Věta bez vlasů - No-hair theorem

Část série článků o
Obecná relativita
${ displaystyle G _ { mu nu} + Lambda g _ { mu nu} = { frac {8 pi G} {c ^ {4}}} T _ { mu nu}}$
Úvod Dějiny Matematická formulace Testy
Základní koncepty Princip relativity Teorie relativity Referenční rámec Inerciální referenční rámec Odpočívej rám Rámeček středu hybnosti Světelný kužel Princip ekvivalence Ekvivalence hmoty a energie Speciální relativita Dvojnásobně speciální relativita de Sitterova invariantní speciální relativita Stupnice relativity Světová linie Správný čas Riemannova geometrie Energetický stav
Jevy Gravitoelektromagnetismus Keplerův problém Gravitace Gravitační pole Gravitace dobře Gravitační čočky Gravitační vlny Gravitační rudý posuv Rudý posuv Blueshift Dilatace času Gravitační dilatace času Shapiro časové zpoždění Gravitační potenciál Gravitační komprese Gravitační kolaps Přetažení rámu Geodetický účinek Zdánlivý horizont Horizont událostí Gravitační singularita Nahá singularita Černá díra Bílá díra Vesmírný čas Prostor Čas Časoprostorové diagramy Minkowského časoprostor Uzavřená časová křivka (CTC) Červí díra Ellis červí díra
Rovnice Formalismy Rovnice Linearizovaná gravitace Einsteinovy ​​rovnice pole Friedmann Geodetika Mathisson – Papapetrou – Dixon Hamilton – Jacobi – Einstein Zakřivení neměnné (obecná relativita) Lorentzian potrubí Formalismy ADM BSSN Newman – Penrose Post-Newtonian Pokročilá teorie Teorie Kaluza – Klein Kvantová gravitace Supergravitace
Řešení Schwarzschild (interiér ) Reissner – Nordström Gödel Kerr Kerr – Newman Kasner Lemaître – Tolman Taub-NUT Milne Robertson – Walker pp-vlna van Stockum prach Weyl – Lewis – Papapetrou Vakuové řešení
Věty Birkhoffova věta Gerochova věta o rozdělení Goldberg – Sachsova věta Lovelockova věta Věta bez vlasů Věty o singularitě Penrose – Hawking Věta o pozitivní energii
Vědci Einstein Lorentz Hilbert Poincaré Schwarzschild de Sitter Reissner Nordström Weyl Eddington Friedman Milne Zwicky Lemaître Gödel Kolář Robertson Bardeen chodec Kerr Chandrasekhar Ehlers Penrose Hawking Raychaudhuri Taylor Hulse van Stockum Taub Nový muž Yau Thorne ostatní

The teorém bez vlasů uvádí, že vše Černá díra řešení Einstein-Maxwellovy rovnice z gravitace a elektromagnetismus v obecná relativita lze zcela charakterizovat pouze třemi navenek pozorovatelný klasický parametry: Hmotnost, elektrický náboj, a moment hybnosti.^[1] Všechny ostatní informace (pro které jsou „vlasy“ metaforou) o hmota který vytvořil černou díru nebo do ní padá, „mizí“ za černou dírou horizont událostí a proto je trvale nepřístupný externím pozorovatelům. Fyzik John Archibald Wheeler vyjádřil tuto myšlenku větou „černé díry nemají vlasy“^[1] což byl původ jména. V pozdějším rozhovoru to řekl Wheeler Jacob Bekenstein vytvořil tuto frázi.^[2]

První verze věty bez vlasů pro zjednodušený případ jedinečnosti Schwarzschildova metrika bylo ukázáno uživatelem Werner Izrael v roce 1967.^[3] Výsledek se rychle zobecnil na případy nabitých nebo rotujících černých děr.^[4][5] Dosud neexistuje žádný přísný matematický důkaz obecné věty o ne-vlasech a matematici jej označují jako domněnka bez vlasů. Dokonce i v případě samotné gravitace (tj. Nulové elektrické pole) byla domněnka vyřešena pouze částečně výsledky Stephen Hawking, Brandon Carter a David C. Robinson, za další hypotézy nedegenerovaných horizontů událostí a technického, omezujícího a obtížně ospravedlnitelného předpokladu skutečná analytičnost časoprostorového kontinua.

