Fuzzball (теория струн) - Fuzzball (string theory) Из Википедии, бесплатной энциклопедии Струнная теория Фундаментальные объекты НитьКосмическая струнаBraneD-брана Теория возмущений БозонныйСуперструна (тип I, тип II, гетеротический) Непертурбативные результаты S-дуальностьТ-дуальностьU-дуальностьМ-теорияF-теорияAdS / CFT корреспонденция Феноменология ФеноменологияКосмологияПейзаж Математика Зеркальная симметрияЧудовищный самогон Связанные понятия Теория всегоКонформная теория поляКвантовая гравитацияСуперсимметрияСупергравитацияТвисторная теория струнN = 4 суперсимметричная теория Янга – МиллсаТеория Калуцы – КлейнаМультивселеннаяГолографический принцип Теоретики АганагичАркани-ХамедАтьябанкиБеренштейнБуссоТесакCurtrightDijkgraafДистлерДугласДаффФеррараФишлерФриданВоротаГлиоцциГопакумарЗеленыйГринВаловойГубсерГуковGuthHansonХарвиГоржаваГоровицГиббонсКачруКакуКалошКалуцаКапустинКлебановКнижникКонцевичКляйнLindeМальдасенаМандельштамМарольфМартинекМинваллаМурMotlМухиМайерсНанопулосНэстасеНекрасовНевеуNielsenvan NieuwenhuizenНовиковОливковоеOoguriОврутПолчинскийПоляковРаджараманРамонRandallРанджбар-ДэмиРочекРомScherkШварцЗайбергСенШенкерСигельСильверстайнСынStaudacherSteinhardtСтроминджерSundrumСасскинд'т ХофтTownsendТриведиТурокВафаВенецианоВерлиндеВерлиндеWessВиттенЯуЙонеяЗамолодчиковЗамолодчиковЗаслоуЗуминоZwiebach ИсторияГлоссарий vте Теоретические пушистики, как и классические черные дыры, искажают пространство-время и искривляют свет. Здесь край центрального темного пятна, горизонт событий, очерчивает не только порог, на котором его убегающая скорость равна скорости света, но и физическую поверхность пушистого шара. (Исполнение) Некоторые ученые, занимающиеся теорией суперструн, полагают, что пушистые шары являются истинным квантовым описанием черных дыр. Теория пытается решить две неразрешимые проблемы, которые классические черные дыры ставят перед современной физикой: Информация парадокс, в котором квантовая информация связана в падении в материю и энергию, полностью исчезает в сингулярности; то есть черная дыра претерпит нулевые физические изменения в своем составе, независимо от природы того, что в нее попало. Особенность в центре черной дыры, где обычная теория черных дыр говорит, что существует бесконечное пространство кривизна из - за бесконечно интенсивное гравитационное поле из области нулевого объема. Современная физика не работает, когда такие параметры бесконечны и равны нулю. Теория Fuzzball заменяет сингулярность в сердце черной дыры, утверждая, что вся область в пределах горизонта событий черной дыры на самом деле представляет собой клубок струн, которые выступают в качестве основных строительных блоков материи и энергии. Считается, что струны представляют собой пучки энергии, колеблющиеся сложным образом как в трех физических измерениях пространства, так и в компактных направлениях - дополнительные измерения, вплетенные в квантовую пену (также известную как пена пространства-времени). СОДЕРЖАНИЕ 1 Физические характеристики 2 Информационный парадокс 3 См. Также 4 Примечания и ссылки 5 Внешние ссылки Физические характеристики В некоторых типах теории суперструн - основы теории пушистых шариков - считается, что дополнительные измерения пространства-времени принимают форму 6-мерного многообразия Калаби – Яу. Самир Д. Матур из Университета штата Огайо вместе с докторантом Олегом Луниным в двух статьях в 2002 г. предположили, что черные дыры на самом деле представляют собой сферы из струн определенного объема; они не являются сингулярностью, которую классический взгляд считает нульмерной точкой нулевого объема, в которой сосредоточена вся масса черной дыры. Теория струн утверждает, что фундаментальные составляющие субатомных частиц, включая носители силы (например, бозоны, фотоны и глюоны), все состоят из одномерной струны энергии, которая принимает свою идентичность, колеблясь в разных режимах и / или частотах.. В отличие от представления о черной дыре как о сингулярности, маленький пушистый шар можно рассматривать как сверхплотную нейтронную звезду, где ее нейтроны разложились или «расплавились», высвобождая кварки (струны в теории струн), составляющие их. Соответственно, пушистые шары можно рассматривать как крайнюю форму вырожденной материи. Принимая во