String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Explaining Black Holes with String Theory

Объяснение черных дыр посредством теории струн

Swarlz 05.04.15 в 09:28

Одна главная тайна теоретической физики, которая требует объяснения, это поведение черных дыр, особенно касательно того, как черные дыры испаряются и теряют ли они информацию.

Swarlz 06.04.15 в 21:46

Я знакомлю с этими темами в главе 9, но обладая общими идеями теории струн, вы возможно сможете расширить свое понимание их.

Swarlz 06.04.15 в 21:49

Черные дыры определены общей теорией относительности как спокойные сущности, но на очень малых масштабах (таких как, когда они испаряются до размеров Плансковской длинны), квантовые эффекты необходимо учитывать.

Swarlz 06.04.15 в 21:51

Решение этой противоречивости это то, в чем теория струн должна быть хороша, если она верна.

Swarlz 06.04.15 в 21:54

Теория струн и термодинамика черных дыр

Swarlz 06.04.15 в 21:54

Когда Стивен Хокинг описывал Излучение Хокинга, которое испускала черная дыра, он должен был использовать свое физическое и математическое чутье, потому что квантовая физика и общая теория относительности непримиримы.

Swarlz 10.04.15 в 13:00

Одним из главных успехов теории струн это предложение полного описания (некоторых) черных дыр.

Swarlz 10.04.15 в 13:01

Излучение Хокинга происходит тогда, когда черная дыра испускает излучение, приводящее к потере массы.

Swarlz 10.04.15 в 13:03

В итоге, черная дыра испаряется полностью (или почти полностью).

Swarlz 10.04.15 в 13:05

Незавершенная аргументация Стивена Хокинга

Swarlz 10.04.15 в 13:10

Публикация Хокинга о том, что черная дыра испускает тепло (также называется термодинамикой) начинает цепочку рассуждений, которые местами не совсем верны.

Swarlz 06.05.15 в 20:52

В середине доказательства существует разрыв, потому что не существует теории квантовой гравитации, которая бы позволила первой половине его объяснения (основанного на общей теории относительности) соединится со второй половиной (основанной на квантовой механике).

Swarlz 06.05.15 в 20:59

Причиной разрыва является то, что выполнение детального термодинамического анализа черной дыры включает в себя изучение всех возможных квантовых состояний черной дыры.

Swarlz 06.05.15 в 21:01

Но черные дыры описаны общей теорией относительности, которая обращается с ними как со спокойными — не квантовыми — объектами.

Swarlz 06.05.15 в 21:02

Без теории квантовой гравитации, похоже нет возможности проанализировать особенную термодинамическую сущность черной дыры.

Swarlz 06.05.15 в 21:04

В публикации Хокинга, эта связь была сделана с помощью его интуиции, но не в том смысле, в котором, вероятно, большинство из нас понимают интуицию.

Swarlz 06.05.15 в 21:08

Интуитивный скачок, который он сделал, состоял в предложении точных математических формул, названных параметрами серости (greybody factors), даже не смотря на то, что он не смог безусловно доказать, откуда они взялись.

Swarlz 06.05.15 в 21:17

Большинство физиков согласны, что интерпретация Хокинга имеет смысл, но теория квантовой гравитации показала бы, сможет ли более точный процесс занять место в его интуитивном шаге.

Swarlz 06.05.15 в 21:22

Теория струн может завершить аргументацию Хокинга

Swarlz 06.05.15 в 21:23

Работа Эндрю Строминджера и Кумруна Вафы по термодинамике черных дыр, по мнению многих струнных теоретиков, является наиболее веским свидетельством справедливости теории струн.

Swarlz 10.05.15 в 16:39

Изучая проблему, которая математически эквивалентна черным дырам — дуальную проблему — они точно посчитали термодинамические свойства черных дыр таким образом, что они совпали с исследованием Хокинга.

Swarlz 10.05.15 в 16:44

Иногда, вместо непосредственного упрощения самой проблемы, вы можете создать дуальную проблему, которая по существу идентична той, которую вы пытаетесь решить, но которая гораздо проще для решения.

Swarlz 10.05.15 в 16:46

Стромиджер и Вафа использовали эту тактику в 1996 для того, чтобы вычислить энтропию в черной дыре.

Swarlz 10.05.15 в 16:47

В их случае, они обнаружили, что дуальная проблема черной дыры описывала коллекцию 1-бран и 5-бран.

