Парадигма мембраны чёрной дыры: классический подход к квантовым эффектам
Membrane paradigm
Чёрные дыры: квантовые эффекты и мембранная парадигма Торна. Упрощенная модель для изучения физики чёрных дыр без квантовых вычислений. Динамические процессы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Подход к квантовым эффектам черных дыр
Approach to black hole quantum effects
В теории черных дыр парадигма мембраны черной дыры представляет собой упрощенную модель, полезную для визуализации и расчета эффектов, предсказанных квантовой механикой для физики вне черной дыры, без применения квантовомеханических принципов или вычислений. Она моделирует черную дыру как тонкую, классически излучающую поверхность (или мембрану) на или вблизи горизонта событий черной дыры. Этот подход к теории черных дыр был разработан Кипом С. Торном, Р. Х. Прайсом и Д. А. Макдональдом.
In black hole theory, the black hole membrane paradigm is a simplified model, useful for visualising and calculating the effects predicted by quantum mechanics for the exterior physics of black holes, without using quantum mechanical principles or calculations. It models a black hole as a thin, classically radiating surface (or membrane) at or vanishingly close to the black hole's event horizon. This approach to the theory of black holes was created by Kip S. Thorne, R. H. Price and D. A. Macdonald.
Электрическое сопротивление
Торн (1994) сообщает, что этот подход к изучению черных дыр был обусловлен осознанием Ханни, Руффини, Вальда и Коэна в начале 1970-х годов: поскольку электрически заряженная частица, падающая в черную дыру, должна по-прежнему казаться находящейся чуть за горизонтом событий для удаленного наблюдателя, то, если ее изображение сохраняется, должны сохраняться и линии ее электрического поля, указывая на местоположение "застывшего" изображения (1994, с. 406). Если черная дыра вращается, и изображение частицы затягивается вокруг, связанные с ней линии электрического поля должны затягиваться вместе с ним, создавая базовые эффекты "электрического динамо" (см. теорию динамо). Последующие вычисления позволили определить свойства черной дыры, такие как кажущееся электрическое сопротивление (с. 408). Поскольку эти свойства линий поля, казалось, проявлялись вплоть до горизонта событий, а общая теория относительности утверждала, что никакие динамические внешние взаимодействия не могут проникать сквозь горизонт, было признано целесообразным ввести поверхность на горизонте, которой можно было бы приписать эти электрические свойства.
Thorne (1994) relates that this approach to studying black holes was prompted by the realisation by Hanni, Ruffini, Wald and Cohen in the early 1970s that since an electrically charged pellet dropped into a black hole should still appear to a distant outsider to be remaining just outside the event horizon, if its image persists, its electrical fieldlines ought to persist too, and ought to point to the location of the "frozen" image (1994, pp. 406). If the black hole rotates, and the image of the pellet is pulled around, the associated electrical fieldlines ought to be pulled around with it to create basic "electrical dynamo" effects (see: dynamo theory). Further calculations yielded properties for a black hole such as apparent electrical resistance (pp. 408). Since these fieldline properties seemed to be exhibited down to the event horizon, and general relativity insisted that no dynamic exterior interactions could extend through the horizon, it was considered convenient to invent a surface at the horizon that these electrical properties could be said to belong to.
Излучение Хокинга
После того, как был использован для моделирования теоретических электрических характеристик горизонта, мембранный подход был применен для моделирования эффекта излучения Хокинга, предсказанного квантовой механикой. В системе координат удалённого стационарного наблюдателя излучение Хокинга обычно описывается как квантовомеханический эффект рождения пар частиц (с участием виртуальных частиц), но для стационарных наблюдателей, находящихся ближе к чёрной дыре, эффект должен выглядеть как обычный эффект излучения, включающий реальные частицы. В рамках мембранной парадигмы чёрная дыра описывается так, как её увидела бы совокупность этих стационарных, неподвижных неинерциальных наблюдателей. Поскольку их общая система координат заканчивается на горизонте событий (так как, согласно общей теории относительности, наблюдатель не может находиться на горизонте событий или ниже него), это обычное излучение описывается как испускаемое произвольно тонкой оболочкой горячего вещества на или непосредственно над горизонтом событий, где эта система координат перестаёт быть применимой. Как и в случае с электрическими характеристиками, мембранная парадигма полезна, поскольку эти эффекты должны проявляться вплоть до горизонта событий, но общая теория относительности не допускает их прохождение сквозь горизонт. Приписывание этих эффектов гипотетической тонкой излучающей мембране на горизонте позволяет моделировать их классически, не противореча предсказанию общей теории относительности о непроницаемости поверхности горизонта событий. В 1986 году Кип С. Торн, Ричард Х. Прайс и Д. А. Макдональд опубликовали сборник статей различных авторов, посвящённых этой идее: "Чёрные дыры: мембранная парадигма".
After being introduced to model the theoretical electrical characteristics of the horizon, the membrane approach was then pressed into service to model the Hawking radiation effect predicted by quantum mechanics. In the coordinate system of a distant stationary observer, Hawking radiation tends to be described as a quantum mechanical particle pair production effect (involving virtual particles), but for stationary observers hovering nearer to the hole, the effect is supposed to look like a purely conventional radiation effect involving real particles. In the membrane paradigm, the black hole is described as it should be seen by an array of these stationary, suspended noninertial observers, and since their shared coordinate system ends at the event horizon (because an observer cannot legally hover at or below the event horizon under general relativity), this conventional looking radiation is described as being emitted by an arbitrarily thin shell of hot material at or just above the event horizon, where this coordinate system fails. As in the electrical case, the membrane paradigm is useful because these effects should appear all the way down to the event horizon, but are not allowed by GR to be coming through the horizon – attributing them to a hypothetical thin radiating membrane at the horizon allows them to be modeled classically without explicitly contradicting general relativity's prediction that event horizon surface is inescapable. In 1986, Kip S. Thorne, Richard H. Price and D. A. Macdonald published an anthology of papers by various authors that examined this idea: "Black Holes: The membrane paradigm".