Ολογραφική εικόνα της κβαντικής ύλης:Από τις μαύρες τρύπες στο πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων
Ένα από τα κεντρικά προβλήματα της σύγχρονης φυσικής υψηλής ενέργειας σχετίζεται με την ικανότητά μας να περιγράφουμε και να εξηγούμε τη συμπεριφορά του πλάσματος κουάρκ-γλουονίου - μια κατάσταση της ύλης που συμβαίνει όταν οι πυρήνες χρυσού ή μολύβδου συγκρούονται σε πολύ υψηλές ενέργειες. Σε θερμοκρασίες περίπου τρισεκατομμυρίων Κέλβιν, τα κουάρκ, που αποτελούν τους ατομικούς πυρήνες, αποκλείονται και αντ' αυτού σχηματίζεται μια «σούπα» από κουάρκ και γκλουόνια. Αυτή η κατάσταση ήταν επίσης αναμενόμενη στο πολύ πρώιμο Σύμπαν, περίπου 10 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ή, πιθανώς, σε ένα κέντρο ενός αστέρα νετρονίων. Η ύλη σε μια τέτοια κατάσταση αλληλεπιδρά έντονα έτσι ώστε οι φυσικοί λένε ότι η αλληλεπίδραση χαρακτηρίζεται από μια «ισχυρή σύζευξη». Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις στην περιγραφή των κβαντικών πεδίων περιορίζονται από το καθεστώς «ασθενούς σύζευξης» και δεν μπορούν να δώσουν λογικά αποτελέσματα για το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων.
Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση υπαγορεύεται από τη διάσημη ολογραφία ή δυαδικό μετρητή/βαρύτητα:μια αντιστοιχία μεταξύ της ασθενούς βαρύτητας στη μία πλευρά και της ισχυρής κβαντικής θεωρίας πεδίου από την άλλη, που ανακαλύφθηκε από τον Juan Maldacena [1]. Από την πλευρά της βαρύτητας, ο ορίζοντας γεγονότων της μαύρης τρύπας έχει θερμοκρασία Hawking που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του πλάσματος στην άλλη πλευρά. Αμέσως μετά το σχηματισμό, μια μαύρη τρύπα βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. εκπέμπει βαρυτικά κύματα, απελευθερώνει την περίσσεια ενέργειας και πλησιάζει στην ισορροπία. Οι χαρακτηριστικές συχνότητες τέτοιας ακτινοβολίας [2] παρατηρήθηκαν πρόσφατα από ανιχνευτές LIGO/VIRGO [3], κάτι που επιβεβαίωσε την ύπαρξη μαύρων οπών και βαρυτικών κυμάτων.
Παραδόξως, λόγω της αρχής της ολογραφίας, τα ίδια χαρακτηριστικά των μαύρων οπών παίζουν κρίσιμο ρόλο στη σωματιδιακή φυσική:οι συχνότητες στις οποίες η μαύρη τρύπα εκπέμπει βαρυτικά κύματα αντιστοιχούν στα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων [4]. Ακολουθώντας αυτές τις ιδέες, οι Kovtun, Son και Starinets προέβλεψαν ένα είδος καθολικής συμπεριφοράς πλάσματος κουάρκ-γλουονίων και οποιασδήποτε κβαντικής ύλης σε κατάσταση «ισχυρής σύζευξης». Το 2008 παρατηρήσεις πλάσματος κουάρκ-γλουονίων κατά τη διάρκεια μιας μικροσκοπικής χρονικής περιόδου στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven) επιβεβαίωσαν την πρόβλεψη αυτής της καθολικότητας [5].
