stringtranslate.com

Микро черная дыра

Микрочерные дыры , также называемые мини-черными дырами или квантово-механическими черными дырами , являются гипотетическими крошечными (<1 M ☉ ) черными дырами , для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. [1] Концепция о том, что могут существовать черные дыры, масса которых меньше массы звезды, была введена в 1971 году Стивеном Хокингом . [2]

Возможно, что такие черные дыры были созданы в высокоплотной среде ранней Вселенной (или Большого взрыва ), или, возможно, через последующие фазовые переходы (называемые первичными черными дырами ). Астрофизики могли бы наблюдать их через частицы, которые они, как ожидается, испускают в результате излучения Хокинга . [3]

Некоторые гипотезы, включающие дополнительные пространственные измерения, предсказывают, что микрочерные дыры могут быть сформированы при энергиях в диапазоне ТэВ , которые доступны в ускорителях частиц , таких как Большой адронный коллайдер . Затем были высказаны популярные опасения по поводу сценариев конца света (см. Безопасность столкновений частиц на Большом адронном коллайдере ). Однако такие квантовые черные дыры мгновенно испарятся, либо полностью, либо оставят только очень слабо взаимодействующий остаток. [ необходима цитата ] Помимо теоретических аргументов, космические лучи, попадающие на Землю, не наносят никакого ущерба, хотя они достигают энергий в диапазоне сотен ТэВ .

Минимальная масса черной дыры

В своих ранних рассуждениях Стивен Хокинг предположил, что черная дыра не может образоваться при массе ниже примерно10−8  кг (примерно масса Планка ). [2] Чтобы создать черную дыру, необходимо сконцентрировать массу или энергию в достаточной степени, чтобы скорость выхода из области, в которой она сконцентрирована, превышала скорость света .

Некоторые расширения современной физики постулируют существование дополнительных измерений пространства. В многомерном пространстве-времени сила гравитации увеличивается быстрее с уменьшением расстояния, чем в трехмерном. При определенных специальных конфигурациях дополнительных измерений этот эффект может понизить планковскую шкалу до диапазона ТэВ. Примерами таких расширений являются большие дополнительные измерения , особые случаи модели Рэндалла–Сундрума и конфигурации теории струн , такие как решения GKP. В таких сценариях образование черных дыр, возможно, может быть важным и наблюдаемым эффектом на Большом адронном коллайдере (БАК). [1] [4] [5] [6] [7] Это также будет обычным естественным явлением, вызванным космическими лучами .

Все это предполагает, что общая теория относительности остается справедливой на этих малых расстояниях. Если это не так, то другие, неизвестные в настоящее время, эффекты могут ограничить минимальный размер черной дыры. Элементарные частицы снабжены квантово-механическим, внутренним угловым моментом ( спином ). Правильный закон сохранения для полного (орбитального плюс спин) углового момента материи в искривленном пространстве-времени требует, чтобы пространство-время было снабжено кручением . Простейшей и наиболее естественной теорией гравитации с кручением является теория Эйнштейна-Картана . [8] [9] Кручение изменяет уравнение Дирака в присутствии гравитационного поля и заставляет фермионные частицы быть пространственно протяженными. В этом случае пространственное расширение фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры, которая составляет порядка10 16  кг , показывая, что микрочерные дыры могут не существовать. Энергия, необходимая для создания такой черной дыры, на 39 порядков больше, чем энергии, доступные на Большом адронном коллайдере, указывая на то, что LHC не может создавать мини-черные дыры. Но если черные дыры создаются, то общая теория относительности оказывается неверной и не существует на таких малых расстояниях. Правила общей теории относительности будут нарушены, что согласуется с теориями о том, как материя, пространство и время разрушаются вокруг горизонта событий черной дыры. Это докажет, что пространственные расширения фермионных пределов также неверны. Фермионные пределы предполагают минимальную массу, необходимую для поддержания черной дыры, в отличие от противоположного, минимальной массы, необходимой для начала черной дыры, что в теории достижимо в LHC при некоторых условиях. [10] [11]

Стабильность

излучение Хокинга

В 1975 году Стивен Хокинг утверждал, что из-за квантовых эффектов черные дыры «испаряются» посредством процесса, который теперь называется излучением Хокинга , при котором испускаются элементарные частицы (такие как фотоны , электроны , кварки и глюоны ). [3] Его расчеты показали, что чем меньше размер черной дыры, тем выше скорость испарения, что приводит к внезапному всплеску частиц, когда микрочерная дыра внезапно взрывается.

Любая первичная черная дыра достаточно малой массы испарится до массы, близкой к массе Планка , в течение жизни Вселенной. В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Грубая картина этого такова: пары виртуальных частиц появляются из вакуума вблизи горизонта событий , причем один член пары захватывается, а другой покидает окрестности черной дыры. Конечный результат заключается в том, что черная дыра теряет массу (из-за сохранения энергии ). Согласно формулам термодинамики черных дыр , чем больше черная дыра теряет массу, тем горячее она становится и тем быстрее она испаряется, пока не приблизится к массе Планка. На этом этапе черная дыра будет иметь температуру Хокинга ⁠Т П/8π⁠ (5,6 × 10 30  K ), что означает, что испущенная частица Хокинга будет иметь энергию, сравнимую с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание рушится. Такая микрочерная дыра также имела бы энтропию всего 4 π  nats , что приблизительно равно минимально возможному значению. В этот момент объект больше не может быть описан как классическая черная дыра, и вычисления Хокинга также рушатся.

Хотя излучение Хокинга иногда подвергается сомнению, [12] Леонард Сасскинд суммирует экспертную точку зрения в своей книге «Война черных дыр »: «Время от времени появляются статьи по физике, утверждающие, что черные дыры не испаряются. Такие статьи быстро исчезают в бесконечной свалке маргинальных идей». [13]

Предположения относительно конечного состояния

Предположения о конечной судьбе черной дыры включают полное испарение и создание остатка черной дыры с массой Планка . Такие черные дыры с массой Планка могут фактически быть стабильными объектами, если квантованные промежутки между их разрешенными уровнями энергии не позволяют им испускать частицы Хокинга или поглощать энергию гравитационно, как классическая черная дыра. В таком случае они были бы слабо взаимодействующими массивными частицами ; это могло бы объяснить темную материю . [14]

Первичные черные дыры

Формирование в ранней Вселенной

Для образования черной дыры требуется концентрация массы или энергии в пределах соответствующего радиуса Шварцшильда . Сначала Зельдович и Новиков, а затем независимо Хокинг предположили, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была достаточно плотной для того, чтобы любая заданная область пространства уместилась в ее собственном радиусе Шварцшильда. Тем не менее, в то время Вселенная не могла схлопнуться в сингулярность из-за ее равномерного распределения массы и быстрого роста. Это, однако, не полностью исключает возможность того, что черные дыры различных размеров могли возникнуть локально. Черная дыра, образованная таким образом, называется первичной черной дырой и является наиболее широко принятой гипотезой о возможном создании микрочерных дыр. Компьютерное моделирование показывает, что вероятность образования первичной черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Таким образом, наиболее вероятным результатом были бы микрочерные дыры. [ необходима цитата ]

Ожидаемые наблюдаемые эффекты

Первичная черная дыра с начальной массой около10 12  кг сегодня завершали бы свое испарение; менее массивная первичная черная дыра уже бы испарилась. [1] При оптимальных условиях спутник космического гамма-телескопа Ферми , запущенный в июне 2008 года, мог бы обнаружить экспериментальные доказательства испарения близлежащих черных дыр, наблюдая за всплесками гамма-излучения . [15] [16] [17] Маловероятно, что столкновение микроскопической черной дыры с таким объектом, как звезда или планета, было бы заметно. Малый радиус и высокая плотность черной дыры позволили бы ей пройти прямо через любой объект, состоящий из обычных атомов, взаимодействуя при этом лишь с несколькими его атомами. Однако было высказано предположение, что небольшая черная дыра достаточной массы, проходящая через Землю, произвела бы обнаруживаемый акустический или сейсмический сигнал. [18] [19] [20] [a] На Луне она может оставить особый тип кратера, все еще видимого спустя миллиарды лет. [21]

Искусственно созданные микрочерные дыры

Возможность производства

В привычной трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры равна10 16  ТэВ (эквивалентно 1,6 ГДж или 444 кВт·ч ), что должно быть сжато в область порядка длины Планка . Это далеко за пределами возможностей любой современной технологии. Подсчитано [ требуется ссылка ], что для столкновения двух частиц на расстоянии в пределах длины Планка с достижимыми в настоящее время значениями напряженности магнитного поля потребуется кольцевой ускоритель диаметром около 1000 световых лет, чтобы удерживать частицы на пути.