внимание, что горизонт событий классической черной дыры считается очень хорошо определенным и отчетливым, Матур и Лунин далее подсчитали, что горизонт событий пушистого шара будет в чрезвычайно малом масштабе (вероятно, порядка нескольких планковских длин), быть очень похожим на туман: fuzzy, отсюда и название «пушистый комок». Они также обнаружили, что физическая поверхность пушистого шара будет иметь радиус, равный радиусу горизонта событий классической черной дыры; для обоих, радиус Шварцшильда для медианного размера звездной массы черной дыры 6,8 солнечных масс (M ☉) составляет 20 километров. В классической модели черных дыр считается, что объекты, проходящие через горизонт событий на пути к сингулярности, попадают в область искривленного пространства-времени, где скорость убегания превышает скорость света. Это царство лишено всякой структуры. Кроме того, в сингулярности - сердце классической черной дыры - считается, что пространство-время имеет бесконечную кривизну (то есть считается, что гравитация имеет бесконечную интенсивность), поскольку считается, что его масса сжалась до нулевого (бесконечно малого) объема, в котором оно имеет бесконечную плотность. Такие бесконечные условия проблематичны с известной физикой, потому что ключевые вычисления не могут быть вычислены с делителем нуля. Однако в модели пушистого шара струны, составляющие объект, просто падают и поглощаются поверхностью пушистого шара, что соответствует горизонту событий - порогу, при котором скорость убегания равна скорости света. Пушистый шар - это черная дыра; считается, что на пространство-время, фотоны и все остальное, что не очень близко к поверхности пушистого шара, воздействуют точно так же, как на классическую модель черных дыр с сингулярностью в центре. Две теории различаются только на квантовом уровне; то есть они различаются только своим внутренним составом, а также тем, как они влияют на виртуальные частицы, которые формируются вблизи их горизонтов событий (см. § Информационный парадокс ниже). Теория Fuzzball, по мнению ее сторонников, является истинным квантовым описанием черных дыр. Цветопередача Художника Cygnus X-1, 8,7 M ☉ черной дыры всего 6000 световых лет от нас в нашей собственной галактике Млечный Путь, принадлежит к двоичной системе наряду с синей переменной звездой сверхгиганта. Если Cygnus X-1 на самом деле является пушистым шаром, его поверхность имеет диаметр 51 километр. Поскольку объем fuzzballs является функцией радиуса Шварцшильда (2954 м на М ☉), fuzzballs имеют плотность переменной, которая уменьшается обратно пропорционально квадрату их массы (в два раза превышает массу в два раза превышает диаметр, что в восемь раз превышает объем, что дает четверть плотности). Типичный пушистый шарик размером 6,8 M ☉ будет иметь среднюю плотность4,0 × 10 17 кг / м 3. Кусочек такого пушистого шарика размером с каплю воды (0,05 мл, 5,0 × 10 -8 м 3) имел бы массу двадцать миллионов метрических тонн, что равно массе гранитного шара диаметром 240 метров. Хотя такие плотности почти невообразимо экстремальны, математически говоря, они бесконечно далеки от бесконечной плотности. Хотя плотность типичных пушистых комков звездной массы довольно велика - примерно такая же, как у нейтронных звезд, - их плотности на много порядков меньше планковской плотности (5,155 × 10 96 кг / м 3), что эквивалентно массе Вселенной, упакованной в объем одного атомного ядра. Пушистые шары становятся менее плотными по мере увеличения их массы из-за частичного натяжения. Когда материя или энергия (струны) падают на пушистый шарик, к пушистому шарику не просто добавляются новые струны; струны сливаются вместе, и при этом вся квантовая информация падающих струн становится частью более крупных и сложных струн. Из-за частичного натяжения натяжение струн экспоненциально уменьшается по мере того, как они становятся более сложными с большим количеством видов вибрации, расслабляясь на значительную длину. «Математическая красота» формул теории струн, которые использовали Матур и Лунин, заключается в том, как дробные значения натяжения создают радиусы пушистых комков, которые точно равны радиусам Шварцшильда, которые Карл Шварцшильд вычислил с использованием совершенно другой математической техники 87 лет назад. Согласно правилу обратных