Giới thiệu
Vũ trụ dường như ưa thích những thứ hình tròn. Các hành tinh và ngôi sao có xu hướng là hình cầu vì lực hấp dẫn kéo các đám mây khí và bụi về phía tâm khối lượng. Điều tương tự cũng xảy ra đối với lỗ đen – hay nói chính xác hơn là chân trời sự kiện của lỗ đen – theo lý thuyết, chúng phải có dạng hình cầu trong một vũ trụ có ba chiều không gian và một chiều thời gian.
Nhưng liệu những hạn chế tương tự có áp dụng nếu vũ trụ của chúng ta có các chiều cao hơn, như đôi khi được mặc nhiên công nhận - các chiều chúng ta không thể nhìn thấy nhưng tác động của chúng vẫn có thể cảm nhận được? Trong các cài đặt đó, có thể có các hình dạng lỗ đen khác không?
Toán học cho chúng ta biết câu trả lời cho câu hỏi sau là có. Trong hai thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu thỉnh thoảng đã tìm thấy những ngoại lệ đối với quy tắc giới hạn lỗ đen ở dạng hình cầu.
Bây giờ mới giấy còn đi xa hơn nữa, chứng minh bằng một bằng chứng toán học sâu rộng rằng vô số hình dạng có thể có trong các chiều từ năm trở lên. Bài báo chứng minh rằng các phương trình thuyết tương đối rộng của Albert Einstein có thể tạo ra rất nhiều lỗ đen có chiều cao hơn, trông kỳ lạ hơn.
Công việc mới hoàn toàn là lý thuyết. Nó không cho chúng ta biết liệu những lỗ đen như vậy có tồn tại trong tự nhiên hay không. Nhưng nếu chúng ta bằng cách nào đó phát hiện ra những lỗ đen có hình dạng kỳ lạ như vậy - có lẽ là sản phẩm vi mô của các vụ va chạm tại một máy va chạm hạt - thì “điều đó sẽ tự động chứng tỏ rằng vũ trụ của chúng ta có chiều cao hơn,” ông nói Marcus Khuri, một nhà hình học tại Đại học Stony Brook và là đồng tác giả của công trình mới cùng với Jordan Rainone, một tiến sĩ toán học Stony Brook gần đây. “Vì vậy, vấn đề bây giờ là chờ xem liệu các thí nghiệm của chúng tôi có thể phát hiện ra điều gì không.”
Bánh rán lỗ đen
Cũng như rất nhiều câu chuyện về lỗ đen, câu chuyện này bắt đầu với Stephen Hawking — đặc biệt, với bằng chứng năm 1972 của ông rằng bề mặt của lỗ đen, tại một thời điểm cố định, phải là một khối cầu hai chiều. (Mặc dù lỗ đen là một vật thể ba chiều, nhưng bề mặt của nó chỉ có hai chiều không gian.)
Người ta ít nghĩ đến việc mở rộng định lý Hawking cho đến những năm 1980 và 90, khi sự nhiệt tình dành cho lý thuyết dây ngày càng tăng - một ý tưởng đòi hỏi sự tồn tại của có lẽ 10 hoặc 11 chiều. Sau đó, các nhà vật lý và toán học bắt đầu xem xét nghiêm túc những chiều bổ sung này có thể ngụ ý gì đối với cấu trúc liên kết lỗ đen.
Lỗ đen là một trong số những dự đoán khó hiểu nhất của các phương trình Einstein — 10 phương trình vi phân phi tuyến liên kết cực kỳ khó giải quyết. Nói chung, chúng chỉ có thể được giải quyết một cách rõ ràng trong các trường hợp có tính đối xứng cao và do đó được đơn giản hóa.
