La théorie des cordes et de la thermodynamique d'un trou noir

Lorsque Stephen Hawking a décrit le rayonnement de Hawking émis par un trou noir, il a dû utiliser son intuition physique et mathématique, parce que la physique quantique et la relativité générale ne sont pas réconciliés. L'un des grands succès de la théorie des cordes est d'offrir une description complète de (certains) des trous noirs.

Rayonnement de Hawking a lieu lorsque le rayonnement est émis par un trou noir, lui faisant perdre de masse. Finalement, le trou noir évapore dans rien (ou presque rien).

L'argument incomplet de Stephen Hawking

Le document de Hawking sur le chemin d'un trou noir émet de la chaleur (également appelés la thermodynamique) commence une ligne de raisonnement qui ne fonctionne pas tout à fait tout le chemin jusqu'à la fin. Au milieu de la preuve qu'il ya un décalage, car aucune théorie de la gravité quantique existe qui permettrait la première moitié de son raisonnement (basé sur la relativité générale) pour se connecter avec la seconde moitié de son raisonnement (basée sur la mécanique quantique).

La raison de la déconnexion est que la réalisation d'une analyse détaillée de la thermodynamique un trou noir consiste à examiner tous les états quantiques possibles du trou noir. Mais les trous noirs sont décrits avec la relativité générale, qui les traite comme bon - pas quantique - objets. Sans une théorie de la gravité quantique, il semble y avoir aucun moyen d'analyser la nature thermodynamique spécifique d'un trou noir.

Dans le document de Hawking, cette connexion a été faite par le moyen de son intuition, mais pas dans le sens que la plupart d'entre nous pensent probablement de l'intuition. Le saut intuitif il a été en proposant des formules mathématiques précises, appelé greybody facteurs, même si il ne pouvait pas prouver absolument d'où ils venaient.

La plupart des physiciens conviennent que l'interprétation de Hawking est logique, mais une théorie de la gravité quantique permettrait de voir si un processus plus précis pourrait prendre la place de sa démarche intuitive.

La théorie des cordes peut compléter l'argument

Travail par Andrew Strominger et Cumrun Vafa sur la thermodynamique des trous noirs est considéré par de nombreux théoriciens des cordes comme la preuve la plus puissante à l'appui de la théorie des cordes. En étudiant un problème qui est mathématiquement équivalent à des trous noirs - un double problème - ils ont calculé précisément les propriétés thermodynamiques du trou noir d'une manière qui correspondait à l'analyse de Hawking.

Parfois, au lieu de simplifier un problème directement, vous pouvez créer un double problème, qui est essentiellement identique à celui que vous essayez de résoudre, mais est beaucoup plus simple à manipuler. Strominger et Vafa utilisés cette tactique en 1996 pour calculer l'entropie dans un trou noir.

Dans leur cas, ils ont constaté que le double problème d'un trou noir décrit une collection de 1-branes et 5-branes. Ces “ constructions branaires ” sont des objets qui peuvent être définis en termes de mécanique quantique. Ils ont constaté que les résultats appariés avec précision le résultat prévu Hawking 20 ans plus tôt.

Maintenant, avant d'arriver trop excité, l'Strominger et Vafa résultats seulement le travail pour certains types très précis de trous noirs, appelés trous noirs extrémaux. Ces trous noirs extrêmes ont le montant maximum de la charge électrique ou magnétique qui est autorisé sans faire le trou noir instable. Un trou noir extrémal a la propriété étrange de posséder entropie, mais pas de chaleur ou de la température. (L'entropie est une mesure du trouble, souvent associées à énergie thermique, au sein d'un système physique).

Dans le même temps Strominger et Vafa effectuaient leurs calculs, Princeton étudiant Juan Maldacena abordait le même problème (avec de thèse Curt Callan). En quelques semaines de Strominger et Vafa, ils ont confirmé les résultats et étendu l'analyse à des trous noirs qui sont presque extrémal. Encore une fois, la relation est assez bien entre ces constructions de branes et les trous noirs, et d'analyser les constructions branaires donne les résultats attendus pour Hawking des trous noirs. D'autres travaux ont élargi ce travail à des cas encore plus généralisée des trous noirs.

Pour obtenir cette analyse au travail, la gravité doit être tourné vers le bas à zéro, ce qui semble bien étrange dans le cas d'un trou noir qui est, littéralement, défini par gravité. Désactivation de la gravité est nécessaire de simplifier les équations et obtenir la relation. Les théoriciens des cordes conjecturent que par la montée en puissance de la gravité de nouveau vous finiriez avec un trou noir, mais les sceptiques de la théorie des cordes souligner que sans gravité vous ne l'avez pas vraiment un trou noir.

Pourtant, même un sceptique ne peut pas empêcher de penser qu'il doit y avoir une sorte de relation entre les constructions de branes et les trous noirs parce qu'ils suivent à la fois l'analyse thermodynamique Hawking a créé 20 ans plus tôt. Ce qui est encore plus étonnant est que la théorie des cordes n'a pas été conçu pour résoudre ce problème spécifique, mais il l'a fait. Le fait que le résultat se situe hors de l'analyse est impressionnante, pour dire le moins.