Теорема об отсутствии волос (которая является гипотезой) утверждает, что все решения стационарных черных дыр уравнений гравитации и электромагнетизма Эйнштейна-Максвелла в общей теории относительности могут быть полностью охарактеризованы только тремя независимыми внешне наблюдаемыми классическими параметрами: массой , электрическим зарядом и угловой момент . [1] Остальные характеристики (такие как геометрия и магнитный момент) однозначно определяются этими тремя параметрами, и вся остальная информация (для которой «волосы» являются метафорой) о материи , образовавшей черную дыру или падающей в нее, «исчезает». «за горизонтом событий черной дыры и поэтому навсегда недоступна для внешних наблюдателей после того, как черная дыра «успокоится» (излучая 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 Уилер сказал, что эту фразу придумал Джейкоб Бекенштейн . [2]
Ричард Фейнман возражал против фразы, которая, как мне казалось, лучше всего символизирует открытие одного из аспирантов: аспирант Джейкоб Бекенштейн показал, что черная дыра не обнаруживает ничего из того, что входит внутрь, в виде вращения электрических частиц. Да, он может показывать электрический заряд; масса, да; но никаких других особенностей – или, как он выразился, «у черной дыры нет волос». Ричард Фейнман посчитал эту фразу непристойной и не хотел ее использовать. Но эта фраза сейчас часто используется для обозначения той особенности черных дыр, что они не указывают на какие-либо другие свойства, кроме заряда, углового момента и массы. [3]
Первая версия теоремы об отсутствии волос для упрощенного случая единственности метрики Шварцшильда была показана Вернером Исраэлем в 1967 году . [4] Результат был быстро обобщен на случаи заряженных или вращающихся черных дыр. [5] [6] До сих пор не существует строгого математического доказательства общей теоремы об отсутствии волос, и математики называют ее гипотезой отсутствия волос . Даже в случае только гравитации (т.е. нулевых электрических полей) гипотеза была лишь частично решена результатами Стивена Хокинга , Брэндона Картера и Дэвида К. Робинсона, в соответствии с дополнительной гипотезой о невырожденных горизонтах событий и технической теории. , ограничительное и труднообоснованное предположение о 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 , а вторая — из антиматерии ; тем не менее, тогда гипотеза утверждает, что они будут совершенно неразличимы для наблюдателя за пределами горизонта событий . Ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц (т.е. глобальные заряды барионного числа, лептонного числа и т. д., которые все 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 будут ненаблюдаемы извне. [ нужна цитата ]
Каждая изолированная нестабильная черная дыра быстро распадается на стабильную черную дыру; 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 сохранившиеся атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его гравитационные и электромагнитные поля. Все остальные вариации черной дыры либо убегут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой.
Изменяя систему отсчета, можно установить линейный момент и положение равными нулю и ориентировать угловой момент вращения 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, изолированная 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, необязательно, других полей, таких как скалярные поля и массивные векторные поля ( поля Прока и др.). [ нужна цитата ]
С тех пор он был расширен, включив в него случай, когда космологическая постоянная положительна (что подтверждают недавние наблюдения). [7]
Магнитный заряд , если он будет обнаружен, как предсказывают некоторые теории, станет четвертым параметром, которым обладает классическая черная дыра.
Контрпримеры, в которых теорема не работает, известны в измерениях пространства-времени выше четырех; при наличии неабелевых полей Янга–Миллса , неабелевых полей Прока , некоторых неминимально связанных скалярных полей или скирмионов ; или в некоторых теориях гравитации, кроме общей теории относительности Эйнштейна. Однако эти исключения часто представляют собой нестабильные решения и/или не приводят к сохранению квантовых чисел, так что «однако« дух »гипотезы об отсутствии волос, по-видимому, 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 самодействующим 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 . Раствор устойчив и не обладает какими-либо нефизическими свойствами; однако существование скалярного поля с желаемыми свойствами является лишь умозрительным.
Результаты первого наблюдения гравитационных волн в 2015 году предоставляют некоторые экспериментальные доказательства, подтверждающие уникальность теоремы об отсутствии волос. [10] [11] Это наблюдение согласуется с теоретическими работами Стивена Хокинга о черных дырах в 1970-х годах. [12] [13]
Исследование Саши Хако , Стивена Хокинга , Малкольма Перри и Эндрю Строминджера предполагает, что черные дыры могут содержать «мягкие волосы», что дает черной дыре больше степеней свободы, чем считалось ранее. [14] Эти волосы проникают в состояние с очень низкой энергией, поэтому они не учитывались в предыдущих расчетах, постулирующих теорему об отсутствии волос. [15] Этому была посвящена последняя статья Хокинга, опубликованная посмертно. [16] [17]
