Черные дыры – это точки в пространстве с такой мощной гравитацией, что даже свет не может выбраться из них. Это притяжение уплотняет любую материю, которую затягивают черные дыры. Несмотря на то, что эти объекты невидимы, ученые выяснили, что они отличаются по размеру, изучив поведение звезд и газа, окружающих их.
Спустя долгие месяцы после математических расчетов, команда Матура добилась объяснения, поддерживающего их теорию отсутствия файервола. Она построена на теории струн, научной концепции, предполагающей, что Вселенная состоит из субатомных струнно-подобных трубок энергии. Эта идея уходит корнями в попытку примирить квантовую механику и теорию относительности. Матур всегда считал себя одним из ученых, которые настроены скептически по отношению к файерволу.
«Вопрос состоит в том, в какой момент черная дыра вас захватывает? Мы считаем, что в процессе приближения человека к горизонту, поверхность клубка нарастает и захватывает его до того, как он достигнет самой горячей части излучения, и это ключевое обнаружение в этом физическом исследовании, упраздняющее доводы в пользу файервола, - говорит он. – Как только человек, падающий в черную дыру, запутывается в «струнах», сложно сказать наверняка, что он испытывает. Идея файервола была похожа на быстрое решение доказательства того, что предмет, падающий сквозь горизонт, сгорает. Но теперь мы видим, что здесь нельзя делать такие поспешные выводы; что бы ни происходило можно разрешить только детальными расчетами в теории струн».
Классическое описание гравитации - Общая Теория Относительности (ОТО) - содержит решения, называемые "черные дыры" (ЧД). Существует довольно много типов черных дыр, но все они показывают сходные общие свойства. Горизонт событий это поверхность в пространстве-времени, которая, проще говоря, отделяет область внутри ЧД от области вне ее. Гравитационное притяжение ЧД настолько велико, что ничто, даже свет, проникнув под горизонт, не может вырваться назад. Таким образом, классические ЧД могут быть описаны лишь используя такие параметры как масса, заряд и угловой момент.
Черные дыры - хорошие лаборатории по изучению струнных теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Черные дыры на самом деле не "черные", поскольку они излучают ! Используя полуклассические аргументы, Стивен Хокинг показал, что ЧД излучают тепловое излучение со своего горизонта. Так как струнная теория, помимо всего прочего еще и теория квантовой гравитации, она в состоянии согласованно описать ЧД. А еще есть ЧД, удовлетворяющие уравнению движения для струн. Эти уравнения схожи с уравнениями из ОТО, но в них есть некоторые дополнительные поля, пришедшие туда из струн. В суперструнных теориях есть специальные решения типа ЧД, которые сами по себе еще и суперсимметричны.
Одним из самых драматичных результатов в струнной теории был вывод формулы для энтропии Бекенштейна-Хокинга ЧД, полученный из рассмотрения микроскопических струнных состояний, формирующих ЧД. Бекенштейн отметил, что ЧД подчиняются "закону площадей", dM = K dA, где 'A' - площадь горизонта а 'K' - константа пропорциональности. Так как полная масса ЧД это ее энергия покоя, то ситуация очень похожа на термодинамику: dE = T dS, что показал Бекенштейн. Хокинг позднее в полуклассическом приближении показал, что температура ЧД равна T = 4k, где 'k' - константа, именуемая "поверхностной гравитацией". Таким образом, энтропия ЧД может быть переписана как $S = A/4$. Более того, не так давно Стромингер (Strominger) и Вафа (Vafa) показали, что эта формула для энтропии может быть получена микроскопически (вплоть до фактора 1/4), используя вырождение квантовых состояний струн и D-бран, соответствующих определенным суперсимметричным ЧД в струнной теории. К слову, D-браны дают на малых расстояниях описание как при слабой связи. Например, ЧД, рассмотренные Стромингером и Вафой, описываются 5-бранами, 1-бранами и открытыми струнами, "живущими" на 1-бране, все свернутые в 5-мерный тор, что эффективно дает 1-мерный объект - ЧД.