квадратов плотности массы, пушистые шары не обязательно должны иметь невообразимую плотность. Есть также сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре практически всех галактик. Стрелец A *, черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь, имеет размер 4,3 миллиона M ☉. Если теория пушистого шарика верна, его средняя плотность «всего» в 51 раз больше плотности золота. При 3,9 миллиарда M ☉ (довольно большая сверхмассивная черная дыра) пушистый шар имел бы радиус 77 астрономических единиц - примерно такой же размер, как конечная ударная волна гелиосферы нашей солнечной системы, - и среднюю плотность, равную плотности Атмосфера Земли на уровне моря (1,2 кг / м 3). Независимо от массы и результирующей плотности пушистого шара, определяющим фактором, определяющим, где находится его поверхность, является порог, при котором его убегающая скорость точно равна скорости света. Скорость убегания, как следует из названия, - это скорость, которой должно достичь тело, чтобы убежать от массивного объекта. Для Земли это 11,2 км / с. В другом направлении скорость убегания массивного объекта равна скорости удара, достигаемой падающим телом, которое упало с края сферы гравитационного воздействия массивного объекта. Таким образом, горизонты событий - как для классических черных дыр, так и для пушистых комков - лежат именно в той точке, где пространство-время искривилось до такой степени, что падающие тела просто достигают скорости света. Согласно Альберту Эйнштейну, через его специальную теорию относительности, скорость света является максимально допустимой скоростью в пространстве-времени. С этой скоростью падающее вещество и энергия ударяются о поверхность пушистого шарика, и его теперь освобожденные отдельные струны вносят свой вклад в состав пушистого шарика. Информационный парадокс Основная статья: Информационный парадокс черной дыры Классические черные дыры создают проблему для физики, известную как информационный парадокс черной дыры, проблема, впервые поднятая в 1972 году Якобом Бекенштейном, а затем популяризированная Стивеном Хокингом. Информационный парадокс рождается из осознания того, что вся квантовая природа (информация) материи и энергии, которая попадает в классическую черную дыру, как считается, полностью исчезает из существования в сингулярности нулевого объема в ее сердце. Например, черная дыра, которая питается звездной атмосферой (протонами, нейтронами и электронами) от соседней звезды-компаньона, должна, если она подчиняется известным законам квантовой механики, технически расти и становиться все более и более отличной по составу от той, которая есть. питаясь светом (фотонами) от соседних звезд. Тем не менее, последствия классической теории черных дыр неизбежны: помимо того факта, что две классические черные дыры будут становиться все более массивными из-за падающего вещества и энергии, они не претерпят нулевого изменения в своем относительном составе, потому что их сингулярности не имеют состава. Бекенштейн отметил, что этот теоретический результат нарушает квантово-механический закон обратимости, который, по сути, гласит, что квантовая информация не должна быть потеряна ни в каком процессе. Эта область исследований сегодня известна как термодинамика черных дыр. Даже если бы квантовая информация не была погашена сингулярностью классической черной дыры и каким-то образом все еще существовала, квантовые данные не смогли бы подняться против бесконечной гравитационной интенсивности, чтобы достичь поверхности своего горизонта событий и убежать. Излучение Хокинга (до сих пор необнаруженные частицы и фотоны, которые, как считалось, испускаются из-за близости черных дыр) не могло обойти информационный парадокс; он мог выявить только массу, угловой момент и электрический заряд классических черных дыр. Считается, что излучение Хокинга создается, когда виртуальные частицы - пары частиц / античастиц всех видов плюс фотоны, которые являются их собственными античастицами - формируются очень близко к горизонту событий, и один член пары движется по спирали, в то время как другой улетает, унося с собой энергия черной дыры. Теория пушистика, выдвинутая Матуром и Луниным, удовлетворяет закону обратимости, потому что квантовая природа всех струн, которые падают в