Năm 2002, ba thập kỷ sau kết quả của Hawking, các nhà vật lý Roberto Emparan và Harvey Reall — hiện đang làm việc tại Đại học Barcelona và Đại học Cambridge, tương ứng — đã tìm ra nghiệm lỗ đen có tính đối xứng cao đối với các phương trình Einstein trong không gian năm chiều (bốn chiều không gian cộng với một chiều thời gian). Emparan và Reall gọi đối tượng này là “nhẫn đen” — một bề mặt ba chiều với các đường viền chung của một chiếc bánh rán.
Thật khó để hình dung một bề mặt ba chiều trong không gian năm chiều, vì vậy, thay vào đó, hãy tưởng tượng một vòng tròn bình thường. Đối với mọi điểm trên đường tròn đó, chúng ta có thể thay thế một hình cầu hai chiều. Kết quả của sự kết hợp giữa hình tròn và hình cầu này là một vật thể ba chiều có thể được coi là một chiếc bánh rán cứng, sần.
Về nguyên tắc, những lỗ đen giống như chiếc bánh rán như vậy có thể hình thành nếu chúng quay với tốc độ phù hợp. Rainone nói: “Nếu chúng quay quá nhanh, chúng sẽ vỡ ra và nếu chúng không quay đủ nhanh, chúng sẽ trở lại thành một quả bóng. “Emparan và Reall đã tìm thấy một điểm thú vị: Chiếc nhẫn của họ quay đủ nhanh để giữ nguyên hình dạng của một chiếc bánh rán.”
Tìm hiểu về kết quả đó đã mang lại hy vọng cho Rainone, một nhà tô pô học, người đã nói: “Vũ trụ của chúng ta sẽ là một nơi nhàm chán nếu mọi hành tinh, ngôi sao và lỗ đen đều giống như một quả bóng.”
Một trọng tâm mới
Năm 2006, hố đen vũ trụ không bóng mới thực sự bắt đầu đơm hoa kết trái. Năm đó, Greg Galloway của Đại học Miami và Richard Schoen của Đại học Stanford đã tổng quát hóa định lý Hawking để mô tả tất cả các hình dạng khả dĩ mà các lỗ đen có thể có trong các chiều ngoài bốn chiều. Bao gồm trong số các hình dạng được phép: hình cầu quen thuộc, chiếc nhẫn đã được chứng minh trước đây và một loại đối tượng rộng được gọi là không gian thấu kính.
Không gian thấu kính là một kiểu cấu trúc toán học đặc biệt từ lâu đã đóng vai trò quan trọng trong cả hình học và cấu trúc liên kết. “Trong số tất cả các hình dạng khả dĩ mà vũ trụ có thể ném vào chúng ta trong không gian ba chiều,” Khuri nói, “hình cầu là đơn giản nhất, và không gian thấu kính là trường hợp đơn giản tiếp theo.”
Khuri coi không gian thấu kính là “những quả cầu gấp lại. Bạn đang lấy một quả cầu và gấp nó lại theo một cách rất phức tạp.” Để hiểu cách thức hoạt động của tính năng này, hãy bắt đầu với một hình dạng đơn giản hơn - hình tròn. Chia vòng tròn này thành hai nửa trên và dưới. Sau đó, di chuyển mọi điểm ở nửa dưới của vòng tròn đến điểm ở nửa trên đối diện với nó. Điều đó khiến chúng ta chỉ còn hình bán nguyệt phía trên và hai điểm đối cực - một điểm ở mỗi đầu của hình bán nguyệt. Chúng phải được dán vào nhau, tạo ra một hình tròn nhỏ hơn bằng một nửa chu vi của hình ban đầu.
Tiếp theo, chuyển sang hai chiều, nơi mọi thứ bắt đầu trở nên phức tạp. Bắt đầu với một hình cầu hai chiều — một quả bóng rỗng — và di chuyển mọi điểm ở nửa dưới lên trên sao cho nó chạm vào điểm đối cực ở nửa trên. Bạn chỉ còn lại bán cầu trên cùng. Nhưng các điểm dọc theo đường xích đạo cũng phải được “xác định” (hoặc gắn liền) với nhau và do tất cả các điểm đan chéo nhau cần thiết, bề mặt thu được sẽ trở nên cực kỳ méo mó.
