Микро-черные дыры , также называемые квантово-механическими черными дырами или мини-черными дырами , представляют собой гипотетические крошечные черные дыры , для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. [1] Идея о том, что могут существовать черные дыры, которые меньше звездной массы, была введена в 1971 году Стивеном Хокингом . [2]
Возможно, что такие квантовые первичные черные дыры были созданы в среде с высокой плотностью среды ранней Вселенной (или Большого взрыва ) или, возможно, в результате последующих фазовых переходов. Их могут наблюдать астрофизики через частицы, которые, как ожидается, испускают излучение Хокинга . [ необходима цитата ]
Некоторые гипотезы, связанные с дополнительными космическими измерениями, предсказывают, что микрочерные дыры могут образовываться при энергиях, равных диапазону 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 испарялись бы либо полностью, либо с очень слабо взаимодействующим остатком. [ необходима цитата ] Помимо теоретических аргументов, космические лучи, падающие на Землю, не причиняют никакого ущерба, хотя они достигают энергий в диапазоне сотен ТэВ .
Минимальная масса черной дыры
В принципе, черная дыра может иметь любую массу, равную или превышающую примерно2,21 × 10 -8 кг или 22,1 микрограмм (The массовой Планка ). [2] 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 =2 ГМ/c 2, где G - гравитационная постоянная , c - скорость света, а M - масса черной дыры. С другой стороны, длина волны Комптона , λ = час/Mc, где h - постоянная Планка , представляет собой предел минимального размера области, в которой может быть локализована масса M в состоянии покоя. При достаточно малых M приведенная длина волны Комптона ( ƛ = час/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 с уменьшением расстояния быстрее, чем в трехмерном. При определенных особых конфигурациях дополнительных измерений этот эффект может понизить планковский масштаб до диапазона ТэВ. Примеры таких расширений включают большие дополнительные измерения , частные 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). [1] [3] [4] [5] [6] Это также было бы обычным природным явлением, вызванным космическими лучами .
Все это предполагает, что общая теория относительности остается в силе на этих 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 . [7] [8] Кручение изменяет уравнение Дирака в присутствии гравитационного поля и заставляет фермионные частицы расширяться в пространстве. В этом случае пространственное расширение фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры порядка10 16 кг , показывающий, 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, что 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 некоторых условиях. [9] [10]
Стабильность
Радиация Хокинга
В 1975 году Стивен Хокинг утверждал, что из-за квантовых эффектов черные дыры «испаряются» в результате процесса, называемого теперь излучением Хокинга, в котором испускаются элементарные частицы (такие как фотоны , электроны , кварки , глюоны ). [11] Его расчеты показали, что чем меньше размер черной дыры, тем выше скорость испарения, что приводит к внезапному взрыву частиц, поскольку черная дыра внезапно взрывается.
Любая первичная черная дыра достаточно малой массы испарится почти до массы Планка за время жизни Вселенной. В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Грубая картина состоит в том, что пары виртуальных частиц выходят из вакуума около горизонта событий , причем один член пары захватывается, а другой покидает окрестности черной дыры. В результате черная дыра теряет массу (из-за сохранения энергии ). Согласно формулам термодинамики черной дыры , чем больше черная дыра теряет массу, тем она горячее и тем быстрее испаряется, пока не приблизится к массе Планка. На этом этапе, черная дыра будет иметь Хокинг температуру вТ П/8π (5,6 × 10 32 К ), что означает, что испускаемая частица Хокинга будет иметь энергию, сравнимую с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание нарушается. Такая микро-черная дыра также будет иметь энтропию всего 4 π нат , примерно минимально возможное значение. На данный момент объект больше не может быть описан как классическая черная дыра, и расчеты Хокинга также не работают.
