Микро черная дыра - Micro black hole

Микро черные дыры, также называемый квантово-механические черные дыры или же мини-черные дыры, гипотетически крошечные черные дыры, для которого квантово-механический эффекты играют важную роль.[1] Идея о том, что могут существовать черные дыры, которые меньше звездной массы, была введена в 1971 г. Стивен Хокинг.[2]

Возможно, что такой квантовый изначальные черные дыры были созданы в среде высокой плотности ранней Вселенной (или Большой взрыв ), или, возможно, через последующие фазовые переходы. Астрофизики могут наблюдать их через частицы, которые, как ожидается, испускают Радиация Хокинга.[нужна цитата ]

Некоторые гипотезы о дополнительном пространстве размеры предсказывают, что микрочерные дыры могут образовываться при энергиях до ТэВ диапазон, которые доступны в ускорители частиц такой 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 испаряются либо полностью, либо с очень слабо взаимодействующими остатками.[нужна цитата ] Помимо теоретических аргументов, космические лучи удары по Земле не причиняют никакого ущерба, хотя они достигают энергии в диапазоне сотен ТэВ.

Минимальная масса черной дыры

В принципе, черная дыра может иметь любую массу, равную или превышающую примерно 2.2×10−8 кг или 22микрограммы (в Планковская масса ).[2] Чтобы создать черную дыру, нужно сконцентрировать массу или энергию достаточно, чтобы скорость убегания из региона, в котором он сконцентрирован, превышает скорость света. Это условие дает Радиус Шварцшильда, р = 2GM/c2, куда грамм это гравитационная постоянная, c это скорость света, и M масса черной дыры. С другой стороны, Комптоновская длина волны, λ = час/Mc, куда час это Постоянная Планка, представляет собой ограничение на минимальный размер области, в которой масса M в покое может быть локализован. Для достаточно малых Mприведенная комптоновская длина волны (ƛ = час/Mc, куда час это 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 размеры, частные случаи Модель Рэндалла – Сундрама, и теория струн конфигурации, подобные решениям GKP. В таких сценариях образование черных дыр могло бы стать важным и наблюдаемым эффектом на Большой адронный коллайдер (БАК).[1][3][4][5][6]Это также было бы обычным природным явлением, вызванным космические лучи.

Все это предполагает, что теория 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 внутренним угловой момент (вращение ). Правильный закон сохранения для полного (орбитального плюс спин) углового момента вещества в искривленном пространстве-времени требует, чтобы пространство-время было оснащено кручение. Самая простая и естественная теория гравитации с кручением - это Теория Эйнштейна – Картана.[7][8] Кручение изменяет Уравнение Дирака при наличии гравитационного поля и причин фермион частицы должны быть расширены в пространстве. В этом случае пространственная протяженность фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры порядка 1016 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 распадаются вокруг горизонт 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, что теоретически достижимо в LHC при некоторых условиях.[9][10]

Стабильность

Радиация Хокинга

Основная статья: Радиация Хокинга

В 1975 г. Стивен Хокинг утверждал, что из-за квант эффекты, черные дыры «испаряются» в результате процесса, который теперь называют Радиация Хокинга в каких элементарных частицах (например, фотоны, электроны, кварки, глюоны ) испускаются.[11] 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 изначальная черная дыра достаточно малой массы будет испариться рядом с Планковская масса в течение жизни Вселенной. В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Грубая картина этого состоит в том, что пары виртуальные частицы выйти из вакуум недалеко от горизонт событий, причем один член пары захвачен, а другой покидает окрестности черной дыры. В итоге черная дыра теряет массу (из-за сохранение энергии ). По формулам термодинамика черной дыры, чем больше черная дыра теряет массу, тем горячее она становится и тем быстрее испаряется, пока не приблизится к массе Планка. На этом этапе у черной дыры будет Температура Хокинга из Тп/8π (5.6×1032 K), что означает, что испускаемая частица Хокинга будет иметь энергию, сопоставимую с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание нарушается. Такая микро-черная дыра также имела бы энтропию всего 4π нац, примерно минимально возможное значение. На этом этапе объект больше не может быть описан как классическая черная дыра, и расчеты Хокинга также не работают.

