Matematik dan alam semesta adalah ajaib di luar imaginasi.
Untuk memahami alam semesta, saintis selalunya perlu mempertimbangkan anomali yang melampau. "Kami sentiasa perlu memikirkan kes-kes ekstrem, kes-kes istimewa di pinggiran," kata Carsten Gundlach, seorang ahli fizik matematik di Universiti Southampton. Menurut teori relativiti umum Einstein, jirim dalam lubang hitam adalah sangat padat sehingga tiada apa yang boleh terlepas. Selama beberapa dekad, ahli fizik dan ahli matematik telah menggunakan lubang hitam untuk menolak had idea mereka tentang graviti dan ruang-masa. Tetapi walaupun dengan lubang hitam, terdapat pengecualian pinggiran - dan pengecualian tersebut boleh memberi kita cerapan yang berbeza. Lubang hitam berputar di angkasa. Apabila jirim jatuh ke dalamnya, lohong hitam berputar lebih cepat jika jirim itu dicas, lohong hitam turut dicas. Pada dasarnya, terdapat had kepada jumlah cas atau kelajuan putaran yang boleh dibawa oleh lubang hitam, yang sepatutnya bergantung pada jisimnya. Lubang hitam sedemikian dipanggil lubang hitam yang melampau - ia adalah keterlaluan yang melampau. Lubang hitam ini mempunyai beberapa sifat pelik. Nota khusus ialah hakikat bahawa graviti permukaan di sempadan lubang hitam ini, yang dikenali sebagai ufuk peristiwa, adalah sifar. "Ini adalah lubang hitam yang permukaannya tidak lagi menarik apa-apa," kata Gundlach Tetapi jika anda menolak zarah perlahan-lahan ke arah tengah lubang hitam, ia tidak boleh melarikan diri. 1. Pada tahun 1973, ahli fizik terkenal Stephen Hawking, John Bardeen, dan Brandon Carter menegaskan bahawa lubang hitam yang melampau seperti itu tidak wujud di dunia nyata-bahawa ia tidak mungkin terbentuk. Walau bagaimanapun, lubang hitam yang melampau kekal sebagai model yang berguna dalam fizik teori selama lima puluh tahun yang lalu. "Mereka mempunyai simetri yang sangat bagus yang menjadikan pengiraan lebih mudah, " kata Gaurav Khanna dari Universiti Rhode Island Ini membolehkan ahli fizik menguji teori tentang hubungan misteri antara mekanik kuantum dan graviti.
Stephen Hawking
Dua ahli matematik membuktikan bahawa kesimpulan Hawking dan yang lain adalah salah. Dua ahli matematik itu ialah Christoph Kehle dari MIT dan Ryan Unger dari Stanford University. Mereka baru-baru ini menunjukkan melalui dua kertas kerja bahawa undang-undang fizik yang kita tahu tidak dapat menghalang pembentukan lubang hitam yang melampau.
Kertas 1: Keruntuhan graviti kepada lubang hitam ekstrem dan hukum ketiga termodinamik lubang hitam; (yang juga merupakan penyelia kedoktoran Kehle dan Unger) berkata bahawa bukti matematik mereka adalah "cantik, inovatif secara teknikal, dan mempunyai keputusan fizik yang tidak dijangka." Dia menambah bahawa ini membayangkan bahawa alam semesta mungkin lebih kaya dan lebih pelbagai daripada yang difikirkan sebelum ini, dan "secara astrofizi, lubang hitam yang melampau mungkin wujud." Tetapi itu tidak bermakna mereka benar-benar wujud. "Walaupun ada penyelesaian matematik dengan sifat yang baik, ia tidak semestinya bahawa alam semula jadi akan menggunakannya," kata Khanna "Tetapi walaupun entah bagaimana kita menemuinya, ia membuatkan kita berfikir tentang apa yang kita terlepas pandang." penemuan boleh menimbulkan "beberapa soalan yang cukup asas," katanya. Undang-undang Kemustahilan Sebelum bukti Kehle dan Unger, kami mempunyai alasan kukuh untuk mempercayai bahawa lubang hitam yang melampau tidak boleh wujud. Pada tahun 1973, Bardeen, Carter, dan Hawking mencadangkan empat undang-undang mengenai tingkah laku lubang hitam. Ia serupa dengan empat undang-undang termodinamik yang telah lama wujud — satu set prinsip ketuhanan seperti: alam semesta menjadi lebih tidak teratur dari semasa ke semasa dan tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan.
