Теорема об отсутствии волос - No-hair theorem

Нет-волосы теорема заявляет , что все черные дыры решения уравнений Эйнштейна-Максвелл о гравитации и электромагнетизме в общей теории относительности могут быть полностью характеризуются только три внешне наблюдаемыми классическими параметрами: массовые , электрический заряд и угловой момент . Вся остальная информация (для которой «волосы» являются метафорой) о материи, которая сформировала черную дыру или падает в нее, «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, навсегда недоступна для внешних наблюдателей. Физик Джон Арчибальд Уиллер выразил эту идею фразой «у черных дыр нет волос», которая послужила источником названия.

В более позднем интервью Уиллер сказал, что эту фразу придумал Якоб Бекенштейн .

Ричард Фейнман возразил против фразы, которая, как мне показалось, лучше всего символизировала открытие одного из аспирантов: аспирант Якоб Бекенштейн показал, что черная дыра ничем вне ее не обнаруживает, что вошло в нее, в виде вращения электрических частиц. На нем может быть электрический заряд; да, масса; да, но никаких других характеристик - или, как он выразился: «У черной дыры нет волос» - и Ричард Фейнман подумал, что это непристойная фраза, и он не хотел ее использовать. Но эта фраза сейчас часто используется для обозначения этой особенности черных дыр, что они не указывают на какие-либо другие свойства, кроме заряда, углового момента и массы ».

Первая версия теоремы об отсутствии волос для упрощенного случая единственности метрики Шварцшильда была показана Вернером Израэлем в 1967 году. Результат был быстро обобщен на случаи заряженных или вращающихся черных дыр. До сих пор нет строгого математического доказательства общей теоремы об отсутствии волос, и математики называют ее гипотезой об отсутствии волос . Даже в случае одной лишь гравитации (т. Е. Нулевого электрического поля) эта гипотеза была решена лишь частично с помощью результатов Стивена Хокинга , Брэндона Картера и Дэвида С. Робинсона при дополнительной гипотезе о невырожденных горизонтах событий и технической стороне дела. , ограничительное и труднообоснованное предположение о реальной аналитичности пространственно-временного континуума.

Пример

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 антивещества ; тем не менее, согласно гипотезе, они будут совершенно неотличимы для наблюдателя за пределами горизонта событий . Ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц (т. Е. Глобальное барионное число зарядов , лептонное число и т. Д. , Которые были бы разными для исходных масс материи, создавшей черные дыры) не сохраняется в черной дыре, или если они каким-то образом сохранятся, то их ценности будут ненаблюдаемы извне.

Изменение системы отсчета

Каждая изолированная нестабильная черная дыра быстро распадается до стабильной черной дыры; 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 сохраненные атрибуты объекта, которые можно определить на расстоянии, исследуя его гравитационные и электромагнитные поля. Все другие вариации черной дыры либо ускользнут в бесконечность, либо будут поглощены черной дырой.

Изменяя систему отсчета, можно установить момент импульса и положение равными нулю и сориентировать спиновый угловой момент 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, которая была изолирована в течение значительного периода времени, может быть описана метрикой Керра – Ньюмана в правильно выбранной системе отсчета.

Расширения

Теорема отсутствии волос была первоначально разработана для черных дыр в контексте четырехмерного пространства - времени , повинуясь поля уравнения Эйнштейна в ОТО с нулевой космологической постоянной , в присутствии электромагнитных полей или необязательно других областях , таких как скалярных полей и массивные векторные поля ( поля Прока и т. д.).

С тех пор он был расширен, чтобы включить случай, когда космологическая постоянная положительна (что подтверждают недавние наблюдения).

Магнитный заряд , если его обнаружить, как предсказывают некоторые теории, сформирует четвертый параметр, которым обладает классическая черная дыра.

Контрпримеры

Контрпримеры, в которых теорема неверна, известны в пространственно-временных измерениях больше 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 являются нестабильными решениями и / или не приводят к сохранению квантовых чисел, так что «, однако,« дух »гипотезы об отсутствии волос, похоже, сохраняется». 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. 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 . Решение устойчиво и не обладает нефизическими свойствами; однако существование скалярного поля с желаемыми свойствами является лишь предположением.

Результаты наблюдений

Результаты LIGO предоставляют некоторые экспериментальные доказательства, согласующиеся с уникальностью теоремы об отсутствии волос. Это наблюдение согласуется с теоретической работой Стивена Хокинга о черных дырах 1970-х годов.

Мягкие волосы

В исследовании Стивена Хокинга , Малькольма Перри и Эндрю Строминджера постулируется, что черные дыры могут содержать «мягкие волосы», что дает черной дыре больше степеней свободы, чем считалось ранее. Эти волосы проникают в очень низкоэнергетическое состояние, поэтому они не использовались в предыдущих вычислениях, которые постулировали теорему об отсутствии волос. Это было предметом последней статьи Хокинга, опубликованной посмертно.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки