Войти
Черные дыры микро, также называемые квантово-механическими черными дырами или мини-черные дыры - это гипотетические крошечные черные дыры, для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. Представление о том, что могут существовать черные дыры, которые меньше звездной массы, было введено в 1971 году Стивеном Хокингом.
. Возможно, такие квантовые первичные черные дыры были созданы в среде с высокой плотностью ранняя Вселенная (или Большой взрыв ), или, возможно, через последующие фазовые переходы. Их могут наблюдать астрофизики через частицы, которые, как ожидается, они испускают излучением Хокинга.
Некоторые гипотезы, связанные с дополнительными космическими измерениями, предсказывают, что микрочерные черные дыры могут образовываться при таких низких энергиях, как ТэВ, которые доступны в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер. Затем возникла популярная озабоченность по поводу сценариев конца света (см. Безопасность столкновений частиц на Большом адронном коллайдере ). Однако такие квантовые черные дыры мгновенно испарялись бы либо полностью, либо с очень слабо взаимодействующим остатком. Помимо теоретических аргументов, космические лучи, падающие на Землю, не причиняют никакого ущерба, хотя они достигают энергий в диапазоне сотен ТэВ.
В принципе, черная дыра может иметь любую массу, равную или превышающую примерно 2,2 × 10 кг или 22 микрограмм ( Планковская масса ). Чтобы создать черную дыру, нужно сконцентрировать массу или энергию в достаточной степени, чтобы скорость убегания из области, в которой она сконцентрирована, превышала скорость света. Это условие дает радиус Шварцшильда, R = 2GM / c, где G - гравитационная постоянная, c - скорость света, а M - масса черной дыры. С другой стороны, длина волны Комптона, λ = h / Mc, где h - постоянная Планка, представляет собой ограничение на минимальный размер области, в которой масса M при остальное можно локализовать. Для достаточно малых M приведенная длина волны Комптона (ƛ = ħ / Mc, где ħ - приведенная постоянная Планка ) превышает половину радиуса Шварцшильда, и описания черной дыры не существует. Таким образом, эта наименьшая масса черной дыры приблизительно равна массе Планка.
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 особых конфигурациях дополнительных измерений этот эффект может снизить планковский масштаб до диапазона ТэВ. Примеры таких расширений включают большие дополнительные измерения, особые случаи модели Рэндалла – Сундрама и конфигурации теории струн, такие как решения GKP. В таких сценариях образование черных дыр могло бы стать важным и наблюдаемым эффектом на Большом адронном коллайдере (LHC). Это также было бы обычным природным явлением, вызванным космическими лучами.
. Все это предполагает, что теория общей теории относительности остается в силе на таких малых расстояниях. Если это не так, то другие, пока неизвестные эффекты могут ограничить минимальный размер черной дыры. Элементарные частицы обладают квантово-механическим собственным угловым моментом (спином ). Правильный закон сохранения для полного (орбитального плюс спин) углового момента вещества в искривленном пространстве-времени требует, чтобы пространство-время было оснащено кручением. Самая простая и естественная теория гравитации с кручением - это теория Эйнштейна – Картана. Кручение модифицирует уравнение Дирака в присутствии гравитационного поля и вызывает пространственное расширение частиц фермиона . В этом случае пространственное распространение фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры порядка 10 кг, показывая, что микрочерные дыры могут не существовать. Энергия, необходимая для создания такой черной дыры, на 39 порядков больше энергии, доступной на Большом адронном коллайдере, что указывает на то, что LHC не может производить мини-черные дыры. Но если черные дыры образуются, то общая теория относительности оказывается неверной и не существует на таких малых расстояниях. Правила общей теории относительности будут нарушены, поскольку это согласуется с теориями о том, как материя, пространство и время разрушаются вокруг горизонта событий черной дыры. Это также доказало бы, что пространственные расширения пределов фермионов неверны. Пределы фермионов предполагают минимальную массу, необходимую для поддержания черной дыры, в отличие от противоположной минимальной массы, необходимой для запуска черной дыры, которая теоретически достижима в LHC при определенных условиях.
В 1975 году Стивен Хокинг утверждал, что из-за квантовых эффектов черные дыры «испаряются» в результате процесса, который сейчас называют Излучение Хокинга, в котором испускаются элементарные частицы (такие как фотоны, электроны, кварки, глюоны ). Его расчеты показали, что чем меньше размер черной дыры, тем выше скорость испарения, что приводит к внезапному взрыву частиц, так как черная дыра внезапно взрывается.
Любая первичная черная дыра достаточно малой массы испарится почти до планковской массы за время жизни Вселенной. В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Грубая картина этого состоит в том, что пары виртуальных частиц выходят из вакуума около горизонта событий, причем один член пары захватывается, а другой побег из окрестности черной дыры. Конечный результат - черная дыра теряет массу (из-за сохранения энергии ). Согласно формулам термодинамики черной дыры, чем больше черная дыра теряет массу, тем горячее она становится и тем быстрее испаряется, пока не приближается к массе Планка. На этом этапе черная дыра будет иметь температуру Хокинга TP / 8π (5,6 × 10 К), что означает, что испускаемая частица Хокинга будет иметь энергию, сравнимую с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание нарушается. Такая микрочерная дыра также будет иметь энтропию всего 4π нат, что приблизительно равно минимально возможному значению. На этом этапе объект больше не может быть описан как классическая черная дыра, и расчеты Хокинга также не работают.