Ahli matematik Christoph Kehle, yang baru-baru ini membatalkan sangkaan 1973 tentang lubang hitam yang melampau Dalam sebuah kertas, ketiga-tiga ahli fizik ini membuktikan tiga undang-undang pertama termodinamik lubang hitam: undang-undang sifar, undang-undang pertama dan undang-undang kedua. Dengan lanjutan, mereka menganggap bahawa undang-undang ketiga (sama dengan rakan sejawatannya, undang-undang piawai termodinamik) juga benar, walaupun mereka belum dapat membuktikannya. Undang-undang ini menyatakan bahawa graviti permukaan lohong hitam tidak boleh turun kepada sifar dalam masa yang terhad—iaitu, mustahil untuk mencipta lohong hitam yang melampau. Bagi menyokong dakwaan ini, ketiga-tiga ahli fizik itu berkata bahawa jika sesuatu proses boleh membawa cas lubang hitam atau kelajuan putaran ke had, maka proses itu boleh menyebabkan ufuk peristiwa lubang hitam hilang sepenuhnya. Secara amnya dipercayai bahawa tidak ada lubang hitam tanpa ufuk peristiwa, iaitu, singulariti telanjang. Di samping itu, kerana diketahui bahawa suhu lubang hitam adalah berkadar dengan graviti permukaannya, lubang hitam tanpa graviti permukaan tidak akan mempunyai suhu. Lubang hitam seperti itu tidak akan mempunyai sinaran haba-dan Hawking kemudiannya mencadangkan bahawa lubang hitam mesti mengeluarkan sinaran haba. Pada tahun 1986, ahli fizik Werner Israel menerbitkan bukti undang-undang ketiga yang seolah-olah meletakkan persoalan itu. Katakan anda ingin mencipta lubang hitam yang melampau berdasarkan lubang hitam biasa. Anda boleh menjadikannya berputar lebih pantas, atau anda boleh menambahkan lebih banyak zarah bercas padanya. Bukti Israel seolah-olah menunjukkan bahawa berbuat demikian tidak akan memaksa graviti permukaan lubang hitam turun kepada sifar untuk masa yang terhad. Seperti yang diketahui oleh Kehle dan Unger, hujah Israel menyembunyikan kecacatan. Kematian Undang-undang Ketiga Kehle dan Unger pada asalnya tidak berusaha untuk mencari lubang hitam yang melampau. Penemuan mereka adalah tidak sengaja. Mereka sedang mengkaji pembentukan lubang hitam bercas elektrik. "Kami menyedari bahawa kami boleh mencipta lubang hitam dengan semua nisbah caj kepada jisim, " kata Kehle. Ini termasuk kes di mana caj adalah setinggi mungkin, iaitu kes lubang hitam yang melampau.
Selepas membuktikan bahawa lubang hitam ekstrem yang bercas tinggi adalah mungkin secara matematik, Ryan Unger dari Stanford kini telah berusaha untuk menunjukkan bahawa perkara yang sama berlaku untuk lubang hitam yang berputar dengan pantas. Tetapi masalahnya jauh lebih sukar.
Dafermos menyedari bahawa bekas pelajarnya telah menemui contoh berlawanan dengan undang-undang ketiga Bardeen, Carter, dan Hawking: penyelidikan mereka menunjukkan bahawa lohong hitam biasa boleh diubah menjadi lohong hitam yang melampau dalam masa yang terhad.