Хотя радиация Хокинга иногда ставится под сомнение,[12] Леонард Сасскинд резюмирует точку зрения эксперта в своей книге Война с черной дырой: «Время от времени будут появляться статьи по физике, в которых утверждается, что черные дыры не испаряются. Такие статьи быстро исчезают в бесконечной куче ненужных идей».[13]

Гипотезы о конечном состоянии

Предположения об окончательной судьбе черной дыры включают полное испарение и образование Планковская масса -размерный остаток черной дыры. 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 они были бы слабовзаимодействующие массивные частицы; это могло бы объяснить темная материя.[14]

Изначальные черные дыры

Основная статья: Изначальная черная дыра

Формирование в ранней Вселенной

Создание черной дыры требует концентрации массы или энергии в пределах соответствующего Радиус Шварцшильда. Первыми предположили Зельдович и Новиков и независимо Хокинг, что вскоре после Большой взрыв Вселенная была достаточно плотной, чтобы любая заданная область пространства могла уместиться в пределах ее собственного радиуса Шварцшильда. Несмотря на это, в то время Вселенная не могла схлопнуться в необычность за счет равномерного распределения массы и быстрого роста. Однако это не исключает полностью возможности локального возникновения черных дыр различных размеров. Образованная таким образом черная дыра называется изначальная черная дыра и является наиболее широко распространенной гипотезой о возможном создании черных микро дыр. Компьютерное моделирование предполагает, что вероятность образования первичной черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Таким образом, наиболее вероятным исходом будут микрочерные дыры.[нужна цитата ]

Ожидаемые наблюдаемые эффекты

Первоначальная черная дыра с начальной массой около 1012 кг завершит испарение сегодня; менее массивная изначальная черная дыра уже испарилась бы.[1] В оптимальных условиях Космический гамма-телескоп Ферми спутник, запущенный в июне 2008 года, может обнаружить экспериментальные доказательства испарения близлежащих черных дыр, наблюдая гамма-всплески.[15][16][17] 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, создала бы обнаруживаемый акустический или сейсмический сигнал.[18][19][20][а]

Созданные человеком микро черные дыры

Возможность производства

В знакомой трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры равна 1019 ГэВ (эквивалент 1,6 ГДж или 444 кВтч ), которые следовало бы сжать в область порядка Планковская длина. Это далеко за пределами любой современной технологии. По оценкам[нужна цитата ] что для столкновения двух частиц на расстоянии планковской длины с достижимой в настоящее время напряженностью магнитного поля потребуется кольцевой ускоритель около 1000световых лет в диаметре, чтобы частицы не сбивались с пути. Стивен Хокинг также сказано в главе 6 его Краткая история времени этот физик Джон Арчибальд Уиллер однажды подсчитал, что очень мощная водородная бомба, использующая все дейтерий во всей воде на Земле также может образоваться такая черная дыра, 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 лишь ТэВ классифицировать. В Большой адронный коллайдер (LHC) имеет расчетную энергию 14 ТэВ за протон -Протонных столкновений и 1,150 ТэВ для Pb –Pb столкновения. 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 будущие коллайдеры с более высокими энергиями. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская брызги частиц, которые могут быть замечены детекторами на этих объектах.[3][4] Статья Чоптуика и Преториуса, опубликованная в 2010 г. Письма с физическими проверками, представила созданное компьютером доказательство того, что микрочерные дыры должны образовываться из двух сталкивающихся частиц с достаточной энергией, что может быть допустимо при энергиях LHC, если дополнительные размеры присутствуют кроме обычных четырех (три пространственных, одно временное ).[22][23]

Дальнейшая информация: Кугельблиц (астрофизика)

Аргументы безопасности

Основная статья: Безопасность экспериментов со столкновением частиц высоких энергий

Расчет Хокинга[2] и более общие квантово-механический аргументы предсказывают, что микрочерные дыры испаряются почти мгновенно. Дополнительные аргументы безопасности помимо тех, которые основаны на излучении Хокинга, были приведены в документе,[24][25] который показал, что в гипотетических сценариях со стабильными черными дырами, которые могут повредить Землю, такие черные дыры были бы созданы космические лучи и уже уничтожил бы известные астрономические объекты, такие как Земля, Солнце, нейтронные звезды, или же белые карлики.

Черные дыры в квантовых теориях гравитации

Возможно, в некоторых теориях квантовая гравитация, чтобы вычислить квантовые поправки к обычным классическим черным дырам. В отличие от обычных черных дыр, которые являются решениями уравнений гравитационного поля общая теория относительности, квантово-гравитационные черные дыры включают в себя эффекты квантовой гравитации вблизи 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.[нужна цитата ]

Виртуальные микро черные дыры были предложены Стивен Хокинг в 1995 г.[26] и по Фабио Скардигли в 1999 г. в рамках Теория Великого Объединения как квантовая гравитация кандидат.[27][28]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Радиус Шварцшильда 1012 кг черная дыра примерно 148 фм (1.48×10−13 м), который намного меньше атома, но больше ядра атома.