Однако в некоторых сценариях, включающих дополнительные измерения пространства, масса Планка может быть столь же низкой, как диапазон ТэВ . Большой адронный коллайдер (БАК) имеет проектную энергию14  ТэВ для столкновений протонов и 1150 ТэВ для столкновений Pb –Pb. В 2001 году утверждалось, что в этих обстоятельствах образование черных дыр может быть важным и наблюдаемым эффектом на LHC [4] [5] [6] [7] [22] или будущих коллайдерах с более высокими энергиями. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская брызги частиц, которые могли бы быть видны детекторами на этих установках. [4] [5] В статье Чоптуика и Преториуса, опубликованной в 2010 году в Physical Review Letters , было представлено компьютерное доказательство того, что микрочерные дыры должны образовываться из двух сталкивающихся частиц с достаточной энергией, которая может быть допустима при энергиях LHC, если присутствуют дополнительные измерения, отличные от обычных четырех ( три пространственных, одно временное ). [23] [24]

Аргументы безопасности

Расчет Хокинга [2] и более общие квантово-механические аргументы предсказывают, что микрочерные дыры испаряются почти мгновенно. Дополнительные аргументы безопасности, помимо основанных на излучении Хокинга, были приведены в статье [25] [26] , которая показала, что в гипотетических сценариях со стабильными микрочерными дырами, достаточно массивными, чтобы уничтожить Землю, такие черные дыры были бы созданы космическими лучами и, вероятно, уже уничтожили бы астрономические объекты, такие как планеты, звезды или звездные остатки, такие как нейтронные звезды и белые карлики .

Черные дыры в квантовых теориях гравитации

В некоторых теориях квантовой гравитации возможно вычислить квантовые поправки к обычным классическим черным дырам. В отличие от обычных черных дыр, которые являются решениями уравнений гравитационного поля общей теории относительности , квантовые гравитационные черные дыры включают эффекты квантовой гравитации вблизи начала координат, где классически возникает сингулярность кривизны. Согласно теории, используемой для моделирования эффектов квантовой гравитации, существуют различные виды квантовых гравитационных черных дыр, а именно петлевые квантовые черные дыры, некоммутативные черные дыры и асимптотически безопасные черные дыры. В этих подходах черные дыры не имеют сингулярности. [ необходима цитата ]

Виртуальные микрочерные дыры были предложены Стивеном Хокингом в 1995 году [27] и Фабио Скардигли в 1999 году как часть Великой объединенной теории в качестве кандидата на квантовую гравитацию . [28]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Радиус Шварцшильда10 12  кг черная дыра составляет примерно148 фм (1,48 × 10−13  м ), что намного меньше атома, но больше атомного ядра .

