stringtranslate.com

Теорема об отсутствии волос

Теорема об отсутствии волос (которая является гипотезой) утверждает, что все стационарные решения черных дыр уравнений Эйнштейна–Максвелла гравитации и электромагнетизма в общей теории относительности могут быть полностью охарактеризованы только тремя независимыми внешне наблюдаемыми классическими параметрами: массой , угловым моментом и электрическим зарядом . [1] Другие характеристики (такие как геометрия и магнитный момент) однозначно определяются этими тремя параметрами, и вся остальная информация (для которой «волосы» являются метафорой) о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее, «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, навсегда недоступна внешним наблюдателям после того, как черная дыра «успокаивается» (испуская гравитационные и электромагнитные волны ). Физик Джон Арчибальд Уилер выразил эту идею фразой «у черных дыр нет волос», [1] которая и послужила источником названия.

В более позднем интервью Уиллер сказал, что эту фразу придумал Джейкоб Бекенштейн . [2]

Ричард Фейнман возражал против фразы, которая, как мне показалось, лучше всего символизировала открытие одного из аспирантов: аспирант Якоб Бекенштейн показал, что черная дыра не показывает ничего снаружи себя из того, что вошло внутрь, в виде вращающихся электрических частиц. Она может показывать электрический заряд, да; массу, да; но никаких других характеристик – или, как он выразился, «У черной дыры нет волос». Ричард Фейнман считал, что это непристойная фраза, и он не хотел ее использовать. Но эта фраза теперь часто используется для обозначения этой характеристики черных дыр, что они не показывают никаких других свойств, кроме заряда, углового момента и массы. [3]

Первая версия теоремы об отсутствии волос для упрощенного случая уникальности метрики Шварцшильда была показана Вернером Израилем в 1967 году. [4] Результат был быстро обобщен на случаи заряженных или вращающихся черных дыр. [5] [6] До сих пор нет строгого математического доказательства общей теоремы об отсутствии волос, и математики называют ее гипотезой об отсутствии волос . Даже в случае одной лишь гравитации (т. е. нулевых электрических полей) гипотеза была лишь частично разрешена результатами Стивена Хокинга , Брэндона Картера и Дэвида К. Робинсона при дополнительной гипотезе невырожденных горизонтов событий и техническом, ограничительном и труднообоснованном предположении реальной аналитичности пространственно-временного континуума.

Пример

Предположим, что две черные дыры имеют одинаковые массы, электрические заряды и угловые моменты, но первая черная дыра была создана путем коллапса обычной материи , тогда как вторая была создана из антиматерии ; тем не менее, тогда гипотеза утверждает, что они будут полностью неразличимы для наблюдателя за пределами горизонта событий . Ни один из специальных псевдозарядов физики частиц (т. е. глобальные заряды, барионное число, лептонное число и т. д., все из которых были бы разными для исходных масс материи, создавших черные дыры) не сохраняется в черной дыре, или если они каким-то образом сохраняются, то их значения были бы ненаблюдаемы извне. [ требуется цитата ]

Изменение системы отсчета

Каждая 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:

Эти числа представляют собой сохраняющиеся атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его гравитационные и электромагнитные поля. Все другие вариации в черной дыре либо уйдут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой.

Изменяя систему отсчета, можно установить линейный импульс и положение на ноль и ориентировать угловой момент спина вдоль положительной оси z . Это исключает восемь из одиннадцати чисел, оставляя три, которые не зависят от системы отсчета: массу, величину углового момента и электрический заряд. Таким образом, любая черная дыра, которая была изолирована в течение значительного периода времени, может быть описана метрикой Керра–Ньюмена в соответствующим образом выбранной системе отсчета.

Расширения

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, опционально, других полей, таких как скалярные поля и массивные векторные поля ( поля Прока и т. д.). [ необходима ссылка ]

С тех пор он был расширен, включив в себя случай, когда космологическая постоянная положительна (что, как показывают недавние наблюдения, подтверждается). [7]

Магнитный заряд , если его обнаружить, как предсказывают некоторые теории, станет четвертым параметром, которым обладает классическая черная дыра.

Контрпримеры

Контрпримеры, в которых теорема не выполняется, известны в пространственно-временных измерениях выше четырех; в присутствии неабелевых полей Янга–Миллса , неабелевых полей Прока , некоторых неминимально связанных скалярных полей или скирмионов ; или в некоторых теориях гравитации, отличных от общей теории относительности Эйнштейна. Однако эти исключения часто являются нестабильными решениями и/или не приводят к сохраняющимся квантовым числам, так что ««дух» гипотезы об отсутствии волос, однако, кажется, сохраняется». [8] Было высказано предположение, что «волосатые» черные дыры можно рассматривать как связанные состояния безволосых черных дыр и солитонов .

В 2004 году было получено точное аналитическое решение (3+1)-мерной сферически-симметричной черной дыры с минимально связанным самовзаимодействующим скалярным полем. [9] 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 стабильно и не обладает никакими нефизическими свойствами; однако существование скалярного поля с желаемыми свойствами является лишь спекулятивным.

