Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Stretching the Fabric of Space-Time into a Black Hole

Стягивание ткани пространства-времени в чёрную дыру

Одним из следствий общей теории относительности Эйнштейна стало существование областей, в которых пространство-время искривлялось так сильно, что даже луч света попадал в ловушку.

Эти области стали называться чёрными дырами, и их изучение - одна из самых увлекательных областей космологии.

Применение теории струн к исследованию чёрных дыр является одной из самых существенных частей доказательства в пользу теории струн.

Чёрные дыры образуются, как полагают, когда звёзды умирают и их огромная масса коллапсирует внутрь, создавая интенсивные гравитационные поля.

Никто не "видел" чёрную дыру, однако учёные отметили гравитационные доказательства, соответствующие их предсказаниям, так что большинство учёных верит, что они существуют.

Что происходит внутри чёрной дыры?

Согласно общей теории относительности, возможно, что сама ткань пространства-времени искривляется бесконечное число раз.

Точка с таким бесконечной кривизной называется пространственно-временной сингулярностью.

Если вы проследуете по пространству-времени обратно к большому взрыву, то достигнете сингулярности.

Сингулярности существуют также внутри чёрных дыр, как показано на рис. 9-6.

Рисунок 9-6: Внутри чёрной дыры пространство-время стягивается в бесконечную сингулярность.

Так как общая теория относительности говорит, что искривление пространства-времени эквивалентно силе тяжести, сингулярность чёрной дыры имеет бесконечное притяжение.

Любая материя, попадающая внутрь чёрной дыры, будет разорвана этой интенсивной гравитационной энергией при приближении к сингулярности.

По этой причине чёрные дыры представляют собой отличную теоретическую основу для проверки теории струн.

Обычно гравитация так слаба, что квантовые эффекты не могут наблюдаться, однако внутри чёрной дыры гравитация становится господствующей действующей силой.

Теория квантовой гравитации, такая как теория струн, могла бы в точности объяснить то, что происходит внутри чёрной дыры.

Что происходит на границах чёрной дыры?

Граница чёрной дыры называется горизонтом событий и представляет собой барьер, за который не может выйти даже свет.

Если бы вы приближались к краю чёрной дыры, то начали бы проявляться релятивистские эффекты, включая и замедление времени.

Для внешнего наблюдателя это выглядело бы так, как будто для вас время начало замедляться и в конце концов остановилось.

(Вы, с другой стороны, ничего бы не заметили - до тех пор, пока огромные гравитационные силы чёрной дыры не сплющили бы вас, конечно.)

Ранее полагалось, что в чёрную дыру только засасывает вещи, однако физик Стивен Хокинг превосходно показал, что чёрные дыры выделяют энергию, названную излучением Хокинга.

(Эта идея была предложена в 1974 г., через год после в той же степени значительного открытия израильского учёного Яакова Бекенштейна того, что чёрные дыры обладают энтропией - термодинамической мерой беспорядка в системе.

Энтропия измеряет количество различных способов упорядочить вещи в системе.)

Квантовая физика предполагает, что виртуальные частицы постоянно создаются и разрушаются благодаря квантовым флуктуациям энергии в вакууме.

Хокинг применил эту концепцию к чёрным дырам и осознал, что если такая пара создаётся вблизи горизонта событий, возможно, что одна из частиц будет затянута в чёрную дыру, а другая нет.

Это будет выглядеть подобно тому, что чёрная дыра производит излучение.

Для сохранения энергии частица, которая упала в чёрную дыру, должна иметь отрицательную энергию и снизить общее количество энергии (или массы) чёрной дыры.

Поведение чёрных дыр имеет целый ряд странных аспектов, многие из которые были продемонстрированы Хокингом в 1970-х:

✓ Энтропия чёрной дыры пропорциональная площади поверхности чёрной дыры (области горизонта событий), в отличие от обычных систем, в которых энтропия пропорциональна объёму.

Это было открытием Бекенштейна.

✓ Если поместить в чёрную дыру больше материи, она станет холоднее.

✓ Так как чёрная дыра выделяет излучение Хокинга, из неё выходит энергия, так что чёрная дыра теряет свою массу.

Это означает, что чёрные дыры нагреваются, теряя энергию (и, следовательно, массу) более быстро.

Другими словами, в середине 1970-х Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры со временем испарятся (если ей не "скармливать" больше массы, чем она теряет в энергии).

Он проделал это, применив принципы квантовой физики к проблеме гравитации.

Поле того, как чёрная дыра уменьшается до размеров длины Планка, становится необходима квантовая теория гравитации, чтобы объяснить, что с ней происходит.

Решение Хокинга заключается в том, что в этой точке чёрная дыра исчезает, испуская последнюю вспышку случайной энергии.

Это решение приводит к так называемому информационному парадоксу чёрной дыры, так как квантовая механика не позволяет информации теряться, однако не кажется, что энергия при испарении несёт в себе какую-либо информацию о материи, первоначально попавшей в чёрную дыру.

Более подробно я обсуждаю этот информационный парадокс чёрной дыры и возможные способы его разрешения в главе 14.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145390

Переводчики: ilves_ArtO