в максимально допустимой степени относительно самой себя. Из Ньютоновский С этой точки зрения падающие объекты достигают скорости, которая - для некоторых внешних наблюдателей - кажется точно равной скорости света в точке, где объекты встречаются с горизонтом событий черной дыры. С точки зрения Эйнштейна, падающая энергия и материя просто следуют контурам пространства-времени до точки, в которой пространство-время становится максимально искривленным.
  1. ^ AdS / CFT двойственность и информационный парадокс черной дыры, С.Д. Матур, Олег Лунин, Ядерная физика B, 623, (2002), стр. 342–394 (arxiv ); и Статистическая интерпретация энтропии Бекенштейна для систем с расширенным горизонтом, С.Д. Матур и Олег Лунин, Physical Review Letters, 88 (2002) (arxiv ).

внешняя ссылка