Bukti Kehle dan Unger bermula dengan lohong hitam yang tidak berputar dan tidak bercas dan kemudian memodelkan perkara yang berlaku apabila ia dimasukkan ke dalam persekitaran yang dipermudahkan yang dipanggil medan skalar. Medan skalar mengandaikan kehadiran zarah bercas seragam di latar belakang. Mereka kemudian meletupkan lubang hitam dengan denyutan dari medan itu, menambah cas elektrik kepadanya.
Denyutan ini juga memberikan tenaga elektromagnet kepada lohong hitam, dengan itu meningkatkan jisimnya. Kedua-dua ahli matematik itu menyedari bahawa dengan menghantar denyutan berfrekuensi rendah yang meresap, cas lohong hitam akan meningkat lebih cepat daripada jisim lohong hitam—iaitu apa yang mereka perlukan untuk melengkapkan bukti mereka.
Selepas membincangkan keputusan dengan Dafermos, mereka meneliti kertas Israel 1986 dan menemui kesilapan itu. Mereka juga membina dua penyelesaian lain kepada persamaan kerelatifan am Einstein, yang melibatkan cara yang berbeza untuk menambah cas pada lubang hitam. Mereka mengesahkan sangkaan Bardeen, Carter, dan Hawking dalam tiga situasi berbeza, dan memperoleh keputusan muktamad. "Undang-undang ketiga sudah mati," kata Unger
Kedua-duanya juga membuktikan bahawa pembentukan lubang hitam yang melampau tidak membawa kepada singulariti telanjang, seperti yang ditakuti oleh ramai ahli fizik. Sebaliknya, lubang hitam melampau nampaknya berada pada ambang kritikal: Tambahkan jumlah cas yang betul pada awan padat bahan bercas dan ia runtuh untuk membentuk lubang hitam yang melampau. Jika jumlah ini melebihi, awan jirim tidak akan runtuh menjadi singulariti telanjang, tetapi akan tersebar. Tiada lubang hitam akan terbentuk sama sekali. Keputusan ini mengujakan Kehle dan Unger kerana ia membuktikan bahawa lubang hitam melampau mungkin wujud.
Ahli matematik Universiti Columbia Elena Giorgi berkata: "Ini adalah contoh matematik yang sangat baik untuk memberi kembali kepada fizik
Sebaik sahaja mustahil, ia boleh dilakukan hari ini
Kehle dan Unger It." membuktikan bahawa lubang hitam yang melampau secara teori boleh wujud di alam semula jadi, tetapi ia tidak menjamin bahawa ia akan wujud.
Pertama, contoh teori tersebut mempunyai jumlah caj yang besar. Tetapi manusia tidak pernah melihat lubang hitam yang jelas bercas. Kemungkinan mencari lubang hitam yang berputar dengan pantas adalah lebih besar. Di luar contoh versi caj, Kehle dan Unger ingin membina contoh di mana putaran mencapai ambang.
Tetapi kesukaran matematik mempelajari putaran tidak sama. "Untuk melakukan ini, anda memerlukan banyak matematik baharu dan idea baharu," kata Unger, yang dan Kehle baru mula menyelesaikan masalah itu.
Pada masa yang sama, jika kita lebih memahami lubang hitam ekstrem, ia juga akan membantu kita lebih memahami lubang hitam hampir ekstrem - yang dipercayai wujud dalam jumlah besar di alam semesta. "Einstein pernah menganggap lubang hitam tidak boleh wujud kerana ia sangat pelik," kata Khanna "Tetapi sekarang kita tahu terdapat lubang hitam di mana-mana di alam semesta
Atas sebab yang sama, dia menambah: "Kami tidak sepatutnya berputus asa dengan lubang hitam yang melampau, saya hanya fikir tiada had untuk kreativiti alam semula jadi."
Atas ialah kandungan terperinci Undang-undang ketiga termodinamik lubang hitam telah mati, Hawking salah, lubang hitam melampau mungkin wujud. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!
