7.31_pm_黑洞物理_一个新前沿_蔡荣根

黑洞物理:一个新前沿蔡荣根中科院理论物理研究所*引力是自然界四种基本相互作用力之一。（其它三种：电磁作用，强相互作用和弱相互作用）*从牛顿的万有引力定律到爱因斯坦的广义相对论问题：（1）广义相对论成立从亚毫米到太阳系尺度（2）广义相对论是经典理论，引力的量子性质如何？引力理论&宇宙学:(1)超弦理论:第二次革命(E.Witten,1995,J.Polchinski,1995)(2)引力的全息性质:引力的本质(‘tHooft,1993,L.Susskind,1994)(3)膜世界图象:一种新的世界观(L.RandallandR.Sundrum,1999)（4）精确宇宙学时代（sinceCOBE,1992)(P.-S.Laplace,1749-1827,France)黑洞是什么？“天空中最重的天体是看不见的!”MRv/vMGR牛顿引力理论：设想光子的质量为m,某一天体的质量为M,半径为R,则光子的动能和势能分别为：212kGMmpREmcE当动能小于势能时，这一天体是黑的！22GMcR引力塌缩和致密星天体质量半径表面引力太阳1110^(-6)白矮星1.410^(-2)10^(-4)中子星1-310^(-5)10^(-1)黑洞32GM/c^21黑洞存在的证据：sun~RRsun~1,200,000,000MMM~120亿太阳质量2rvGMBlackHoleinActiveGalaxyM87sunRRsune~3,000,000,000MMM~30亿个太阳质量每个星系中心都存在一个黑洞，银河系中的黑洞ShenZQetal,Nature438,62(2005):ASizeofSimilarto1AUfortheRadioSourceSgrA*attheCentreoftheMilkyWay黑洞的形成：数字模拟引力塌缩的临界现象*~()()MCppp0.374(M.Choptuik,1993)数值相对论近十年的最大成就！标量场塌缩不形成黑洞！标量场塌缩形成黑洞！*~()()MCppp广义相对论和黑洞：(A.Einstein,1879-1955)Einstein’sequations（1915）:128RRgGT第一个黑洞解：Schwarzschild黑洞(K.Schwarzschild,1873-1916)221222222(1)(1)GMGMrrdsdtdrrd真空的爱因斯坦场方程的精确解，描写一个天体的引力场。当这一天体的半径2GM,它就是一个黑洞。黑洞的无毛定理（no-hairtheorem):(W.Israel)1)Schwarzschildsolution2)Reissner-Nordstromsolution3)Kerr-Newmansolution(Israel,1967,1968,MullerzumHagenetal,1973,Robinson1977,….)2LRF视界Kerr-Newman黑洞M,J,Q无毛定理（NoHairTheorem）黑洞的经典性质：1960s（1974年以前），黑洞的黑暗时期！(J.Wheeler,1911-2008)(Y.Zel’dovich,1914-1987)(D.Sciama,1926-1999)(S.Hawking,1942-present)(R.Pensore,1931-present)The0thlawk=const.The1stlawdM=kdA/8πG+JdΩ+ΦdQThe2ndlawdA0The3rdlawk-0经典黑洞的性质：黑洞力学四定律（k,表面引力，类似于引力加速度）(J.M.Bardeen,B.Carter,S.Hawking,CMP,1973)Wheeler问：假如某个热力学体系掉入黑洞，将导致什么？热力学第二定律将违背吗？J.Bekenstein（1973）：黑洞有热力学熵！S~A,视界面积Hawking不以为然,大力反对Bekenstein的观点！可是考虑了黑洞周围的量子力学后，Hawking（1974，1975）发现黑洞不黑，有热辐射！128TRRgGForSchwarzschildblackhole,3/8TckGMThe0thlawT=Const.onthehorizonThe1stlawdM=TdS+JdΩ+ΦdQThe2ndlawd(SBH+Smatter)=0The3rdlawT-0黑洞热力学四定律：InformationLossParadox(信息丢失佯谬）S.Hawking,PRD,1976;abetestablishedin1997从黑洞热力学，我们学到的重要一课：E,SM,SV,AV,AS~VS~A普通的热力学体系黑洞BlackholeisawindowtoquantumgravityThermodynamicsofblackhole：（S.Hawking,1974,J.Bekenstein,1973)在表面面积为A的引力体系中，SA/4G(t‘Hooft,1993)(L.Susskind,1994)引力的全息性质（Holography)：引力体系的自由度就象分布在这一体系的表面上一样。或者说人们可以用这一引力体系的表面自由度来描述整个引力体系。一个D维包含引力的理论===一个（D-1)维不包含引力的理论(C.Vafa)(A.Strminger)事情的另一方面是关于黑洞熵的统计自由度！（StringTheory,1996)InLoopQuantumGravity(A.Ashtekar,J.Baez,A.CorichiandK.Krannov,PRL,1998)全息原理在弦论中的实现(1997)：（J.Maldacena)在反德西特时空（带一个紧致空间）上的超弦理论（或M理论）等价（对偶）于在这个反德西特时空边界上的一个共形场论。