пушистый шар, сохраняется, поскольку новые струны вносят свой вклад в состав пушистого комка; никакая квантовая информация не уничтожается. Более того, этот аспект теории поддается проверке, поскольку ее центральный принцип гласит, что квантовые данные пушистого комка не остаются в ловушке в его центре, а достигают его нечеткой поверхности, и что излучение Хокинга уносит эту информацию, которая закодирована в тонких корреляциях между исходящие кванты. Смотрите также Сверхмассивная черная дыра Информационный парадокс черной дыры Термодинамика черной дыры Вырожденная материя Гравитационная сингулярность Нейтронная звезда Квантовая пена Пространство-время Струна (физика) Струнная теория Теория суперструн Хронология физики черной дыры Черная звезда (полуклассическая гравитация) Примечания и ссылки ^ Наименьшее линейное измерение в физике, которое имеет какое-либо значение при измерении пространства-времени, - это планковская длина, которая равна1,616 252 (81) × 10 −35 м (значение CODATA). Ниже планковской длины преобладают эффекты квантовой пены, и бессмысленно строить предположения о длине в более мелком масштабе - так же, как бессмысленно было бы измерять океанские приливы с точностью до одного сантиметра в море, поднятом штормами. Считается, что сингулярность имеет диаметр, не равный даже одной планковской длине; то есть ноль. ^ Это средняя объемная плотность; Как и в случае с нейтронными звездами, Солнцем и его планетами, плотность пушистого комка изменяется от поверхности, где он менее плотный, до его центра, где он наиболее плотный. ^ Меньшие пушистые комочки будут еще плотнее. Самая маленькая из обнаруженных черных дыр, XTE J1650-500, имеет размер 3,8 ± 0,5 M ☉. Физики-теоретики считают, что точка перехода, разделяющая нейтронные звезды и черные дыры, составляет от 1,7 до 2,7 M ☉ (Центр космических полетов Годдарда: ученые НАСА определяют наименьшую из известных черных дыр). Очень небольшой, 2,7 М ☉ fuzzball будет более чемшесть раз плотнее,медиана размера fuzzball 6,8 М ☉, со средней плотностью2,53 × 10 18 кг / м 3. Кусок такого пушистого шара размером с каплю воды имел бы массу 126 миллионов метрических тонн, что составляет массу гранитного шара диаметром 449 метров. ^ Нейтронные звезды имеют среднюю плотность в диапазоне 3,7–5,9 × 10 17 кг / м 3, что соответствует среднему размеру пушистых комков от 7,1 до 5,6 M ☉. Однако самые маленькие пушистые комочки плотнее нейтронных звезд; небольшойпушистый шарик размером2,7 M ☉ будет в четыре-семь раз плотнее нейтронной звезды. На основе «чайной ложки» (≈4,929 мл), которая является обычной мерой для передачи плотности в популярной прессе широкой читательской аудитории, сравнительные средние плотности выглядят следующим образом: 2,7 M ☉ fuzzball: 12,45 млрд метрических тонн в чайной ложке 6,8 M ☉ fuzzball: 1.963 млрд метрических тонн в чайной ложке Нейтронная звезда: 1,8–2,9 миллиарда метрических тонн на чайную ложку. ^ «Скорость света» в этом контексте дана с точки зрения наблюдателя, который путешествует вместе с пушистым шаром и находится на краю его гравитационной сферы влияния. Скорость убегания в точности равна (не «очень близка») скорости света, потому что никто не измеряет скорость фотонов или частиц по отношению к пространству-времени, а вместо этого наблюдает область пространства-времени, которая была деформирована до максимально допустимой степени. по отношению к себе. С ньютоновской точки зрения падающие объекты достигают скорости, которая - для некоторых внешних наблюдателей - кажется точно равной скорости света в точке, где объекты встречаются с горизонтом событий черной дыры. С точки зрения Эйнштейна, падающая энергия и материя просто следуют контурам пространства-времени до точки, в которой пространство-время становится максимально искривленным. ^ АдС / двойственность ПФТ и черная дыра информация парадокс, SDМатхур и Олег Лунин, ядерная физика В, 623, (2002), С. 342-394. (Arxiv); и Статистическая интерпретация энтропии Бекенштейна для систем с расширенным горизонтом, С.