Swarlz 10.05.15 в 16:49

Эти "конструкции бран" являются объектами, которые могут быть определены в терминах квантовой механики.

Swarlz 10.05.15 в 16:50

Они обнаружили, что результаты точно совпали с результатами, которые Хокинг предвидел 20 лет назад.

Swarlz 10.05.15 в 16:52

Пока вы еще не слишком обрадовались, результаты Стромиджера и Вафы работают только для некоторых очень специфических типов черных дыр, названные экстремальными черными дырами.

Swarlz 10.05.15 в 16:57

Эти экстремальные черных дыры имеют максимальное количество электрического или магнитного заряда, который только возможен при котором черные дыры все еще стабильны.

Swarlz 10.05.15 в 17:02

Экстремальная черная дыра имеет необычное свойство — она обладает энтропией, но отсутствует тепло или температура.

Swarlz 11.05.15 в 00:27

(Энтропия это мера разупорядоченности, зачастую связана с энергией тепла физической системы.)

Swarlz 11.05.15 в 00:30

В тоже самое время, когда Стромиджер и Вафа проделывали свои вычисления, студент из Принстона, Хуа́н Малдасе́на, решал ту же проблему (вместе с научным руководителем Куртом Калланом).

Swarlz 11.05.15 в 00:34

В течении нескольких недель Стромиджер и Вафа подтвердили результаты и расширили анализ на черные дыры, которые почти экстремальны.

Swarlz 11.05.15 в 00:37

Опять же, взаимосвязь довольно таки хорошая между этими конструкциями из бран и черными дырами, и анализирование конструкций из бран дает результаты, которые Хокинг предвидел для черных дыр.

Swarlz 11.05.15 в 00:45

Дальнейшая работа расширила этот труд даже для более общих случаев черных дыр.

Swarlz 11.05.15 в 00:47

Что бы это все работало, гравитация должна быть нулевой, что, определенно, кажется странным, тем более для черной дыры, которая, в буквальном смысле, определена самой гравитацией.

Swarlz 11.05.15 в 19:24

Отключение гравитации необходимо, чтобы упростить уравнения и добиться взаимосвязи.

Swarlz 11.05.15 в 19:25

Струнные теоретики предполагают, что наращивание гравитации снова, привела бы к черной дыре, но скептики теории струн указывают, что без гравитации, в действительности, не существует черной дыры.

Swarlz 11.05.15 в 19:30

Тем не менее, даже когда скептик не может помочь, думаю, что должно быть какое-то взаимоотношение между конструкциями из бран и черными дырами, потому что и те и другие преследуют исследование термодинамики Хокигом, созданное 20 лет назад.

Swarlz 11.05.15 в 19:36

Что еще более потрясающе, так это то, что теория струн не была спроектирована, что бы решить эту специфическую проблему, однако она это сделала.

Swarlz 11.05.15 в 19:38

Тот факт, что результат выпадает из исследования впечатляет, если не сказать больше.

Swarlz 11.05.15 в 19:40

Теория струн и информационный парадокс черной дыры

Swarlz 11.05.15 в 19:40

Один из важнейших аспектов термодинамики черных дыр связан с информационным парадоксом черной дыры.

Swarlz 12.05.15 в 17:43

Этот парадокс вполне может иметь решение в теории струн, либо же в исследованиях теории струн, что описаны в предыдущем разделе, или же в голографическом принципе.

Swarlz 12.05.15 в 17:49

Хокинг сказал, что если объект падает в черную дыру, единственной информацией, которая сохранится, будут только квантово-механические свойства массы, спина и заряда.

Swarlz 12.05.15 в 17:52

Вся остальная информация была бы стерта.

Swarlz 12.05.15 в 17:54

Проблема с этим в том, что квантовая механика основана на идеи, что информация не может быть потеряна.

Swarlz 12.05.15 в 17:57

Если информация может быть потеряна, то квантовая механика не надежная теоретическая структура.

Swarlz 12.05.15 в 17:58

Хокинг, как релятивист, был более обеспокоен поддержкой теоретической структуры общей теорией относительности, так что его не интересовало, что информация теряться, если так необходимо.

Swarlz 12.05.15 в 18:01

Причина, что эта потерянная информация такая значительная проблема для квантовой механики, снова ведет в термодинамику.

Swarlz 12.05.15 в 18:05