Хотя излучение Хокинга иногда ставится под сомнение, [12] Леонард Сасскинд резюмирует экспертную точку зрения в своей книге «Война с черными дырами»: «Время от времени появляются статьи по физике, в которых утверждается, что черные дыры не испаряются. Такие статьи быстро исчезают в бесконечности куча второстепенных идей ". [13]
Гипотезы о конечном состоянии
Предположения об окончательной судьбе черной дыры включают полное испарение и образование остатка 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 гравитационным путем, как классическая черная дыра. В таком случае они будут слабовзаимодействующими массивными частицами ; это могло объяснить темную материю . [14]
Изначальные черные дыры
Формирование в ранней Вселенной
Создание черной дыры требует концентрации массы или энергии в пределах соответствующего радиуса Шварцшильда . Сначала Зельдович и Новиков и независимо Хокинг выдвинули гипотезу о том, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была достаточно плотной, чтобы любая заданная область пространства могла уместиться в пределах ее собственного радиуса Шварцшильда. Тем не менее, 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. Образованная таким образом черная дыра называется первичной 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. [ необходима цитата ]
Ожидаемые наблюдаемые эффекты
Первоначальная черная дыра с начальной массой около 10 12 кг завершили бы свое испарение сегодня; менее массивная изначальная черная дыра уже испарилась. [1] В оптимальных условиях спутник космического гамма-телескопа Ферми , запущенный в июне 2008 года, мог бы обнаружить экспериментальные доказательства испарения близлежащих черных дыр путем наблюдения гамма-всплесков . [15] [16] [17] Маловероятно, чтобы столкновение микроскопической черной дыры с таким объектом, как звезда или планета, было бы заметным. Малый радиус и высокая плотность черной дыры позволят 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. [18] [19] [20] [a]
Созданные человеком микро черные дыры
Возможность производства
В знакомой трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры равна 10 16 ТэВ (эквивалент 1,6 ГДж или 444 кВтч ), которые должны быть сконденсированы в область порядка планковской длины . Это далеко за пределами любой современной технологии. Подсчитано [ необходима цитата ], 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 удерживать частицы на своем пути.
Однако в некоторых сценариях, связанных с дополнительными измерениями пространства, масса Планка может достигать диапазона ТэВ . Большой адронный коллайдер (БАК) имеет проектную энергию14 ТэВ для протон- протонных столкновений 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 [3] [4] [5] [6] [21] или будущих коллайдерах с более высокими энергиями. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская брызги частиц, которые могут быть замечены детекторами на этих объектах. [3] [4] 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 , отличные от обычных четырех ( три пространственных, одно временное ). [22] [23]
Аргументы безопасности
Расчет Хокинга [2] 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 [24] [25], которая показала, что в гипотетических сценариях со стабильными черными дырами, которые могут повредить Землю, такие черные дыры были бы созданы космическими лучами и уже могли бы образоваться. уничтожил известные астрономические объекты, такие как Земля, Солнце, нейтронные звезды или 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 , черные дыры квантовой гравитации включают эффекты квантовой гравитации в непосредственной близости от 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 свободны от сингулярностей. [ необходима цитата ]
Виртуальные микрочерные дыры были предложены Стивеном Хокингом в 1995 году [26] и Фабио Скардигли в 1999 году как часть теории Великого Объединения в качестве кандидата на квантовую гравитацию . [27] [28]
Смотрите также
- Электрон черной дыры
- Звездолет черной дыры
- Черные дыры в художественной литературе
- ER = EPR
- Кугельблиц (астрофизика)
- Планковская частица
Заметки
- ^ Радиус Шварцшильда10 12 кг черной дыры примерно148 фм (1,48 × 10 -13 м ), что намного меньше атома, но больше атомного ядра.
Рекомендации
- ^ а б в Карр, Би Джей; Гиддингс, С.Б. (2005). «Квантовые черные дыры». Scientific American . 292 (5): 48–55. Bibcode : 2005SciAm.292e..48C . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0505-48 . PMID 15882021 .
- ^ а б в Хокинг, Стивен В. (1971). «Гравитационно коллапсированные объекты очень малой массы» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 152 : 75. Bibcode : 1971MNRAS.152 ... 75H . DOI : 10.1093 / MNRAS / 152.1.75 .
- ^ а б в Гиддингс, С.Б .; Томас, SD (2002). «Коллайдеры высоких энергий как фабрики черных дыр: конец физики на малых расстояниях». Physical Review D . 65 (5): 056010. arXiv : hep-ph / 0106219 . Bibcode : 2002PhRvD..65e6010G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.65.056010 . S2CID 1203487 .
- ^ а б в Dimopoulos, S .; Ландсберг, GL (2001). «Черные дыры на Большом адронном коллайдере». Письма с физическим обзором . 87 (16): 161602. arXiv : hep-ph / 0106295 . Bibcode : 2001PhRvL..87p1602D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.161602 . PMID 11690198 . S2CID 119375071 .
- ^ а б Джонсон, Джордж (11 сентября 2001 г.). «Физики стремятся построить черную дыру» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 мая 2010 .