Еще там непонятная картинка для хокингского излучения
Чтобы рассказать о том, что такое теория струн, необходимо сделать несколько пояснений. Для начала разберемся с тем, что такое поле. Представьте себе поверхность моря. В каждой точке этой поверхности можно задать высоту волны над уровнем моря в штиль. Набор значений высот в каждой точке в определенный момент времени является примером двумерного поля. В штиль поверхность абсолютно гладкая, и это отвечает теории поля в основном (вакуумном) состоянии.
Как описать динамику подобного поля (его изменение в пространстве и во времени)? Для начала необходимо определиться с тем, какое у нас поле – с тем, что на научном языке называется обобщенной координатой. (Один пример приведен в предыдущем абзаце.) Затем следует понять, какие симметрии имеет рассматриваемый нами объект. Например, объектом исследования может являться кристаллическая решетка. Тогда полем будет являться набор значений смещений всех атомов этой решетки из положений их равновесия в данный момент времени. Это будет дискретное поле, так как его значение задано не в каждой точке пространства, а лишь в узлах решетки. Симметриями такой системы, очевидно, будут сдвиги вдоль решетки на межатомные расстояния и повороты на такие углы, при которых решетка переходит сама в себя. Полученная таким образом теория поля будет описывать упругие волны в кристалле.
После этого можно записать так называемый функционал действия. Что это такое требует отдельного разговора, но для нас здесь важно, что он пишется из самых простых соображений – действие не должно меняться при рассматриваемых преобразованиях симметрии и при этом оно должно зависеть от градиентов (скоростей изменения) полей вдоль различных направлений в пространстве и во времени. Как правило, такие соображения позволяют записать простейший вариант действия однозначно.После этого, например, из принципа наименьшего действия мы можем вывести уравнения, описывающие динамику полей и решать их. Чудесным образом такой подход позволяет описывать практически все явления, которые человечество наблюдает на эксперименте – от гидродинамики и физики твердого тела до физики элементарных частиц.
В случае фундаментальных полей, в отличие от полей в твердых телах (вроде рассмотренного выше случая кристаллической решетки) имеется одна важная проблема. Обратим внимание, что чем выше частота волны в кристалле, тем меньше ее длина волны. Из этого возникает проблема, связанная с тем, что в фундаментальной теории поля решетки запрещены некоторыми очень важными симметриями. Действительно, тогда как в кристалле имеется предельная частота (длина волны не может быть меньше расстояния между узлами решетки), фундаментальное поле можно гнуть со сколь угодно высокой точностью. Это отвечает наличию волн с бесконечно высокой частотой, то есть со сколь угодно маленькой длиной волны. Присутствие таких частот в фундаментальной теории поля приводит к бесконечностям, от которых, к счастью, во многих случаях научились избавляться, поняв при этом их глубокий физический смысл. На самом деле, единственным исключением на данный момент является теория гравитации.
Идея теории струн заключается в том, что каждая частица является двумерной вселенной – такой, у которой есть только одно пространственное, и одно временное направление. При этом пространственное направление имеет конечные размеры. Например, оно может быть замкнуто в петлю, которая должна быть очень маленькая. Тогда различные колебания - с разным числом длин волн вдоль пространственного направления - отвечают разным сортам частиц, ведь с больших расстояний мы видим маленькую струну как точечную частицу. (Масса и свойства этой частицы зависят от формы стоячей волны – от числа длин волн на поверхности струны.)
Оказалось, что среди возбуждений струны есть такие, которые не встречаются в физике адронов, но при этом имеют свойства аналогичные, например, гравитонам. (Это фундаментальные волны в теории гравитации, которые экспериментально пока не найдены, но, все меньше людей сомневаются в их существовании.) Среди возбуждений струны есть также калибровочные бозоны (переносчики электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий) и многие другие важные частицы. То есть теория струн дает единый взгляд на гравитационные и электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия.
Более того, оказалось, что при таком подходе решаются многие из сложностей в теории гравитации. Например, решается упомянутая выше проблема, связанная с наличием бесконечно больших частот. Действительно, ведь при очень маленькой длине волны частицу заменяет струна, что, грубо говоря, ограничивает максимальную частоту.
Также оказываются более прозрачными некоторые из фундаментальных свойств черных дыр.