Khi các nhà toán học nói về không gian thấu kính, họ thường đề cập đến sự đa dạng ba chiều. Một lần nữa, hãy bắt đầu với ví dụ đơn giản nhất, một quả cầu rắn bao gồm các điểm bề mặt và bên trong. Chạy các đường dọc xuống quả địa cầu từ cực bắc đến cực nam. Trong trường hợp này, bạn chỉ có hai đường chia địa cầu thành hai bán cầu (bạn có thể nói là Đông và Tây). Sau đó, bạn có thể xác định các điểm trên một bán cầu với các điểm đối cực trên bán cầu kia.
Nhưng bạn cũng có thể có nhiều đường dọc hơn và nhiều cách khác nhau để kết nối các cung mà chúng xác định. Các nhà toán học theo dõi các tùy chọn này trong một không gian thấu kính với ký hiệu L(p, q), Ở đâu p cho bạn biết số lượng các lĩnh vực trên toàn cầu được chia thành, trong khi q cho bạn biết các khu vực đó được xác định với nhau như thế nào. Một không gian thấu kính được dán nhãn L(2, 1) chỉ hai cung (hay hai bán cầu) chỉ có một cách xác định điểm là đối cực.
Nếu thế giới được chia thành nhiều khu vực hơn, thì sẽ có nhiều cách hơn để kết nối chúng lại với nhau. Ví dụ, trong một L(4, 3) không gian thấu kính, có bốn khu vực và mỗi khu vực phía trên khớp với ba khu vực phía dưới của nó: khu vực phía trên 1 chuyển sang khu vực phía dưới 4, khu vực phía trên 2 chuyển sang khu vực phía dưới 1, v.v. Khuri cho biết: “Người ta có thể coi [quy trình] này giống như việc vặn phần trên để tìm vị trí chính xác ở phần dưới để dán,” Khuri nói. “Số lượng xoắn được xác định bởi q.” Khi cần phải xoắn nhiều hơn, các hình dạng thu được có thể ngày càng phức tạp hơn.
“Đôi khi mọi người hỏi tôi: Làm thế nào để tôi hình dung những điều này?” nói Hari Kunduri, một nhà vật lý toán học tại Đại học McMaster. “Câu trả lời là, tôi không. Chúng tôi chỉ xử lý các đối tượng này theo phương pháp toán học, điều này nói lên sức mạnh của sự trừu tượng. Nó cho phép bạn làm việc mà không cần vẽ tranh.”
Tất cả các hố đen
Năm 2014, Kunduri và James Lucietti của Đại học Edinburgh đã chứng minh sự tồn tại của một lỗ đen của L(2, 1) gõ năm chiều.
Giải pháp Kunduri-Lucietti, mà họ gọi là “thấu kính đen”, có một vài đặc điểm quan trọng. Giải pháp của họ mô tả một không-thời gian “tiệm cận phẳng”, nghĩa là độ cong của không-thời gian, sẽ cao ở vùng lân cận của lỗ đen, tiến tới XNUMX khi một người di chuyển về phía vô cực. Đặc điểm này giúp đảm bảo rằng các kết quả có liên quan về mặt vật lý. Kunduri lưu ý: “Làm một thấu kính màu đen không quá khó. “Phần khó là làm điều đó và làm cho không-thời gian phẳng ở vô cực.”
Giống như việc xoay giữ cho vòng đen của Emparan và Reall không tự sụp đổ, thấu kính đen Kunduri-Lucietti cũng phải quay. Nhưng Kunduri và Lucietti cũng sử dụng trường “vật chất” — trong trường hợp này là một loại điện tích — để giữ thấu kính của họ lại với nhau.