Рекомендации

  1. ^ а б c Carr, B.J .; Гиддингс, С. Б. (2005). «Квантовые черные дыры». Scientific American. 292 (5): 48–55. Bibcode:2005SciAm.292e..48C. Дои:10.1038 / scientificamerican0505-48. PMID  15882021.
  2. ^ а б c Хокинг, Стивен В. (1971). «Гравитационно коллапсированные объекты очень малой массы». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 152: 75. Bibcode:1971МНРАС.152 ... 75Н. Дои:10.1093 / мнрас / 152.1.75.
  3. ^ а б c Giddings, S. B .; Томас, С. Д. (2002). «Коллайдеры высоких энергий как фабрики черных дыр: конец физики на малых расстояниях». Физический обзор D. 65 (5): 056010. arXiv:hep-ph / 0106219. Bibcode:2002ПхРвД..65э6010Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.65.056010. S2CID  1203487.
  4. ^ а б c Dimopoulos, S .; Ландсберг, Г. Л. (2001). «Черные дыры на Большом адронном коллайдере». Письма с физическими проверками. 87 (16): 161602. arXiv:hep-ph / 0106295. Bibcode:2001ПхРвЛ..87п1602Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.161602. PMID  11690198. S2CID  119375071.
  5. ^ а б Джонсон, Джордж (11 сентября 2001 г.). «Физики стремятся построить черную дыру». Нью-Йорк Таймс. Получено 2010-05-12.
  6. ^ а б «Дело о мини-черных дырах». ЦЕРН Курьер. Ноябрь 2004 г.
  7. ^ Sciama, Деннис В. (1964). «Физическая структура общей теории относительности». Обзоры современной физики. 36 (1): 463–469. Bibcode:1964РвМП ... 36..463С. Дои:10.1103 / revmodphys.36.463.
  8. ^ Киббл, Том В. (1961). «Лоренц-инвариантность и гравитационное поле». Журнал математической физики. 2 (2): 212–221. Bibcode:1961JMP ..... 2..212K. Дои:10.1063/1.1703702.
  9. ^ Хокинг, Стивен. «Новое предупреждение о конце света». MSNBC.
  10. ^ Поплавский, Никодем Я. (2010). «Несингулярные дираковские частицы в пространстве-времени с кручением». Письма по физике B. 690 (1): 73–77. arXiv:0910.1181. Bibcode:2010ФЛБ..690 ... 73П. Дои:10.1016 / j.physletb.2010.04.073.
  11. ^ Хокинг, С.В. (1975). «Создание частиц черными дырами». Коммуникации по математической физике. 43 (3): 199–220. Bibcode:1975CMaPh..43..199H. Дои:10.1007 / BF02345020. S2CID  55539246.
  12. ^ Хелфер, А. Д. (2003). «Излучают ли черные дыры?». Отчеты о достижениях физики. 66 (6): 943–1008. arXiv:gr-qc / 0304042. Bibcode:2003об / ч ... 66..943ч. Дои:10.1088/0034-4885/66/6/202. S2CID  16668175.
  13. ^ 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.
  14. ^ Макгиббон, Дж. Х. (1987). «Могут ли реликты испаряющихся черных дыр планковской массы закрыть Вселенную?». Природа. 329 (6137): 308–309. Bibcode:1987Натура.329..308М. Дои:10.1038 / 329308a0. S2CID  4286464.
  15. ^ Баррау, А. (2000). «Изначальные черные дыры как источник космических лучей сверхвысокой энергии». Физика астрономических частиц. 12 (4): 269–275. arXiv:Astro-ph / 9907347. Bibcode:2000APh .... 12..269B. Дои:10.1016 / S0927-6505 (99) 00103-6. S2CID  17011869.
  16. ^ Макки, М. (30 мая 2006 г.). "Спутник может открыть дверь в дополнительное измерение". Новый ученый.
  17. ^ "Космический гамма-телескоп Ферми:" Мини-обнаружение черной дыры ". Архивировано из оригинал на 2009-01-17. Получено 2008-12-03.
  18. ^ Хриплович, И. Б .; Померанский, А. А .; Продукт, Н .; Рубан, Г.Ю. (2008). «Можно ли обнаружить прохождение через Землю маленькой черной дыры?». Физический обзор D. 77 (6): 064017. arXiv:0710.3438. Bibcode:2008ПхРвД..77ф4017К. Дои:10.1103 / PhysRevD.77.064017. S2CID  118604599.
  19. ^ Хриплович, И. Б .; Померанский, А. А .; 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 | журнал = (помощь)
  20. ^ Каин, Фрейзер (20 июня 2007 г.). «Гудят ли внутри Земли микроскопические черные дыры?». Вселенная сегодня.
  21. ^ Schewe, Phil; Риордон, Джеймс; Штейн, Бен (26 сентября 2001 г.). "Черная дыра Женевы". Бюллетень новостей физики. 558. Американский институт физики. Архивировано из оригинал на 2005-02-10.
  22. ^ Чоптуик, Мэтью В.; Преториус, Франс (2010). «Столкновения ультрарелятивистских частиц». Phys. Rev. Lett. 104 (11): 111101. arXiv:0908.1780. Bibcode:2010PhRvL.104k1101C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.111101. PMID  20366461. S2CID  6137302.
  23. ^ Peng, G.-X .; Wen, X.-J .; Чен, Ю.-Д. (2006). «Новые решения для странных цветных замков». Письма по физике B. 633 (2–3): 314–318. arXiv:hep-ph / 0512112. Bibcode:2006ФЛБ..633..314П. Дои:10.1016 / j.physletb.2005.11.081. S2CID  118880361.
  24. ^ Giddings, S. B .; Мангано, М. Л. (2008). "Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВ-диапазона". Физический обзор D. 78 (3): 035009. arXiv:0806.3381. Bibcode:2008PhRvD..78c5009G. Дои:10.1103 / PhysRevD.78.035009. S2CID  17240525.
  25. ^ Пескин, М. Э. (2008). «Конец света на Большом адронном коллайдере?». Физика. 1: 14. Bibcode:2008PhyOJ ... 1 ... 14P. Дои:10.1103 / Физика.1.14.
  26. ^ Хокинг, Стивен (1995). «Виртуальные черные дыры». Физический обзор D. 53 (6): 3099–3107. arXiv:hep-th / 9510029. Bibcode:1996ПхРвД..53.3099Н. Дои:10.1103 / PhysRevD.53.3099. PMID  10020307. S2CID  14666004.
  27. ^ Скардигли, Фабио (1999). «Обобщенный принцип неопределенности в квантовой гравитации из эксперимента Геданкена с микрочерными дырами». Письма по физике B. 452 (1–2): 39–44. arXiv:hep-th / 9904025. Bibcode:1999ФЛБ..452 ... 39С. Дои:10.1016 / S0370-2693 (99) 00167-7. S2CID  14440837.
  28. ^ «Принцип квантового действия с GUT, ноябрь 2013, Цзе Гу предлагает Скардигли ...»