Ωστόσο, οι θεωρητικοί δεν είναι πλήρως ικανοποιημένοι με την ύπαρξη μόνο μιας αποτελεσματικής περιγραφής σε ένα συγκεκριμένο καθεστώς ισχυρής σύζευξης. Θέλουν να μάθουν τον τρόπο με τον οποίο το θέμα εξελίσσεται στο καθεστώς ισχυρής σύζευξης. Για να συμβεί αυτό, θα πρέπει να κατανοήσουμε επίσης τη συμπεριφορά της κβαντικής ύλης στην ενδιάμεση σύζευξη, δηλαδή να κατασκευάσουμε «μια γέφυρα» μεταξύ της παραδοσιακής θεωρίας κβαντικού πεδίου σε ασθενή σύζευξη και της ολογραφικής εικόνας ισχυρής σύζευξης. Πρόσφατα έχει προταθεί [6] ότι η τροποποίηση της θεωρίας του Αϊνστάιν με την προσθήκη υψηλότερων δυνάμεων της καμπυλότητας του χωροχρόνου στις εξισώσεις πεδίου μπορεί να αντιπροσωπεύει το επιθυμητό καθεστώς ενδιάμεσης σύζευξης.
Ωστόσο, δείξαμε [7] ότι οι αντίστοιχες μη Αϊνστάιν μαύρες τρύπες υποφέρουν από την καταστροφική αστάθεια και, επιπλέον, ακόμη και πριν συμβεί η αστάθεια, το χαρακτηριστικό φάσμα τέτοιων μαύρων οπών έχει μια αρκετά περίεργη συμπεριφορά:υπάρχουν τόνοι που έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής και σχεδόν δεν σβήνουν. Αυτοί οι μη αποσυντιθέμενοι τόνοι του φάσματος της μαύρης τρύπας θα σήμαιναν στην άλλη πλευρά της ολογραφίας ότι η κβαντική ύλη, όταν διαταραχθεί, ποτέ ή μετά από πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, δεν χαλαρώνει στην κατάσταση ισορροπίας. Αυτό καθιστά τις θεωρούμενες τροποποιημένες μαύρες τρύπες κακούς υποψηφίους για την επιθυμητή «γέφυρα» μεταξύ των αδύναμων και ισχυρών ζεύξεων.
Αναφορές
- J. M. Maldacena, «The Large N limit of superconformal field theories and supergravity», Int. J. Theor. Phys. 38, 1113 (1999) [Adv. Θεωρ. Μαθηματικά. Phys. 2, 231 (1998)] [arXiv:hep-th/9711200].
- R. A. Konoplya και A. Zhidenko, «Quasinorrmal modes of black holes:From astrophysics to string theory», Rev. Mod. Phys. 83, 793 (2011) [arXiv:1102.4014 [gr-qc]].
- Β. Οι Ρ. Abbott et al. [LIGO Scientific and Virgo Collaborations], «Παρατήρηση Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger», Phys. Αναθ. Lett. 116, αρ. 6, 061102 (2016) [arXiv:1602.03837 [gr-qc]].
- Σ. Kovtun, D. T. Son και A. O. Starinets, «Ιξώδες σε ισχυρά αλληλεπιδρώντες θεωρίες κβαντικού πεδίου από τη φυσική της μαύρης τρύπας», Phys. Αναθ. Lett. 94, 111601 (2005) [arXiv:hep-th/0405231].
- Μ. Luzum and P. Romatschke, «Συμμορφική Σχετικιστική Ιξώδη Υδροδυναμική:Εφαρμογές στα αποτελέσματα RHIC σε s(NN)**(1/2) =200-GeV», Φυσ. Rev. C 78, 034915 (2008) Erratum:[Φυσ. Rev. C 79, 039903 (2009)] [arXiv:0804.4015 [nucl-th]].
- S. Grozdanov, N. Kaplis και A. O. Starinets, «Από ισχυρή σε αδύναμη σύζευξη σε ολογραφικά μοντέλα θερμοποίησης», JHEP 1607, 151 (2016) [arXiv:1605.02173 [hep-th]].
- R. A. Konoplya και A. Zhidenko, «Quasnormal modes of Gauss-Bonnet-AdS black holes:to holographic description of finite coupling», JHEP 1709, 139 (2017) [arXiv:1705.07732 [hep-th]].
Αυτή η μελέτη, Quasnormal modes of Gauss-Bonnet-AdS black holes:προς την ολογραφική περιγραφή της πεπερασμένης σύζευξης δημοσιεύτηκε πρόσφατα από τους Roman Konoplya και Alexander Zhidenko στο Journal of High Energy Physics .