- ^ а б «Дело о мини-черных дырах» . ЦЕРН Курьер . Ноябрь 2004 г.
- ^ Sciama, Деннис В. (1964). «Физическая структура общей теории относительности». Обзоры современной физики . 36 (1): 463–469. Bibcode : 1964RvMP ... 36..463S . DOI : 10,1103 / revmodphys.36.463 .
- ^ Киббл, Том WB (1961). «Лоренц-инвариантность и гравитационное поле». Журнал математической физики . 2 (2): 212–221. Bibcode : 1961JMP ..... 2..212K . DOI : 10.1063 / 1.1703702 .
- ^ Хокинг, Стивен . «Новое предупреждение о конце света» . MSNBC.
- ^ Поплавский, Никодем Ю. (2010). «Несингулярные дираковские частицы в пространстве-времени с кручением». Физика Письма Б . 690 (1): 73–77. arXiv : 0910.1181 . Bibcode : 2010PhLB..690 ... 73P . DOI : 10.1016 / j.physletb.2010.04.073 .
- ^ Хокинг, SW (1975). «Создание частиц черными дырами». Сообщения по математической физике . 43 (3): 199–220. Bibcode : 1975CMaPh..43..199H . DOI : 10.1007 / BF02345020 . S2CID 55539246 .
- ^ Хелфер, AD (2003). «Излучают ли черные дыры?». Отчеты о достижениях физики . 66 (6): 943–1008. arXiv : gr-qc / 0304042 . Bibcode : 2003RPPh ... 66..943H . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 66/6/202 . S2CID 16668175 .
- ^ Сасскинд, Л. (2008). Война с черной дырой: Моя битва со Стивеном Хокингом за то, чтобы сделать мир безопасным для квантовой механики . Нью-Йорк: Маленький, Браун. ISBN 978-0-316-01640-7.
- ^ Макгиббон, Дж. Х. (1987). «Могут ли остатки испаряющихся черных дыр планковской массы закрыть Вселенную?». Природа . 329 (6137): 308–309. Bibcode : 1987Natur.329..308M . DOI : 10.1038 / 329308a0 . S2CID 4286464 .
- ^ Баррау, А. (2000). «Изначальные черные дыры как источник космических лучей чрезвычайно высоких энергий». Физика астрономических частиц . 12 (4): 269–275. arXiv : astro-ph / 9907347 . Bibcode : 2000APh .... 12..269B . DOI : 10.1016 / S0927-6505 (99) 00103-6 . S2CID 17011869 .
- ^ Макки, М. (30 мая 2006 г.). «Спутник может открыть дверь в дополнительное измерение» . Новый ученый .
- ^ "Космический гамма-телескоп Ферми:" Мини "обнаружение черной дыры" . Архивировано из оригинала на 2009-01-17 . Проверено 3 декабря 2008 .
- ^ Хриплович И.Б .; Померанский, АА; Продукт, Н .; Рубан, Г.Ю. (2008). «Можно ли обнаружить прохождение через Землю маленькой черной дыры?». Physical Review D . 77 (6): 064017. arXiv : 0710.3438 . Bibcode : 2008PhRvD..77f4017K . DOI : 10.1103 / PhysRevD.77.064017 . S2CID 118604599 .
- ^ Хриплович И.Б .; Померанский, АА; Продукт, Н .; Рубан, Г.Ю. (2008). «Прохождение маленькой черной дыры через Землю. Обнаруживается ли это?». 0801 : 4623. arXiv : 0801.4623 . Bibcode : 2008arXiv0801.4623K . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Каин, Фрейзер (20 июня 2007 г.). «Гудят ли внутри Земли микроскопические черные дыры?» . Вселенная сегодня .
- ^ Schewe, Phil; Риордон, Джеймс; Штейн, Бен (26 сентября 2001 г.). «Черная дыра Женевы» . Бюллетень новостей физики . 558 . Американский институт физики. Архивировано из оригинала на 2005-02-10.
- ^ Чоптуик, Мэтью В .; Преториус, Франс (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 .
- ^ Peng, G.-X .; Wen, X.-J .; Чен, Ю.-Д. (2006). «Новые решения для странных странников с цветопередачей и ароматом». Физика Письма Б . 633 (2–3): 314–318. arXiv : hep-ph / 0512112 . Bibcode : 2006PhLB..633..314P . DOI : 10.1016 / j.physletb.2005.11.081 . S2CID 118880361 .