典型例子：IIBsuperstringtheoryonAdS5xS5N=4SYMTheory(E.Witten)(A.Polyakov)(I.Klebanov)(S.Gubser)AdS/CFTcorrespondence(J.Maldacena,1997)“RealconceptualchangeinourthinkingaboutGravity.”(E.Witten,Science285(1999)512)IIBsuperstringtheoryonAdS5xS5N=4SYMTheoryAdS/CFT对偶性字典:这里有二个解释:在引力这边:这些对应在AdSbulk中传播的场的边界值。在AdS边界上场论这一边:这些场相应于边界共形场论许多算符耦合的外源。AdS/CFT,证据如何？（1）整体对称性:AdS_5XS^5~N=4SYM（2）关联函数的计算AdS/CFTConjecture：理论价值？应用价值？强耦合系统QCD高温超导……QCD相图：如何从AdS/CFT来理解低能QCD的性质？(1)top-down(从上到下）(2)bottom-up（从下往上）1)AdS/QCDRHIC’sheavyIonCollisionPRL98,172301(2007),nucl-ex/0611018PRL99,172301(2007),nucl-ex/0706.1522RHIC:AdS/CFT:Kovtun,SonandStarinet,PRL(05)（Caietal,2008,2009,2010)(Briganteetal,PRL2008)Holographicsuperconductormodels(全息超导）1950,Landau-Ginzburgtheory1957,BCStheory:interactionswithphonons超导现象：电阻消失(H.Onnes,1911)Meissnereffect(1933)1980’s:高温超导，2000’s:铁基超导2)AdS/CMT如何实现一个全息超导模型？CFTAdS/CFT引力整体对称性阿贝尔规范场标量算符标量场温度黑洞相变高温/无毛；低温/有毛BuildingaholographicsuperconductorS.Hartnoll,C.P.HerzogandG.Horowitz,arXiv:0803.3295PRL101,031601(2008)高温相（无毛黑洞):一个普适的能隙（gap):~10%BCStheory:3.5K.Gomesetal,Nature447,569(2007)3)HolographicopticsandnegativerefractiveindexA.Amaritietal.,arXiv:1006.5714ThefreepropagationoflightincurvedspacetimeThepropagationoflightinsideamaterialinflatspaceMetamaterials:cloakingdevices,perfectlenses,photonicblackholesSomewithnegativerefractiveindex(left-handedmaterials)[V.G.Veselago,Sov.Phys.Usp10,509(1968)][R.A.Shelbyetal.,Science292,77(2001)]Einstein’sFieldEquations:IncompressibleNavier-StokesEquations:182RgRGT4）引力理论和流体力学的关系a)Blackholes:TheMembraneParadigm,1986b)GravityandHydrodynamics:Lecturesonthefluid-gravitycorrespondenceM.Rangamani,Class.Quant.Grav.26:224003,2009引力与热力学和流体力学一样，具有相当的普适性研究这两者的关系利用非平衡流体力学来研究动力学时空的性质动力学黑洞的热力学性质，应用于QGP利用引力理论来研究流体力学中的问题如激波，湍流……ClayMathematicsInstitute()ThesevenMillenniumPrizeProblems(US$7million):1)BirchandSwinnerton-DyerConjecture2)HodgeConjecture3)Navier-Stokesequations4)PvsNP5)PoincareConjecture6)RiemannHypothesis7)Yang-MillstheoryAdS/CFT和七个千禧年问题Wavesfollowourboataswemeanderacrossthelake,andturbulentaircurrentsfollowourflightinamodernjet.MathematiciansandphysicistsbelievethatanexplanationforandthepredictionofboththebreezeandtheturbulencecanbefoundthroughanunderstandingofsolutionstotheNavier-Stokesequations.Althoughtheseequationswerewrittendowninthe19thCentury,ourunderstandingofthemremainsminimal.ThechallengeistomakesubstantialprogresstowardamathematicaltheorywhichwillunlockthesecretshiddenintheNavier-Stokesequations.Navier-StokesEquation:Thelaw