Хотя излучение Хокинга иногда ставится под сомнение, Леонард Сасскинд резюмирует точку зрения эксперта в своей книге «Война с черной дырой»: «Время от времени появляются статьи по физике, утверждающие, что черные дыры не Такие бумаги быстро исчезают в бесконечной куче ненужных идей. "
Предположения об окончательной судьбе черной дыры включают полное испарение и образование Остаток черной дыры размером с планковскую массу. Такие черные дыры планковской массы 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 это были бы слабовзаимодействующие массивные частицы ; это могло бы объяснить темную материю.
Создание черной дыры требует концентрации массы или энергии в пределах соответствующего радиуса Шварцшильда. Зельдович и Новиков сначала выдвинули гипотезу, а Хокинг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о том, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была достаточно плотной, чтобы любая заданная область пространства поместилась в пределах ее собственного радиуса Шварцшильда. Несмотря на это, в то время Вселенная не могла схлопнуться в сингулярность из-за однородного распределения массы и быстрого роста. Однако это не исключает полностью возможности локального возникновения черных дыр различных размеров. Образовавшаяся таким образом черная дыра называется изначальной черной дырой и является наиболее широко принятой гипотезой о возможном создании черных микродыр. Компьютерное моделирование предполагает, что вероятность образования первичной черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Таким образом, наиболее вероятным исходом будут микрочерные дыры.
Первоначальная черная дыра с начальной массой около 10 кг завершила бы свое испарение сегодня; менее массивная изначальная черная дыра уже испарилась бы. В оптимальных условиях спутник Fermi Gamma-ray Space Telescope, запущенный в июне 2008 года, мог бы обнаружить экспериментальные свидетельства испарения близлежащих черных дыр, наблюдая гамма-всплески. Маловероятно, что столкновение микроскопической черной дыры с таким объектом, как звезда или планета, будет заметным. Малый радиус и высокая плотность черной дыры позволили бы ей пройти прямо через любой объект, состоящий из нормальных атомов, при этом взаимодействуя только с некоторыми из своих атомов. Однако было высказано предположение, что небольшая черная дыра достаточной массы, проходящая через Землю, будет производить обнаруживаемый акустический или сейсмический сигнал.
В привычной трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры составляет 10 ГэВ (эквивалент 1,6 ГДж или 444 кВтч ), которые необходимо было бы сжать до области порядка планковской длины. Это далеко за пределами любой современной технологии. Подсчитано, что для столкновения двух частиц на расстоянии планковской длины с достижимой в настоящее время напряженностью магнитного поля потребуется кольцевой ускоритель диаметром около 1000 световых лет, чтобы частицы не сбились с пути. Стивен Хокинг также сказал в главе 6 своей Краткой истории времени, что физик Джон Арчибальд Уилер однажды подсчитал, что очень мощная водородная бомба, использующая все дейтерий во всей воде на Земле также может образовать такую черную дыру, но Хокинг не предоставляет этого расчета или каких-либо ссылок на него, чтобы поддержать это утверждение.
Однако в некоторых сценариях, связанных с дополнительными измерениями пространства, масса Планка может составлять всего ТэВ. Большой адронный коллайдер (LHC) имеет расчетную энергию 14 ТэВ для протон -протонных столкновений и 1150 ТэВ для Pb -Pb. столкновения. В 2001 году утверждалось, что в этих обстоятельствах образование черных дыр может быть важным и наблюдаемым эффектом на LHC или будущих коллайдерах с более высокими энергиями. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская брызги частиц, которые могут быть замечены детекторами на этих объектах. В статье Чоптуика и Преториуса, опубликованной в 2010 году в Physical Review Letters, представлено компьютерное доказательство того, что микрочерные дыры должны образовываться из двух сталкивающихся частиц с достаточной энергией, что может быть допустимо при энергиях LHC, если присутствуют дополнительные измерения, кроме обычных четырех (три пространственных, одно временное ).
расчет Хокинга и более общие квантово-механические аргументы предсказывают, что микрочерные дыры испаряются почти мгновенно.Дополнительные аргументы безопасности помимо аргументов, основанных на излучении Хокинга, были приведены в статье, которая показала, что в гипотетических сценариях со стабильными черными дырами, которые могут повредить Землю, такие черные дыры были бы созданы космические лучи и уже уничтожили бы известные астрономические объекты, такие как Земля, Солнце, нейтронные звезды или белые карлики.
Возможно, в некоторых теории квантовой гравитации, чтобы вычислить квантовые поправки к обычным классическим черным дырам. В отличие от обычных черных дыр, которые являются решениями уравнений гравитационного поля общей теории относительности, квантово-гравитационные черные дыры включают эффекты квантовой гравитации в окрестности начала координат, где обычно возникает сингулярность кривизны. Согласно теории, используемой для моделирования эффектов квантовой гравитации, существуют различные виды черных дыр квантовой гравитации, а именно петлевые квантовые черные дыры, некоммутативные черные дыры, асимптотически безопасные черные дыры. В этих подходах черные дыры лишены сингулярностей.
Виртуальные микрочерные дыры были предложены Стивеном Хокингом в 1995 году и в 1999 году как часть теории Великого объединения в качестве кандидата на квантовую гравитацию.
Звездный портал 