- ^ Гиддингс, С.Б .; Мангано, ML (2008). «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВ-масштаба». Physical Review D . 78 (3): 035009. arXiv : 0806.3381 . Bibcode : 2008PhRvD..78c5009G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.78.035009 . S2CID 17240525 .
- ^ Пескин, ME (2008). «Конец света на Большом адронном коллайдере?» . Физика . 1 : 14. Bibcode : 2008PhyOJ ... 1 ... 14P . DOI : 10.1103 / Physics.1.14 .
- ^ 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 .
- ^ Скардигли, Фабио (1999). «Обобщенный принцип неопределенности в квантовой гравитации из Геданкенского эксперимента с микро-черной дырой». Физика Письма Б . 452 (1–2): 39–44. arXiv : hep-th / 9904025 . Полномочный код : 1999PhLB..452 ... 39S . DOI : 10.1016 / S0370-2693 (99) 00167-7 . S2CID 14440837 .
- ^ «Принцип квантового действия с GUT, ноябрь 2013, Цзе Гу предлагает Скардигли ...»
Библиография
- Пейдж, Дон Н. (15 января 1976 г.). «Скорость излучения частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Physical Review D . 13 (2): 198–206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . doi : 10.1103 / PhysRevD.13.198 : первые подробные исследования механизма испаренияCS1 maint: postscript ( ссылка )
- Карр, Б.Дж.; Хокинг, ЮЗ (1 августа 1974 г.). «Черные дыры в ранней Вселенной». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 168 (2): 399–415. arXiv : 1209.2243 . Bibcode : 1974MNRAS.168..399C . DOI : 10,1093 / MNRAS / 168.2.399 : связи между ПЧД и ранней ВселеннойCS1 maint: postscript ( ссылка )
- A. Barrau et al., Astron. Astrophys. 388 (2002) 676 , Астрон. Astrophys. 398 (2003) 403 , Astrophys. J. 630 (2005) 1015 : экспериментальные поиски первичных черных дыр благодаря испускаемому антивеществу
- А. Баррау и Г. Будул, Обзорный доклад на Международной конференции по теоретической физике TH2002 : космология с первичными черными дырами
- A. Barrau, J. Grain, Phys. Lett. B 584 (2004) 114 : поиски новой физики (квантовой гравитации) с первичными черными дырами
- П. Канти, Int. J. Mod. Phys. A19 (2004) 4899 : испаряющиеся черные дыры и дополнительные измерения
- Д. Ида, К.-у. Ода и SCPark, [1] : определение жизни черной дыры и дополнительных измерений.
- Сабина Хоссенфельдер: чему нас могут научить черные дыры , hep-ph / 0412265
- Л. Модесто, PhysRevD.70.124009 : Исчезновение сингулярности черной дыры в квантовой гравитации
- П. Николини, А. Смаилачич, Э. Спалуччи, j.physletb.2005.11.004 : Некоммутативная геометрия вдохновила черную дыру Шварцшильда
- А. Бонанно, М. Рейтер, PhysRevD.73.083005 : Пространственно-временная структура испаряющейся черной дыры в квантовой гравитации
- Фудзиока, Синсукэ; и другие. (18 октября 2009 г.). «Рентгеновская астрономия в лаборатории с миниатюрным компактным объектом, созданным с помощью лазерной имплозии». Физика природы . 5 (11): 821–825. arXiv : 0909.0315 . Bibcode : 2009NatPh ... 5..821F . DOI : 10.1038 / nphys1402 . S2CID 56423571 .: Рентгеновская астрономия в лаборатории с миниатюрным компактным объектом, созданным с помощью лазерной имплозии.
- Харрисон, Б.К .; Торн, Канзас; Wakano, M .; Уиллер, Дж. А. Теория гравитации и гравитационный коллапс, Чикаго: University of Chicago Press, 1965, стр. 80–81.
Внешние ссылки
- Мини-черная дыра (физика) в Британской энциклопедии
- Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВ-диапазона
- Мини-черные дыры могут открыть 5-е измерение - Кер Тан. Space.com 26 июня 2006 г., 10:42 по восточному времени
- Машина Судного дня Большой адронный коллайдер? - Научное эссе об энергиях, размерах, черных дырах и связанном с этим общественном внимании к ЦЕРНу Норберта Фришауфа (также доступно в виде подкаста)