Д. Матур и Олег Лунин, Physical Review Letters, 88 (2002) (arxiv). Внешние ссылки Черные дыры - это пушистые шары? - Автор: Space Today Online Информационный парадокс разрешен? Если это так, то черные дыры - это «пушистые шарики» - по версии Университета штата Огайо. Парадигма пушистого шарика для черных дыр: часто задаваемые вопросы - Самир Д. Матур Ссылка на arXiv.org: Раскрутка струн, брошенных в пушистый комок - Стефано Джусто и Самир Д. Матур Астрономы совершают виртуальное погружение в черную дыру (84 МБ) (версия 10 МБ) - 40-секундная анимация, созданная JILA, совместным предприятием Университета Колорадо в Боулдере и NIST. Проблема информации о черной дыре и предложение пушистого комочка (I), документ ЦЕРН Проблема информации о черной дыре и предложение пушистого комочка (II), документ ЦЕРН Информационный парадокс черной дыры и предложение пушистого комочка (III), документ ЦЕРН Информационная проблема черной дыры и предложение пушистого комочка (IV), документ ЦЕРН [1] - Дженнифер Уэллет Fuzzball (теория струн) - https://ru.abcdef.wiki/wiki/Fuzzball_(string_theory)
Вырожденная материя - Degenerate matter Из Википедии, бесплатной энциклопедии Вырожденное веществом является очень плотным состоянием из фермионной материи, в котором Паули принцип исключения оказывает значительное давление в дополнении к, или вместо теплового давления. Описание относится к материи, состоящей из электронов, протонов, нейтронов или других фермионов. Этот термин в основном используется в астрофизике для обозначения плотных звездных объектов, где гравитационное давление настолько велико, что квантово-механические эффекты значительны. Этот тип материи естественным образом встречается в звездах в их конечных эволюционных состояниях, таких как белые карлики и нейтронные звезды, где одного теплового давления недостаточно, чтобы избежать гравитационного коллапса. Вырожденное вещество обычно моделируется как идеальный ферми-газ, ансамбль невзаимодействующих фермионов. В квантовомеханическом описании частицы, ограниченные конечным объемом, могут принимать только дискретный набор энергий, называемых квантовыми состояниями. Принцип исключения Паули препятствует тому, чтобы идентичные фермионы занимали одно и то же квантовое состояние. При самой низкой полной энергии (когда тепловая энергия частиц пренебрежимо мала) все квантовые состояния с самой низкой энергией заполнены. Это состояние называется полным вырождением. Это давление вырождения остается ненулевым даже при абсолютной нулевой температуре. Добавление частиц или уменьшение объема переводит частицы в квантовые состояния с более высокой энергией. В этой ситуации требуется сила сжатия, которая проявляется как сопротивление давлению. Ключевой особенностью является то, что это давление вырождения не зависит от температуры, а только от плотности фермионов. Давление вырождения удерживает плотные звезды в равновесии независимо от тепловой структуры звезды. Вырожденная масса, фермионы которой имеют скорости, близкие к скорости света (энергия частицы больше, чем энергия ее массы покоя), называется релятивистской вырожденной материей. Концепция вырожденных звезд, звездных объектов, состоящих из вырожденной материи, была первоначально разработана совместными усилиями Артура Эддингтона, Ральфа Фаулера и Артура Милна. Эддингтон предположил, что атомы в Сириусе B были почти полностью ионизированы и плотно упакованы. Фаулер описал белые карлики как состоящие из газа частиц, вырожденных при низкой температуре. Милн предположил, что вырожденное вещество находится в ядрах большинства звезд, а не только в компактных звездах. СОДЕРЖАНИЕ 1 Концепция 2 Вырожденные газы 2.1 Электронное вырождение 2.2 Нейтронное вырождение 2.3 Вырождение протона 2.4 Вырождение кварка 3 См. Также 4 Примечания 5 цитат 6 Ссылки 7 Внешние ссылки Концепция Основная статья: Ферми-газ Если плазма охлаждается и находится под растущим давлением, в конечном итоге будет невозможно сжимать плазму дальше. Это ограничение связано с принципом исключения Паули, согласно которому два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. В этом сильно сжатом состоянии, поскольку нет дополнительного места для каких-либо частиц, местоположение частицы чрезвычайно определено. Поскольку местоположение частиц сильно сжатой плазмы имеет очень низкую неопределенность, их импульс крайне неопределенен. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит:, где Δ p - неопределенность импульса частицы, а Δ x - неопределенность положения (а ħ - приведенная постоянная Планка). Следовательно, даже если плазма холодная, такие частицы в среднем должны двигаться очень быстро. Большие кинетические энергии приводят к выводу, что для того, чтобы сжать объект в очень маленькое пространство, требуется огромная сила для управления импульсом его частиц. В отличие от классического идеального газа, давление которого пропорционально его температуре, где P - давление, k B - постоянная Больцмана, N - количество частиц, обычно атомов или молекул, T - температура, а V - объем, давление, оказываемое вырожденным веществом, слабо зависит от его температуры. В частности, давление остается ненулевым даже при абсолютном нуле температуры. При относительно низких плотностях давление полностью вырожденного газа можно получить, рассматривая систему как идеальный ферми-газ, таким образом, где m - масса отдельных частиц, составляющих газ. При очень высоких плотностях, когда большинство частиц вынуждены переходить в квантовые состояния с релятивистскими энергиями, давление определяется выражением, где K - другая константа пропорциональности, зависящая от свойств частиц, составляющих газ. Кривые зависимости давления от температуры для классических и квантовых идеальных газов (ферми-газ, бозе-газ) в трех измерениях. Вся материя испытывает как нормальное тепловое давление, так и давление вырождения, но в обычно встречающихся газах тепловое давление настолько доминирует, что давлением вырождения можно пренебречь. Точно так же вырожденная материя все еще имеет нормальное тепловое давление, давление вырождения доминирует до такой степени, что температура оказывает незначительное влияние на общее давление. На следующем рисунке показано, как давление ферми-газа достигает насыщения по мере его охлаждения по сравнению с классическим идеальным газом. В то время как давление вырождения обычно преобладает при чрезвычайно высоких плотностях, именно соотношение между давлением вырождения и тепловым давлением определяет вырождение. При достаточно резком повышении температуры (например, во время гелиевой вспышки у красной звезды-гиганта) материя может стать невырожденной без уменьшения своей плотности. Давление вырождения способствует давлению обычных твердых тел, но их обычно не считают вырожденной материей, поскольку значительный вклад в их давление вносят электрическое отталкивание ядер атомов и экранирование ядер друг от друга электронами. Модель свободного электрона металлов происходит их физические свойства, рассматривая проводимость электронов в одиночку в качестве вырожденного газа, в то время как большинство электронов рассматриваются как занимающая связанные квантовые состояния. Это твердое состояние контрастирует с вырожденным веществом, которое образует тело белого карлика, где большая часть электронов будет рассматриваться как находящаяся в импульсных состояниях свободных частиц. Экзотические примеры вырожденной материи включают нейтронную вырожденную материю, странную материю, металлический водород и материю белых карликов. Вырожденные газы Вырожденные газы - это газы, состоящие из фермионов, таких как электроны, протоны и нейтроны, а не молекул обычного вещества. Электронный газ в обычных металлах и внутри белых карликов - два примера. Следуя принципу исключения Паули, каждое квантовое состояние может занимать только один фермион. В вырожденном газе все квантовые состояния заполнены до энергии Ферми. Большинство звезд противодействуют собственной гравитации за счет нормального давления теплового газа, в то время как у белых карликов поддерживающая сила возникает из-за давления вырождения электронного газа внутри них. В нейтронных звездах вырожденные частицы - нейтроны. Фермионный газ, в котором заполнены все квантовые состояния ниже данного энергетического уровня, называется полностью вырожденным фермионным газом. Разница между этим уровнем энергии и самым низким уровнем энергии известна как энергия Ферми. Электронное вырождение Основные статьи: Электронное давление вырождения и Белый карлик В обычном фермионном газе, в котором преобладают тепловые эффекты, большинство доступных уровней энергии электронов незаполнены, и электроны могут свободно переходить в эти состояния. По мере увеличения плотности частиц электроны постепенно заполняют состояния с более низкой энергией, а