Membránové paradigma

Ve fyzice černých děr je membránové paradigma užitečným modelem pro vizualizaci a výpočet efektů předpovídaných obecnou teorií relativity bez přímého uvažování oblasti obklopující horizont událostí černé díry . V tomto modelu je černá díra reprezentována jako klasický radiační povrch (nebo membrána ), dostatečně blízko k horizontu událostí - rozšířený horizont . Tento přístup k teorii černých děr vyvinuli Kip Thorne , Richard Price a Douglas MacDonald.

Výsledky získané pomocí tohoto přístupu jsou považovány za docela spolehlivé.

Černá díra je shluk gravitace, na jejím horizontu není žádná hmota. Navzdory tomu se horizont dívá do vnějšího pozorovatele (mimo černou díru) a chová se jako fyzická membrána vyrobená z dvourozměrné viskózní tekutiny s určitými mechanickými, elektrickými a termodynamickými vlastnostmi. Tento úžasný pohled na horizont jako membránu je známý jako membránové paradigma (membránový přístup) (podrobnější diskusi o tom viz Thorne et al. [1]). V souladu s tímto přístupem je interakce horizontu s okolním vesmírem popsána známými zákony pro kapalinu horizontu, například Navier-Stokesova rovnice, Maxwellovy rovnice, rovnice slapové síly a rovnice termodynamiky. Je velmi důležité zdůraznit, že membránové paradigma není metodou aproximace nebo nějakého druhu analogie. Jedná se o přesný formalismus, který dává stejné výsledky jako standardní formalismus obecné teorie relativity. Protože zákony, které řídí chování horizontu, jsou známé, jsou mocným nástrojem pro intuici a kvantifikaci chování černých děr ve složitých situacích.

— I. D. Novikov, V. P. Frolov „Černé díry ve vesmíru“

Elektrický odpor

Thornově (1994) aplikaci tohoto přístupu ve fyzice černých děr předcházel objev Hanniho, Ruffiniho, Walda a Cohena na počátku 70. let 20. století, že vzhledem k tomu, že elektricky nabitá částice padající do černé díry by vypadala jako vnějšího pozorovatele, který se bude vznášet přímo nad horizontem událostí, bude jeho elektrické pole nadále pozorováno a bude z něj možné určit polohu částice. Pokud se černá díra otáčí, bude táhnout částici spolu s sebou, čímž vytvoří nejjednodušší dynamo .

Další výpočty umožnily získat takovou vlastnost černé díry, jako je efektivní elektrický odpor. Protože siločáry jdou pod horizont událostí a protože obecná teorie relativity říká, že horizontem událostí nemohou procházet žádné dynamické interakce, bylo rozumné zavést povrch přímo nad horizont a říci, že k němu tyto siločáry patří.

Hawkingovo záření

Poté, co byl tento přístup představen k popisu elektrických charakteristik horizontu, byl následně aplikován k simulaci efektu předpovídaného kvantovou mechanikou – Hawkingova záření .

V souřadnicovém systému vzdáleného stacionárního pozorovatele je Hawkingovo záření obvykle popisováno jako efekt kvantově mechanické produkce párů částic (na principu virtuálních částic ), ale pro stacionárního pozorovatele umístěného blízko horizontu by tento efekt měl se jeví jako čistě klasické záření „skutečných“ částic. V „membránovém paradigmatu “ je černá díra popsána z pohledu tohoto pozorovatele v klidu a jelikož její souřadnicový systém končí na r=2M (v obecné relativitě pozorovatel nemůže být pod horizontem událostí ani na něm), toto záření je považováno za generované nekonečně tenkou vrstvou „žhavé » hmoty na nebo přímo nad kritickým poloměrem r=2M, kde souřadnicový systém končí.

Stejně jako v elektrickém případě je zde vhodné membránové paradigma, protože popsané efekty probíhají až k samotnému horizontu, ale kvůli omezením obecné teorie relativity nemohou samotný horizont překročit. Použití pomyslné membrány ležící na obzoru umožňuje modelovat tyto procesy v rámci klasické fyziky, přičemž tato omezení obchází.

V roce 1986 Kip Thorne , Richard Price a D. Macdonald publikovali sbírku děl různých autorů využívajících tuto myšlenku: Black Holes: The Membrane Paradigm .

Viz také

Literatura

Odkazy

I. D. Novikov, V. P. Frolov. Černé díry ve vesmíru