Помимо этого из необходимости уважения некоторых важных симметрий в теории струн следует, что она может непротиворечиво существовать только в пространстве-времени размерности десять. Таким образом, в рамках этой теории предполагается, что наш мир состоит из большой четырехмерной части (того пространства, в котором мы живем) и маленькой шестимерной. (Это можно представлять как то, что каждая точка нашего пространства при пристальном взгляде имеет внутреннюю шестимерную структуру.) Исходно даже существовала надежда, что из логической непротиворечивости теории струн на столь странном десятимерном пространстве возникнет объяснение, почему мы живем в четырехмерном пространстве-времени. На данный момент, однако, большая часть сообщества ученых занимающихся струнами придерживается той точки зрения, что эта надежда не оправдалась.
И наконец, в теории струн все заряды и массы частиц приобретают геометрический смысл. Некоторые из них возникают, например, как размеры различных частей маленького шестимерного пространства. Таким образом, теория струн является наукой на стыке физики, геометрии и алгебры, что отчасти объясняет ее исключительную привлекательность в среде научного сообщества. В частности, теория струн обогатила некоторые области математики, такие как алгебраическая геометрия и топология....
Основная проблема в теории, основанной лишь на линейных объектах, заключается в том, что пока еще не создана такая ее формулировка, которая не зависит от того пространства-времени, на фоне которого рассматриваются струны. Существует формулировка теории струн на фоне плоского пространства-времени и на фоне некоторых
очень специальных пространств. Однако, например, неизвестно, как сформулировать струны на фоне расширяющейся вселенной или на фоне черной дыры Шварцшильда. С этой проблемой связано отсутствие вторично квантованной теории струн, описывающей динамику струнных полей. Таких полей, квантами которых будут струны, а не частицы. Также мы все еще не умеем работать с другими протяженными объектами – с мембранами или так называемыми p-бранами. Последние – это обобщения мембраны на случай когда у нее p пространственных измерений. Плохо понятым остается и соответствие между гравитационными и калибровочными теориями.
Физики-теоретики Дуглас Стэнфорд и Стивен Шенкер показали в своих вычислениях, что на квантовом уровне черные дыры проявляют хаотичное поведение, подобное эффекту бабочки. Внесение изменений в черную дыру – даже столь малые, как сброс в нее одной частицы – могут серьезно изменить ее поведение.
Ключевым моментом к пониманию этого хаоса является то, что черные дыры не совсем черные. Космические гиганты излучают слабую дымку из частиц – остатки пар виртуальных частиц, постоянно возникающих повсюду в космосе. Когда это происходит у горизонта черной дыры, некоторые частицы могут улететь, производя то, что сегодня известно, как излучение Хокинга. Изучение излучения Хокинга проливает свет на хаотичную природу черных дыр. Об этом Стэнфорд и Шенкер написали работу, которая была опубликована в журнале Journal of High Energy Physics в 2014 году.
Добавление частицы увеличивает массу черной дыры и расширяет ее горизонт событий – границу, зайдя за которую ничто не может выбраться обратно. Излучение Хокинга, которое в противном случае было бы испущено, остается запертым внутри расширяющейся черной дыры. То, что казалось незначительным изменением, имеет далеко идущие последствия – чистый хаос.
Стэнфорд взял эту идею и расширил ее. Он, Шенкер и Хуан Малдасена из Института перспективных исследований опубликовали в 2016 году в Journal of High Energy Physics работу, в которой продемонстрировали теоретически, что последствия даже маленького изменения в черной дыре возрастают настолько быстро, насколько это вообще физически возможно. Этот рост последствий делает черные дыры самой хаотичной системой, позволенной законами природы.
В новой научной работе Луис Крейн (Louis Crane) из Университета штата Канзас (США) предлагает рассмотреть часть обнаруженных за последние десятилетия источников высокоэнергетического излучения, как космические корабли более развитых рас. Источником энергии и реактивной силы таких звездолетов он предполагает микроскопические черные дыры.
По его расчетам, сердцем гипотетического космического корабля может быть черная дыра диаметром чуть менее трех аттометров (единица измерения в миллиард миллиардов раз меньше метра). Хокинговское излучение такого объекта может питать энергией и обеспечивать достаточную тягу для звездолета на протяжении ста земных лет. Разгон до скоростей близких к световой займет десятилетие, и то же время потребуется на торможение.