Trong Giấy tháng 2022 năm XNUMX, Khuri và Rainone đã khái quát hóa kết quả Kunduri-Lucietti về mức độ xa nhất mà một người có thể đạt được. Lần đầu tiên họ chứng minh sự tồn tại trong năm chiều của lỗ đen bằng cấu trúc liên kết thấu kính L(p, q), với mọi giá trị của p và q lớn hơn hoặc bằng 1 — miễn là p lớn hơn qvà p và q không có thừa số nguyên tố chung.
Sau đó, họ đã đi xa hơn. Họ phát hiện ra rằng họ có thể tạo ra một lỗ đen có hình dạng bằng bất kỳ không gian thấu kính nào — bất kỳ giá trị nào của p và q (thỏa mãn các quy định tương tự), ở bất kỳ chiều cao hơn nào - tạo ra vô số lỗ đen có thể có trong vô số chiều. Có một lưu ý, Khuri đã chỉ ra: “Khi bạn chuyển sang các chiều trên năm chiều, không gian thấu kính chỉ là một phần của cấu trúc liên kết tổng thể.” Hố đen thậm chí còn phức tạp hơn không gian thấu kính vốn đã thách thức thị giác mà nó chứa.
Các lỗ đen Khuri-Rainone có thể xoay nhưng không nhất thiết phải quay. Lời giải của họ cũng liên quan đến một không-thời gian tiệm cận phẳng. Tuy nhiên, Khuri và Rainone cần một loại trường vật chất hơi khác — trường bao gồm các hạt liên kết với các chiều cao hơn — để duy trì hình dạng lỗ đen của chúng và ngăn ngừa các khuyết tật hoặc bất thường có thể ảnh hưởng đến kết quả của chúng. Các thấu kính màu đen mà họ chế tạo, giống như vòng màu đen, có hai đối xứng quay độc lập (theo năm chiều) để giúp giải các phương trình Einstein dễ dàng hơn. “Đó là một giả định đơn giản hóa, nhưng không phải là không hợp lý,” Rainone nói. “Và không có nó, chúng tôi không có báo.”
“Đó thực sự là một tác phẩm hay và độc đáo,” Kunduri nói. “Họ đã chỉ ra rằng tất cả các khả năng do Galloway và Schoen trình bày đều có thể được thực hiện một cách rõ ràng,” một khi tính đến các đối xứng quay nói trên.
Galloway đặc biệt ấn tượng với chiến lược do Khuri và Rainone nghĩ ra. Để chứng minh sự tồn tại của một thấu kính đen năm chiều của một p và q, đầu tiên họ nhúng hố đen vào một không-thời gian có chiều cao hơn, nơi mà sự tồn tại của nó dễ chứng minh hơn, một phần vì có nhiều khoảng trống hơn để di chuyển trong đó. cấu trúc liên kết nguyên vẹn. “Đó là một ý tưởng hay,” Galloway nói.
Điều tuyệt vời về quy trình mà Khuri và Rainone đã giới thiệu, Kunduri nói, “là nó rất chung chung, áp dụng cho tất cả các khả năng cùng một lúc.”
Đối với những gì tiếp theo, Khuri đã bắt đầu xem xét liệu các dung dịch lỗ đen thấu kính có thể tồn tại và duy trì ổn định trong chân không mà không cần trường vật chất hỗ trợ chúng hay không. Một bài báo năm 2021 của Lucietti và Fred Tomlinson kết luận rằng nó không thể - rằng một số loại trường vật chất là cần thiết. Tuy nhiên, lập luận của họ không dựa trên bằng chứng toán học mà dựa trên bằng chứng tính toán, “vì vậy đây vẫn là một câu hỏi mở,” Khuri nói.
