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

Объяснение черных дыр посредством теории струн

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

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

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.

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

Теория струн и термодинамика черных дыр

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.

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

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

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

Незавершенная аргументация Стивена Хокинга

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

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).

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

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

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

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

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.

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.

Теория струн может завершить дискуссию

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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).

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

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.

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

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.

Отключение гравитации необходимо, чтобы упростить уравнения и добиться взаимосвязи.

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.

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.

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

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

Теория струн и информационный парадокс черной дыры

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

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.

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

Вся остальная информация была бы стерта.

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

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

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

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

В квантовой механике, информация связана с таким термодинамическим понятием как "порядок".

Если информация теряется, тогда теряется и порядок — что означает, что энтропия (разупорядоченность) возрастает.

Это означает, что черные дыры начали бы порождать тепло, нагреваясь до миллиарда миллиардов градусов в считанные мгновения.

Хотя Леонард Сасскинд и другие осознали это в середине 1980х, они не могли найти изъянов в рассуждении Хокинга, которые могли бы доказать, что он ошибался.

В 2004, после дебатов, которые длились более 20 лет, Хокинг объявил, что он больше не полагает, что информация навсегда теряется во вселенной.

Признание этого означало, что он проиграл пари 1997 года физику Джону Прескиллу.

Вознаграждением была бейсбольная энциклопедия, из которой информация могла быть легко получена.

И кто сказал, что физики не имеют чувство юмора?

Одной из причин, почему Хокинг изменил точку зрения было то, что он переделал некоторые из своих ранних вычислений и обнаружил, что было возможным то, что по мере того, как объект падает в черную дыру, он нарушал радиационное поле черной дыры.

Информация об объекте могла бы просочится, хотя, вероятно, в искореженной форме, по средствам флуктуации в этом поле.

Другой способ подхода к проблеме потери информации черной дырой является голографический принцип Леонарда Сасскинда и Ге́рарда ’т Хо́офта, или родственное AdS/CFT соотношение разработанное Хуаном Малдасеном.

(Оба из этих принципов обсуждаются в главе 11.)

Если эти принципы справедливы для черных дыр, то возможно, что вся информация в черных дырах также закодирована в разных формах на области поверхности черной дыры.

Полемика над информационном парадоксом черной дыры описана подробно в книге Сасскинда 2008 года — "Битва при черной дыре: Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики"

Есть еще один потенциальный подход — мультивселенная.

Возможно, что информация, которая входит в черную дыру, каким-то способом, передается из текущей вселенной в параллельную.

Я раскрываю эту интригующую возможность в главе 15.

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

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145430

Переводчики: Swarlz, Irina73