Ссылки

  1. ^ abc Carr, BJ; Giddings, SB (2005). «Квантовые черные дыры». Scientific American . 292 (5): 48–55. Bibcode : 2005SciAm.292e..48C. doi : 10.1038/scientificamerican0505-48. PMID  15882021.
  2. ^ abc Хокинг, Стивен У. (1971). «Гравитационно коллапсирующие объекты очень малой массы». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 152 : 75. Bibcode : 1971MNRAS.152...75H. doi : 10.1093/mnras/152.1.75 .
  3. ^ ab Hawking, SW (1975). "Создание частиц черными дырами". Communications in Mathematical Physics . 43 (3): 199–220. Bibcode :1975CMaPh..43..199H. doi :10.1007/BF02345020. S2CID  55539246.
  4. ^ abc Гиддингс, СБ; Томас, СД (2002). «Высокоэнергетические коллайдеры как фабрики черных дыр: конец физики коротких расстояний». Physical Review D. 65 ( 5): 056010. arXiv : hep-ph/0106219 . Bibcode : 2002PhRvD..65e6010G. doi : 10.1103/PhysRevD.65.056010. S2CID  1203487.
  5. ^ abc Димопулос, С.; Ландсберг, Г.Л. (2001). «Черные дыры на Большом адронном коллайдере». Physical Review Letters . 87 (16): 161602. arXiv : hep-ph/0106295 . Bibcode : 2001PhRvL..87p1602D. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.161602. PMID  11690198. S2CID  119375071.
  6. ^ ab Джонсон, Джордж (11 сентября 2001 г.). «Физики стремятся построить черную дыру». The New York Times . Получено 12 мая 2010 г.
  7. ^ ab "Дело в пользу мини-черных дыр". CERN Courier . Ноябрь 2004 г.
  8. ^ Sciama, Dennis W. (1964). «Физическая структура общей теории относительности». Reviews of Modern Physics . 36 (1): 463–469. Bibcode : 1964RvMP...36..463S. doi : 10.1103/revmodphys.36.463.
  9. ^ Киббл, Том У. Б. (1961). «Лоренц-инвариантность и гравитационное поле». Журнал математической физики . 2 (2): 212–221. Bibcode : 1961JMP.....2..212K. doi : 10.1063/1.1703702.
  10. ↑ Хокинг, Стивен . «Новое предупреждение о конце света». MSNBC.
  11. ^ Popławski, Nikodem J. (2010). «Несингулярные частицы Дирака в пространстве-времени с кручением». Physics Letters B. 690 ( 1): 73–77. arXiv : 0910.1181 . Bibcode : 2010PhLB..690...73P. doi : 10.1016/j.physletb.2010.04.073.
  12. ^ Helfer, AD (2003). «Излучают ли черные дыры?». Reports on Progress in Physics . 66 (6): 943–1008. arXiv : gr-qc/0304042 . Bibcode :2003RPPh...66..943H. doi :10.1088/0034-4885/66/6/202. S2CID  16668175.
  13. ^ Сасскинд, Л. (2008). Война за черную дыру: моя битва со Стивеном Хокингом за то, чтобы сделать мир безопасным для квантовой механики . Нью-Йорк: Little, Brown. ISBN 978-0-316-01640-7.
  14. ^ MacGibbon, JH (1987). «Могут ли реликты испаряющихся черных дыр с массой Планка закрыть Вселенную?». Nature . 329 (6137): 308–309. Bibcode : 1987Natur.329..308M. doi : 10.1038/329308a0. S2CID  4286464.
  15. ^ Barrau, A. (2000). «Первичные черные дыры как источник космических лучей чрезвычайно высокой энергии». Astroparticle Physics . 12 (4): 269–275. arXiv : astro-ph/9907347 . Bibcode : 2000APh....12..269B. doi : 10.1016/S0927-6505(99)00103-6. S2CID  17011869.
  16. ^ Макки, М. (30 мая 2006 г.). «Спутник может открыть дверь в дополнительное измерение». New Scientist .
  17. ^ "Космический гамма-телескоп Ферми: обнаружение "мини" черной дыры". Архивировано из оригинала 2009-01-17 . Получено 2008-12-03 .
  18. ^ Хриплович, И.Б.; Померанский, А.А.; Продуит, Н.; Рубан, Г.Ю. (2008). «Можно ли обнаружить прохождение малой черной дыры через Землю?». Physical Review D. 77 ( 6): 064017. arXiv : 0710.3438 . Bibcode : 2008PhRvD..77f4017K. doi : 10.1103/PhysRevD.77.064017. S2CID  118604599.
  19. ^ Хриплович, И.Б.; Померанский, А.А.; Продуит, Н.; Рубан, Г.Ю. (2008). «Прохождение малой черной дыры через Землю. Можно ли это обнаружить?». 0801 : 4623. arXiv : 0801.4623 . Bibcode :2008arXiv0801.4623K. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  20. ↑ Кейн, Фрейзер (20 июня 2007 г.). «Жужжат ли внутри Земли микроскопические черные дыры?». Вселенная сегодня .
  21. ^ О'Каллаган, Джонатан (29 сентября 2021 г.). «Лунные кратеры могут раскрыть прошлые столкновения с древними черными дырами». New Scientist . Получено 6 октября 2021 г. .
  22. ^ Шеве, Фил; Риордон, Джеймс; Стайн, Бен (26 сентября 2001 г.). «Женевская черная дыра». Bulletin of Physics News . Том 558. Американский институт физики. Архивировано из оригинала 10.02.2005.
  23. ^ Choptuik, Matthew W. ; Pretorius, Frans (2010). "Столкновения ультрарелятивистских частиц". Phys. Rev. Lett . 104 (11): 111101. arXiv : 0908.1780 . Bibcode : 2010PhRvL.104k1101C. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.111101. PMID  20366461. S2CID  6137302.
  24. ^ Peng, G.-X.; Wen, X.-J.; Chen, Y.-D. (2006). "Новые решения для странглетов с цветовой и вкусовой блокировкой". Physics Letters B. 633 ( 2–3): 314–318. arXiv : hep-ph/0512112 . Bibcode : 2006PhLB..633..314P. doi : 10.1016/j.physletb.2005.11.081. S2CID  118880361.
  25. ^ Гиддингс, СБ; Мангано, МЛ (2008). "Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр масштаба ТэВ". Physical Review D. 78 ( 3): 035009. arXiv : 0806.3381 . Bibcode : 2008PhRvD..78c5009G. doi : 10.1103/PhysRevD.78.035009. S2CID  17240525.
  26. ^ Пескин, М. Э. (2008). «Конец света на Большом адронном коллайдере?». Физика . 1 : 14. Bibcode : 2008PhyOJ...1...14P. doi : 10.1103/Physics.1.14 .
  27. ^ Хокинг, Стивен (1995). «Виртуальные черные дыры». Physical Review D. 53 ( 6): 3099–3107. arXiv : hep-th/9510029 . Bibcode : 1996PhRvD..53.3099H. doi : 10.1103/PhysRevD.53.3099. PMID  10020307. S2CID  14666004.
  28. ^ Скардигли, Фабио (1999). «Обобщенный принцип неопределенности в квантовой гравитации из мысленного эксперимента с микрочерной дырой». Physics Letters B. 452 ( 1–2): 39–44. arXiv : hep-th/9904025 . Bibcode : 1999PhLB..452...39S. doi : 10.1016/S0370-2693(99)00167-7. S2CID  14440837.

Библиография

Внешние ссылки