дополнительные электроны вынуждены занимать состояния с более высокой энергией даже при низких температурах. Вырожденные газы сильно сопротивляются дальнейшему сжатию, потому что электроны не могут перейти на уже заполненные более низкие энергетические уровни из-за принципа исключения Паули. Поскольку электроны не могут отдавать энергию, переходя в более низкие энергетические состояния, тепловая энергия не может быть извлечена. Тем не менее, импульс фермионов в фермионном газе создает давление, называемое «давлением вырождения». При высоких плотностях материя становится вырожденным газом, когда все электроны отделяются от своих родительских атомов. После прекращения горения водорода в реакциях ядерного синтеза ядро звезды становится скоплением положительно заряженных ионов, в основном ядер гелия и углерода, плавающих в море электронов, оторванных от ядер. Вырожденный газ - почти идеальный проводник тепла и не подчиняется обычным газовым законам. Белые карлики светятся не потому, что они генерируют энергию, а потому, что они улавливают большое количество тепла, которое постепенно излучается. Обычный газ оказывает более высокое давление, когда он нагревается и расширяется, но давление в вырожденном газе не зависит от температуры. Когда газ становится сверхсжатым, частицы располагаются вплотную друг к другу, образуя вырожденный газ, который ведет себя больше как твердое тело. В вырожденных газах кинетическая энергия электронов довольно высока, а скорость столкновения электронов с другими частицами довольно мала, поэтому вырожденные электроны могут перемещаться на большие расстояния со скоростями, приближающимися к скорости света. Вместо температуры давление в вырожденном газе зависит только от скорости вырожденных частиц; однако добавление тепла не увеличивает скорость большинства электронов, потому что они застревают в полностью занятых квантовых состояниях. Давление увеличивается только за счет массы частиц, что увеличивает гравитационную силу, притягивающую частицы ближе друг к другу. Следовательно, это явление противоположно тому, которое обычно наблюдается в материи, где, если масса материи увеличивается, объект становится больше. В вырожденном газе, когда масса увеличивается, частицы становятся ближе друг к другу из-за силы тяжести (и давление увеличивается), поэтому объект становится меньше. Вырожденный газ можно сжимать до очень высоких плотностей, типичные значения которых находятся в диапазоне 10 000 килограммов на кубический сантиметр. Существует верхний предел массы электронно-вырожденного объекта, предел Чандрасекара, за которым давление электронного вырождения не может поддерживать объект от коллапса. Предел составляет примерно 1,44 массы Солнца для объектов с типичным составом, ожидаемым для белых карликов (углерод и кислород с двумя барионами на электрон). Такое массовое обрезание подходит только для звезды, поддерживаемой идеальным давлением вырождения электронов под действием ньютоновской гравитации; в общей теории относительности и с реалистичными кулоновскими поправками соответствующий предел массы составляет около 1,38 массы Солнца. Предел также может меняться в зависимости от химического состава объекта, так как он влияет на отношение массы к количеству присутствующих электронов. Вращение объекта, которое противодействует силе гравитации, также изменяет предел для любого конкретного объекта. Небесные объекты ниже этого предела - это белые карликовые звезды, образованные в результате постепенного сжатия ядер звезд, у которых заканчивается топливо. Во время этого сжатия в ядре образуется электронно-вырожденный газ, обеспечивающий достаточное давление вырождения, поскольку он сжимается, чтобы противостоять дальнейшему схлопыванию. Выше этого предела массы вместо этого может образоваться нейтронная звезда (в первую очередь поддерживаемая давлением нейтронного вырождения) или черная дыра. Нейтронное вырождение Основная статья: Нейтронная звезда Нейтронное вырождение аналогично электронному вырождению и демонстрируется в нейтронных звездах, которые частично поддерживаются давлением вырожденного нейтронного газа. Коллапс происходит, когда ядро белого карлика превышает примерно 1,4 массы Солнца, что является пределом Чандрасекара, выше которого коллапс не