Результаты наблюдений

Результаты первого наблюдения гравитационных волн в 2015 году предоставляют некоторые экспериментальные доказательства, согласующиеся с уникальностью теоремы об отсутствии волос. [10] [11] Это наблюдение согласуется с теоретической работой Стивена Хокинга о черных дырах в 1970-х годах. [12] [13]

Мягкие волосы

Исследование Саши Хако , Стивена Хокинга , Малкольма Перри и Эндрю Строминджера постулирует, что черные дыры могут содержать «мягкие волосы», что дает черной дыре больше степеней свободы, чем считалось ранее. [14] Эти волосы проникают в очень низкоэнергетическом состоянии, поэтому они не появлялись в предыдущих расчетах, которые постулировали теорему об отсутствии волос. [15] Это было темой последней статьи Хокинга, опубликованной посмертно. [16] [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Misner, Charles W. ; Thorne, Kip S. ; Wheeler, John Archibald (1973). Гравитация. Сан-Франциско: WH Freeman . стр. 875–877. ISBN 978-0716703341. Архивировано из оригинала 23 мая 2016 . Получено 24 января 2013 .
  2. ↑ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: «Интервью с Джоном Уилером 2/3» – через YouTube .
  3. ↑ Транскрипт: Джон Уилер – Фейнман и Джейкоб Бекенштейн, «Сеть историй». Слушатели: Кен Форд, Продолжительность: 1 минута, 19 секунд, Дата записи истории: декабрь 1996 г., Дата выхода истории в эфир: 24 января 2008 г.
  4. ^ Израиль, Вернер (1967). «Горизонты событий в статическом вакуумном пространстве-времени». Phys. Rev. 164 ( 5): 1776–1779. Bibcode :1967PhRv..164.1776I. doi :10.1103/PhysRev.164.1776.
  5. ^ Израиль, Вернер (1968). «Горизонты событий в статическом электровакуумном пространстве-времени». Commun. Math. Phys . 8 (3): 245–260. Bibcode :1968CMaPh...8..245I. doi :10.1007/BF01645859. S2CID  121476298.
  6. ^ Картер, Брэндон (1971). «Осесимметричная черная дыра имеет только две степени свободы». Phys. Rev. Lett . 26 (6): 331–333. Bibcode : 1971PhRvL..26..331C. doi : 10.1103/PhysRevLett.26.331.
  7. ^ Бхаттачарья, Соурав; Лахири, Амитабха (2007). «Теоремы об отсутствии волос для положительных Λ». Physical Review Letters . 99 (20): 201101. arXiv : gr-qc/0702006 . Bibcode : 2007PhRvL..99t1101B. doi : 10.1103/PhysRevLett.99.201101. PMID  18233129. S2CID  119496541.
  8. ^ Мавроматос, NE (1996). «Избегание гипотезы об отсутствии волос для черных дыр». arXiv : gr-qc/9606008v1 .
  9. ^ Злощастьев, Константин Г. (2005). «Сосуществование черных дыр и скалярного поля дальнего действия в космологии». Phys. Rev. Lett . 94 (12): 121101. arXiv : hep-th/0408163 . Bibcode :2005PhRvL..94l1101Z. doi :10.1103/PhysRevLett.94.121101. PMID  15903901. S2CID  22636577.
  10. ^ "Обнаружены гравитационные волны от черных дыр". BBC News . 11 февраля 2016 г.
  11. ^ Преториус, Франс (2016-05-31). "Точка зрения: теория относительности проходит тщательную проверку LIGO". Physics . 9 : 52. doi : 10.1103/physics.9.52 .
  12. ^ Стивен Хокинг.
  13. ^ Стивен Хокинг празднует открытие гравитационных волн.
  14. ^ Хокинг, Стивен У.; Перри, Малкольм Дж.; Стромингер, Эндрю (2016-06-06). «Мягкие волосы на черных дырах». Physical Review Letters . 116 (23): 231301. arXiv : 1601.00921 . Bibcode : 2016PhRvL.116w1301H. doi : 10.1103/PhysRevLett.116.231301. PMID  27341223. S2CID  16198886.
  15. ^ Хоровиц, Гэри Т. (2016-06-06). "Точка зрения: у черных дыр мягкие квантовые волосы". Physics . 9 : 62. doi : 10.1103/physics.9.62 .
  16. ^ Хако, Саша; Хокинг, Стивен У.; Перри, Малкольм Дж.; Стромингер, Эндрю (2018). «Энтропия черной дыры и мягкие волосы». Журнал физики высоких энергий . 2018 (12): 98. arXiv : 1810.01847 . Bibcode : 2018JHEP...12..098H. doi : 10.1007/JHEP12(2018)098. S2CID  119494931.
  17. ^ "Опубликована последняя научная работа Стивена Хокинга". The Guardian . 2018-10-10 . Получено 2021-09-14 .

Внешние ссылки