Библиография

  • Пейдж, Дон Н. (15 января 1976 г.). «Скорость эмиссии частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Физический обзор D. 13 (2): 198–206. Bibcode:1976ПхРвД..13..198П. Дои:10.1103 / PhysRevD.13.198: первые подробные исследования механизма испарения
  • Carr, B.J .; Хокинг, С. У. (1 августа 1974 г.). «Черные дыры в ранней Вселенной». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 168 (2): 399–415. arXiv:1209.2243. Bibcode:1974МНРАС.168..399С. Дои:10.1093 / mnras / 168.2.399: связь между изначальными черными дырами и ранней Вселенной
  • A. Barrau et al., Astron. Astrophys. 388 (2002) 676, Astron. Astrophys. 398 (2003) 403, Astrophys. J. 630 (2005) 1015 : экспериментальные поиски первичных черных дыр благодаря испускаемому антивеществу
  • А. Барро и Ж. Будул, Обзорный доклад на Международной конференции по теоретической физике TH2002 : космология с первичными черными дырами
  • А. Баррау и Дж. Грейн, Phys. Lett. В 584 (2004) 114 : поиски новой физики (квантовой гравитации) с первичными черными дырами
  • П. Канти, Int. J. Mod. Phys. A19 (2004 г.) 4899 : испаряющиеся черные дыры и дополнительные измерения
  • Д. Ида, К.-у. Ода и С.С.Парк, [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». Природа Физика. 5 (11): 821–825. arXiv:0909.0315. Bibcode:2009НатФ ... 5..821Ф. Дои:10.1038 / nphys1402. S2CID  56423571.: Рентгеновская астрономия в лаборатории с миниатюрным компактным объектом, созданным с помощью имплозии, управляемой лазером.
  • Harrison, B.K .; Thorne, K. S .; Wakano, M .; Уилер, Дж. А. Теория гравитации и гравитационный коллапс, Чикаго: University of Chicago Press, 1965, страницы 80–81.

внешняя ссылка