Trong khi đó, một bí ẩn thậm chí còn lớn hơn xuất hiện. “Có phải chúng ta thực sự đang sống trong một thế giới chiều cao hơn không?” Khuri hỏi. Các nhà vật lý đã dự đoán rằng một ngày nào đó các lỗ đen cực nhỏ có thể được tạo ra tại Máy Va chạm Hadron Lớn hoặc một máy gia tốc hạt năng lượng cao hơn khác. Khuri cho biết, nếu một lỗ đen do máy gia tốc tạo ra có thể được phát hiện trong thời gian tồn tại ngắn ngủi, chỉ trong một phần giây của nó và được quan sát là có cấu trúc liên kết phi hình cầu, thì đó sẽ là bằng chứng cho thấy vũ trụ của chúng ta có nhiều hơn ba chiều không gian và một chiều thời gian. .
Một phát hiện như vậy có thể làm sáng tỏ một vấn đề khác mang tính hàn lâm hơn. “Thuyết tương đối rộng,” Khuri nói, “theo truyền thống là một lý thuyết bốn chiều.” Khi khám phá những ý tưởng về lỗ đen trong các chiều từ năm trở lên, “chúng tôi đang đặt cược vào thực tế rằng thuyết tương đối rộng có giá trị trong các chiều cao hơn. Nếu bất kỳ lỗ đen [không hình cầu] kỳ lạ nào được phát hiện, điều đó sẽ cho chúng tôi biết rằng vụ cá cược của chúng tôi là hợp lý.”
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến thức. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.quantamagazine.org/mathematicians-find-an-infinity-of-possible-black-hole-shapes-20230124/
- 1
- 10
- 11
- 2014
- 2021
- 2022
- a
- Giới thiệu
- ở trên
- AC
- học tập
- gia tốc
- Theo
- Tài khoản
- Sau
- Tất cả
- cho phép
- Đã
- trong số
- số lượng
- và
- Một
- trả lời
- ngoài
- Đăng Nhập
- Nộp đơn
- cách tiếp cận
- đối số
- xung quanh
- liên kết
- giả định
- tự động
- trở lại
- banh
- barcelona
- dựa
- đẹp
- bởi vì
- trở nên
- trở thành
- bắt đầu
- được
- Đặt cược
- Cá cược
- Ngoài
- lớn hơn
- Đen
- Black Hole
- lỗ đen
- Nhàm chán
- đáy
- Nghỉ giải lao
- rộng
- gọi là
- cambridge
- Có thể có được
- không thể
- trường hợp
- Trung tâm
- thách thức
- đặc trưng
- phí
- Vòng tròn
- hoàn cảnh
- tốt nghiệp lớp XNUMX
- trong sáng
- Đồng tác giả
- kết hợp
- Chung
- phức tạp
- phức tạp
- thỏa hiệp
- Kết nối
- xem xét
- xây dựng
- chứa
- Vu trụ
- có thể
- Couple
- Tạo
- nhiều
- thập kỷ
- chứng minh
- mô tả
- phát hiện
- xác định
- khác nhau
- khó khăn
- kích thước
- kích thước
- Chia
- làm
- dont
- xuống
- vẽ
- suốt trong
- Bụi bẩn
- mỗi
- dễ dàng hơn
- Đông
- ed
- hiệu ứng
- Kỹ lưỡng
- Điện
- nhúng
- đủ
- đảm bảo
- sự nhiệt tình
- phương trình
- Ngay cả
- Sự kiện
- Mỗi
- bằng chứng
- ví dụ
- Exotic
- Khám phá
- mở rộng
- thêm
- cực kỳ
- các yếu tố
- quen
- NHANH
- Tính năng
- lĩnh vực
- Lĩnh vực
- Tìm kiếm
- tìm kiếm
- Tên
- cố định
- bằng phẳng
- hình thức
- tìm thấy
- từ
- xa hơn
- GAS