Крейн считает, что у «выхлопа» таких кораблей (BHS — black hole ship, корабль на черной дыре) будут специфические параметры, и примерно половина случаев обнаружения высокоэнергетических импульсов частично под них попадает. Так, для наблюдателя отдаляющийся от него BHS будет выглядеть как точечный источник излучения со значительной частью гамма-квантов высоких энергий порядка 100 ГэВ с увеличивающимся красным смещением. Если корабль будет приближаться к наблюдателю, то есть тормозить — смещение будет уменьшающимся синим. Математик предложил строить будущие телескопы с прицелом на поиск подобных объектов.
В настоящем обзоре предпринята попытка обобщить основные вопросы и методы, которые используются при исследовании астрофизики черных дыр численными методами. Он предназначен для неэкспертной аудитории, заинтересованной в обзоре этой широкой области. Обзор проводится без уравнений и, следовательно, без подробного экспертного обсуждения основных физических процессов или численных особенностей. Вместо этого он намерен проиллюстрировать богатство области и мотивировать к дальнейшему чтению. В обзоре сделан акцент на магнитогидродинамическом моделировании, но также затрагивается моделирование переноса излучения и слияния, в частности, указывается на различия в этих подходах.
Астрономы из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили, что черная дыра Стрелец A* "проснулась" и начала пожирать все вокруг себя. Об этом пишет Digital Trends.
Сверхмассивная черная дыра Sgr A* находится в центре Млечного Пути. Накануне она начала производить загадочные вспышки, и астрономы начали пристально за ней следить.
Оказалось, что на протяжении всех 24 лет наблюдений за черной дырой, она вела себя спокойно. Сейчас вещество вокруг черной дыры начало светиться в 2 раза ярче, нежели обычно.
Ученые считают, что это последствия того, что дыра "проголодалась" и начала поглощать все вокруг себя.
По словам ученых, у нее "разразился настоящий голод вселенского масштаба". Также специалисты утверждают, что Стрелец A* не является опасной для человечества, поскольку находится на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли.
Черные Дыры и Теория Суперструн
12 Дек 2019 07:03 #14
К астрономам и астрофизикам это, конечно, не относится, но Галактику и особенно Метагалактику могут путать со Вселенной даже весьма образованные люди, честное слово.
Ученые Университета Уотерлу в Канаде получили первое подтверждение существования излучения Хокинга у черных дыр. Анализ гравитационных волн показал, что молодые черные дыры окружены квантовым «пухом» из виртуальных частиц, которые создают гравитационно-волновое эхо. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.
Исследователи проанализировали данные о наблюдении коллаборацией LIGO гравитационных волн, возникших при слиянии нейтронных звезд. Это событие известно как GW170817, и считается, что в результате могла возникнуть черная дыра. Ученые обнаружили отголоски гравитационных волн, которые, согласно гипотезе, отразились от слоя, создаваемого у горизонта событий виртуальными частицами и отвечающего за излучение Хокинга.
Излучение Хокинга представляет собой поток частиц, порождаемый вблизи горизонта событий черной дыры. Приливные силы, порождаемые гравитационным полем, способствуют превращению квантовых флуктуаций (виртуальных частиц) в пары частица-античастица. Одна из этих частиц, обладающая с точки зрения внешнего наблюдателя «отрицательной энергией», падает за горизонт событий, благодаря чему другая частица оказывается способной покинуть гравитационное поле. Закон сохранения энергии требует, чтобы при этом масса черной дыры уменьшилась, то есть происходит ее испарение.
...Лишь в середине девяностых годов прошлого века произошла так называемая «вторая революция в теории струн». Эдвард Виттен выдвинул гипотезу, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории
Введение ещё одного измерения в целом не нарушает связь квантовой теории и ОТО, и более того — снимает очень многие накопившиеся проблемы в теории суперструн. В том числе успешно скрещивает все пять суперструнных теорий в одну-единственную M-теорию, которая на сегодня является без преувеличения высшим достижением физиков в деле познания Вселенной.