Příklad

Předpokládejme, že dvě černé díry mají stejnou hmotnost, elektrický náboj a moment hybnosti, ale první černá díra byla vytvořena zhroucením obyčejného hmota zatímco druhý byl vyroben z antihmota; podle domněnky však budou pro pozorovatele zcela k nerozeznání mimo horizont událostí. Nic zvláštního částicová fyzika pseudo-poplatky (tj. globální poplatky baryonický číslo, leptonic počet atd., které by se u původních hmot hmoty, které vytvořily černé díry, lišily) jsou zachovány v černé díře, nebo pokud jsou nějakým způsobem konzervovány, jejich hodnoty by byly zvenčí nepozorovatelné.^{[Citace je zapotřebí ]}

Změna referenčního rámečku

Každá izolovaná nestabilní černá díra se rychle rozpadá na stabilní černou díru; a (kromě kvantových fluktuací) lze stabilní černé díry kdykoli v čase úplně popsat (v kartézském souřadnicovém systému) těmito jedenácti čísly:

• hmota – energie ${ displaystyle M}$,
• lineární hybnost ${ displaystyle { textbf {P}}}$ (tři komponenty),
• moment hybnosti ${ displaystyle { textbf {J}}}$ (tři komponenty),
• pozice ${ displaystyle { textbf {X}}}$ (tři komponenty),
• elektrický náboj ${ displaystyle Q}$.

Tato čísla představují konzervované atributy objektu, které lze určit z dálky zkoumáním jeho gravitačních a elektromagnetických polí. Všechny ostatní variace černé díry buď uniknou do nekonečna, nebo budou pohlceny černou dírou.

Změnou referenčního rámce lze nastavit lineární hybnost a polohu na nulu a orientovat moment hybnosti rotace podél kladné polohy z osa. To eliminuje osm z jedenácti čísel a ponechává tři, která jsou nezávislá na referenčním rámci: hmotnost, velikost momentu hybnosti a elektrický náboj. Jakoukoli černou díru, která byla izolována po významnou dobu, tedy lze popsat pomocí Metrika Kerr – Newman ve vhodně zvoleném referenčním rámci.

Rozšíření

Věta bez vlasů byla původně formulována pro černé díry v kontextu čtyřrozměrného vesmírný čas, poslouchat Einsteinova rovnice pole z obecná relativita s nulou kosmologická konstanta, v přítomnosti elektromagnetické pole, nebo volitelně další pole, jako je skalární pole a masivní vektorová pole (Proca pole atd.).^{[Citace je zapotřebí ]}

Od té doby byla rozšířena o případ, kdy kosmologická konstanta je pozitivní (což poslední pozorování mají tendenci podporovat).^[6]

Magnetický náboj, pokud by byl zjištěn podle předpovědí některých teorií, vytvořil by čtvrtý parametr, který vlastní klasická černá díra.

Protiklady

Protipříklady, ve kterých selže věta, jsou známy v dimenzích časoprostoru vyšších než čtyři; v přítomnosti neabelský Yang – Millsova pole, neabelian Proca pole, někteří neminimálně spojený skalární pole nebo skyrmions; nebo v jiných teoriích gravitace, než je Einsteinova obecná relativita. Tyto výjimky jsou však často nestabilní řešení a / nebo nevedou ke konzervovanému kvantovému počtu, takže „duch„ domněnky bez vlasů se však zdá být zachován “.^[7] Bylo navrženo, že „chlupaté“ černé díry lze považovat za vázané stavy bezsrstých černých děr a solitony.

V roce 2004 bylo odvozeno přesné analytické řešení (3 + 1) -dimenzionální sféricky symetrické černé díry s minimálně spojeným samointeragujícím skalárním polem.^[8] To ukázalo, že kromě hmoty, elektrického náboje a momentu hybnosti mohou černé díry nést konečnost skalární náboj což může být výsledkem interakce s kosmologický skalární pole, jako je inflaton. Roztok je stabilní a nemá žádné nefyzikální vlastnosti; existence skalárního pole s požadovanými vlastnostmi je však pouze spekulativní.

Výsledky pozorování

The LIGO výsledky poskytují určité experimentální důkazy v souladu s jedinečností věty bez vlasů.^[9][10] Toto pozorování je v souladu s teoretickou prací Stephena Hawkinga o černých dírách v 70. letech.^[11][12]

Měkké vlasy

Studie od Stephen Hawking, Malcolm Perry a Andrew Strominger předpokládá, že černé díry mohou obsahovat „měkké vlasy“, což dává černé díře více stupňů volnosti, než se dříve myslelo.^[13] Tento vlas prostupuje ve velmi nízkém energetickém stavu, a proto nepřišel v předchozích výpočtech, které postulovaly teorém bez vlasů.^[14]

Viz také

• Informační paradox o černé díře
• Event Horizon Telescope

Reference

externí odkazy

• Hawking, S. W. (2005). "Ztráta informací v černých dírách". Fyzický přehled D. 72 (8): 084013. arXiv:hep-th / 0507171. Bibcode:2005PhRvD..72h4013H. doi:10.1103 / PhysRevD.72.084013. S2CID  118893360., Údajné řešení černé díry od Stephena Hawkinga jednotnost paradox, poprvé hlášen v červenci 2004.