останавливается давлением вырожденных электронов. Когда звезда коллапсирует, энергия Ферми электронов увеличивается до такой степени, что для них энергетически выгодно объединяться с протонами для образования нейтронов (через обратный бета-распад, также называемый захватом электронов). В результате получается чрезвычайно компактная звезда, состоящая из ядерной материи, которая представляет собой преимущественно вырожденный нейтронный газ, иногда называемый нейтронием, с небольшой примесью вырожденного протонного и электронного газов. Нейтроны в вырожденном нейтронном газе расположены гораздо ближе друг к другу, чем электроны в электронно-вырожденном газе, потому что более массивный нейтрон имеет гораздо более короткую длину волны при данной энергии. В случае нейтронных звезд и белых карликов это явление усугубляется тем фактом, что давление внутри нейтронных звезд намного выше, чем в белых карликах. Повышение давления вызвано тем, что компактность нейтронной звезды приводит к тому, что гравитационные силы намного выше, чем в менее компактном теле с аналогичной массой. В результате получилась звезда диаметром порядка одной тысячной от диаметра белого карлика. Существует верхний предел массы нейтронно-вырожденного объекта, предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова, который аналогичен пределу Чандрасекара для электронно-вырожденных объектов. Теоретический предел для нерелятивистских объектов, поддерживаемых давлением идеального нейтронного вырождения, составляет всего 0,75 массы Солнца; однако с более реалистичными моделями, включающими барионное взаимодействие, точный предел неизвестен, поскольку он зависит от уравнений состояния ядерной материи, для которых высокоточная модель еще не доступна. Выше этого предела нейтронная звезда может коллапсировать в черную дыру или в другие плотные формы вырожденного вещества. Протонное вырождение Достаточно плотная материя, содержащая протоны, испытывает давление вырождения протонов, подобно давлению вырождения электронов в материи, вырожденной электронами: протоны, ограниченные достаточно малым объемом, имеют большую неопределенность в их импульсе из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Однако, поскольку протоны намного массивнее электронов, тот же импульс представляет собой гораздо меньшую скорость для протонов, чем для электронов. В результате в веществе с примерно равным числом протонов и электронов давление вырождения протонов намного меньше давления вырождения электронов, и вырождение протонов обычно моделируется как поправка к уравнениям состояния вещества, вырожденного из электронов. Кварковое вырождение Основные статьи: Кварковая звезда и Странная звезда Ожидается, что при плотностях, превышающих те, которые поддерживаются нейтронным вырождением, возникнет кварковая материя. Было предложено несколько вариантов этой гипотезы, которые представляют вырожденные по кварку состояния. Странная материя - это вырожденный газ кварков, который, как часто предполагается, содержит странные кварки в дополнение к обычным верхним и нижним кваркам. Цветные сверхпроводящие материалы представляют собой вырожденные газы кварков, в которых кварки образуют пары, аналогичные спариванию Купера в электрических сверхпроводниках. Уравнения состояния для различных предлагаемых форм кварк-вырожденной материи широко различаются и обычно также плохо определены из-за сложности моделирования сильных силовых взаимодействий. Кварк-вырожденная материя может встречаться в ядрах нейтронных звезд в зависимости от уравнений состояния нейтронно-вырожденной материи. Это также может происходить в гипотетических кварковых звездах, образованных в результате коллапса объектов, превышающих предел массы Толмена – Оппенгеймера – Волкова для нейтронно-вырожденных объектов. Образуется ли вообще кварк-вырожденная материя в этих ситуациях, зависит от уравнений состояния как нейтронно-вырожденной материи, так и кварк-вырожденной материи, оба из которых малоизвестны. Кварковые звезды считаются промежуточной категорией между нейтронными звездами и черными дырами. Смотрите также Вырожденные уровни энергии Теория ферми-жидкости Гравитационное замедление времени Волна материи Металлический водород Вырожденная материя - https://ru.abcdef.wiki/wiki/Degenerate_matter