- Tổng Quát
- được
- Cho
- được
- toàn cầu
- Go
- Đi
- lực hấp dẫn
- tuyệt vời
- lớn hơn
- Một nửa
- Cứng
- giúp
- bán cầu
- Cao
- cao hơn
- cao
- tổ chức
- giữ
- Lô
- Holes
- mong
- Horizons
- Độ đáng tin của
- Tuy nhiên
- HTML
- HTTPS
- ý tưởng
- ý tưởng
- xác định
- xác định
- quan trọng
- ấn tượng
- in
- bao gồm
- bao gồm
- lên
- vô cùng
- độc lập
- chỉ
- Infinite
- Vô cực
- thay vì
- nội thất
- giới thiệu
- Phát minh
- vấn đề
- IT
- chính nó
- chỉ một
- Giữ
- giữ
- Loại
- Đan
- lớn
- ống kính
- đời
- dòng
- liên kết
- sống
- dài
- tìm kiếm
- làm cho
- Làm
- nhiều
- Thánh Lễ
- phù hợp
- toán học
- toán học
- theo toán học
- toán học
- chất
- có nghĩa là
- Miami
- Might
- thời điểm
- chi tiết
- hầu hết
- di chuyển
- di chuyển
- Trinh thám
- Thiên nhiên
- cần thiết
- Mới
- tiếp theo
- Bắc
- lưu ý
- con số
- vật
- đối tượng
- thỉnh thoảng
- kỳ quặc
- ONE
- mở
- đối diện
- Các lựa chọn
- bình thường
- nguyên
- Nền tảng khác
- sờ thấy
- Giấy
- một phần
- riêng
- đặc biệt
- qua
- có lẽ
- Thể chất
- hình ảnh
- Những bức ảnh
- mảnh
- Nơi
- hành tinh
- Hành tinh
- plato
- Thông tin dữ liệu Plato
- PlatoDữ liệu
- thêm
- Điểm
- điểm
- khả năng
- có thể
- có khả năng
- quyền lực
- dự đoán
- Dự đoán
- trình bày
- ngăn chặn
- trước đây
- Thủ tướng Chính phủ
- nguyên tắc
- quá trình
- sản xuất
- Sản xuất
- Sản phẩm
- bằng chứng
- Chứng minh
- chứng minh
- Kéo
- hoàn toàn
- câu hỏi
- nhận ra
- vương quốc
- gần đây
- có liên quan
- vẫn
- cần phải
- đòi hỏi
- nhà nghiên cứu
- hạn chế
- kết quả
- kết quả
- Kết quả
- Nhẫn
- Phòng
- tròn
- Quy tắc
- chạy
- Nói
- tương tự
- ngành
- Ngành
- dường như
- nghiêm trọng
- thiết lập
- Hình dạng
- hình
- hình dạng
- hiển thị
- đơn giản hóa
- đơn giản hóa
- nhỏ hơn
- So
- rắn
- giải pháp
- Giải pháp
- động SOLVE
- một số
- một ngày nào đó
- phần nào
- miền Nam
- Không gian
- không gian
- không gian
- Nói
- đặc biệt
- tốc độ
- Quay
- chia
- Spot
- ổn định
- Đại học Stanford
- Ngôi sao
- Sao
- Bắt đầu
- bắt đầu
- ở lại
- Stephen
- Vẫn còn
- Những câu chuyện
- Chiến lược
- như vậy
- hỗ trợ
- Bề mặt
- ngọt ngào
- dùng
- Thảo luận
- nói
- Sản phẩm
- cung cấp their dịch
- lý thuyết
- điều
- điều
- nghĩ
- nghĩ
- số ba
- ba chiều
- thời gian
- đến
- bên nhau
- quá
- hàng đầu
- Tổng số:
- sờ vào
- đối với
- theo dõi
- theo truyền thống
- điều trị
- Dưới
- hiểu
- Vũ trụ
- trường đại học
- đại học Cambridge
- us
- thường
- Khoảng chân không
- giá trị
- Các giá trị
- nhiều
- Đợi
- cách
- webp
- hướng Tây
- Điều gì
- liệu
- cái nào
- trong khi
- CHÚNG TÔI LÀ
- sẽ
- không có
- Công việc
- công trinh
- sẽ
- năm
- năng suất
- Bạn
- zephyrnet
- không