Согласно M-теории получается, что основа Вселенной — не только одномерные струны. Могут существовать и двухмерные аналоги струн — мембраны, и трёхмерные, и четырёхмерные… Эти конструкции были названы бранами (струна — 1-брана, мембрана — 2-брана, и так далее). М-теория оперирует двумерными и пятимерными бранами, но даже базовая теория бран на данный момент все ещё находится в разработке. Существование бран экспериментально не подтверждено — на данном этапе развития теории считается, что браны принципиально ненаблюдаемы.
При всем при этом М-теория при низких энергиях аппроксимируется супергравитацией в одиннадцати измерениях. Связь с гравитацией делает М-теорию претендентом на то, чтобы стать связующей теорией между всеми фундаментальных взаимодействий во Вселенной, или другими словами — «Единой теорией всего».
...
Черные Дыры и Теория Суперструн
07 Март 2020 16:01 #25
да, красивая вещь. до сих пор не верится, что это просто тупиковая теория, кажется, что такая симметрия должна отражать что-то более глубокое и глобальное... но к сожалению, пока получаетчя, что просто красивая и голая математика. пытал тут на днях знакомого физика с ияф (в футбик гоняем вместе со студентов еще), участвует в церновском проекте в российской группе. говорит, шо не подтверждается нифига струнная эпопея, стандартная модель рулит пока. жаль...
Черные Дыры и Теория Суперструн
07 Март 2020 17:12 #26
физика эл. частиц забрела в тупик, коллайдер церновский выдыхается энергией уже, а вбухивать бабло в новые коллайдеры жалко уже..., уж лучше и полезнее в наноматериалы, пилюльки и химию белков с днк/рнк
останется пялиться в космос всё лучшими инструментами и надеяться застукать инфу о новых эл. частицах
Черные Дыры и Теория Суперструн
10 Март 2020 15:55 #30
не, не вывел. наоборот показал, как прочно они там сидят.
я перед лекцией нашел в инете его выступления подобные, примерно знал содержание, но поскольку с тех пор прошли годы, были открыты гравиволны и бозон хиггса, думал, что он как-то модернизирует свое выступление, но ничего нового, все было абсолютно тоже самое. вот содержание и темы его выступлений
кроме того, лекция была слишком популярная, рассчитанная на недалекого, но любопытного обывателя, непутевого студента или того хуже - гуманитария, вообразившего понимание мироустройства. никаких глубоких секретов и погружения.
впрочем, главным образом, я туда водил дочку, а для обычного школьника это было как раз на грани между что-то понять и вообразить, что понял.
сначала он рассказал что оне знают в своем тупике, что доказано и как, в частности коснулся темной материи и темной энергии. кроме того, что они есть и известны кое-какие свойства, больше ничего непонятно. все лежит в области гипотез.
но поскольку пока ничего из подобного ни на БАКе, ни на байкале не словлено, то в тупике уже начинают плодить экзотику других объяснений, в частности возможности состава темной материи из не таких тяжелых беззарядных частиц
много времени уделил расширению вселенной и главное - инфляционной теории, как возможному объяснению неравномерности структуры вселенной (квантовая флуктуации вакуума) при сохранении крупномасштабной ее однородности и изотропности. мультивселенных виленкина и линде при этом не касался, хотя его спрашивали о них - они, во-первых, его мало интересуют с точки зрения каких-то физиконаучных профитов, а во-вторых, вряд ли доказуемы в осязаемые времена.
я ради пущего интереса спросил о его отношении к м-теории струнной. в своем достаточно развернутом ответе он восхитился ее красотой и даже пользой разработанного мат.аппарата и его возможностей для физиков. но при этом отметил известную бесконечную множественность решений, размазывания претендента на теорию всего в теорию ничего. рассказал историю про виттена, когда он приезжал к ним в фиан с докладом, в котором он просил дать им год-два, после чего физики получат все - от вывода всех констант и соотношений до предсказаний неизвестного. после этого прошло много лет, и в кулуарах конференций сами суперструнщики, по его словам, вопрошают - чего же мы тут в конце концов наворотили, бл...? то есть еще один крепкий и на удивление красивый тупик. вот такое примерно у него отношение к м-теории. и не только у него. как-то так...
