Содержание

Квантовая черная дыра - это... Что такое Квантовая черная дыра?

Quantum black hole (Квантовая черная дыра)

Квантовая черная дыра - чёрная дыра имеющая планковскую массу, размер и плотность.

Определение квантовой черной дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые макроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма явно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра — планковская чёрная дыра. Её масса — порядка 10−5 г, радиус — 10−35 м. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины меньше или равна её гравитационному радиусу. Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 1094 кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации. Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону. Планковская чёрная дыра, возможно, является конечным продуктом эволюции обычных чёрных дыр, стабильна и больше не подвержена излучению Хокинга. Таким образом, все «элементарные объекты» можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и квантовые чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, можно встретить название максимон, указывающее на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый термин обозначения квантовой черной дыры — планкеон.

Существование квантовых черных дыр

Существующие квантовые чёрные дыры крайне редки, так, как время их существования при неуправляемом процессе крайне мало, что делает их непосредственное обнаружение очень проблематичным.

В настоящее время предложены эксперименты с целью обнаружения свидетельств появления квантовых чёрных дыр в ядерных реакциях. Однако для непосредственного синтеза чёрной дыры в ускорителе необходима недостижимая на сегодня энергия 1026 эВ. Поэтому, в реакциях сверхвысоких энергий могут возникать виртуальные промежуточные чёрные дыры.

Эксперименты по протон-протонным столкновениям с полной энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере показали, что этой энергии недостаточно для образования микроскопических чёрных дыр. На основании этих данных делается вывод, что микроскопические чёрные дыры должны быть тяжелее 3,5–4,5 ТэВ в зависимости от конкретной реализации. Если вы думаете, что энергия столкновения элементарных частиц в 7 ТэВ, столь малая величина, то... чтоб достичь столкновения элементарных частиц с такой энергией на адронном коллайдере, нужны огромные затраты энергоресурсов. Что практически не оправдывает суть самого эксперимента "образование микроскопических чёрных дыр или создание макроскопических квантовых черных дыр".

Несмотря на активные исследования теории квантовой гравитации, пока не достигнуты успехи в этих исследованиях. Основная трудность построении заключается в том, что две физические теории, которые теория квантовой гравитации пытается связать воедино — квантовую механику и общую теорию относительности (ОТО), — опираются на разные наборы принципов.

Естественно, образование квантовых черных дыр практически не возможно в Большом адронном коллайдере без сверхмагнетизма и сверхвысокого давления, пусть даже посредством любых ядерных реакций, пусть и сконцентрированных в столь малой точке равной сингулярности. Основным продуктом квантовой черной дыры будет неимоверно огромная энергия, которая при неуправляемом процессе существования квантовой черной дыры уничтожит окружающее пространство, разделив попавшие в гравитационный радиус «элементарные объекты» на элементарные частицы, а элементарные частицы преобразуются в энергию (излучение Хокинга), излучаемую в пространство. Естественно, что Стивен Хокинг представил доклад, в котором он изложил свою точку зрения на разрешение парадокса исчезновения информации в чёрной дыре.

Основной ошибкой - информация исчезает в черной дыре, заключается в словах, что черные дыры взрываются. Допустим, что происходит исчезновение материи, как таковой, и существования информации о бывшей материи, то, взрываясь черные дыры оставляют после себя все о своем существовании до взрыва, следовательно, черные дыры оставляют после себя информацию о существовавшей материи, которая никуда не исчезла, а просто перешла в состояние энергии. А, что энергия ни от куда не возникает и никуда не девается, основной постулат Вселенной, чему противоречит исчезновение информации о материи в черной дыре.

Достаточно вспомнить слова Альберта Эйнштейна: "Высвободив всю энергию из одного только атома, этой энергией достаточно уничтожить планету Земля несколько раз"... Где Эйнштейн намекал на энергию при неуправляемом процессе существования квантовой черной дыры, как уничтожения материи и любой существовавшей материальной информации.

Возможно все-таки обратить неуправляемый процесс квантовой черной дыры в управляемый, что возможно при сверхмагнетизме и управляемом процессе поглощения элементарных частиц, то квантовая черная дыра с гравитационным радиусом вписывающимся в один квадратный миллиметр, может неограниченно снабжать энергией целый континент, поглощая всего один квадратный миллиметр элементарной материи на соответственно огромное излучаемое количество энергии.

Квантовым черным дырам присущи все процессы и свойства черных дыр, где одно из свойств, замедление течения времени возле непосредственной близости от гравитационного радиуса, интересующее ученых больше всего, даже больше чем неограниченное получение энергии, посредством стабильного существования этого объекта. Хотя искривление пространства-времени в рамках общей теории относительности, неограниченная энергия, создание пространственной «перемычки» (в современной терминологии кротовая нора), квантовая гравитация, частицы всего - бозона Хиггса, и существования Вселенной до и после Большого взрыва, более важнее чем изменение свойств течения времени вроде пресловутой "машины времени", что в принципе возможно при управляемом процессе существования сверхбольшой квантовой черной дыры, в триллионы раз превосходящую планковскую величину.

Родители квантовых черных дыр

Когда Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории - картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет... И сам Альберт Эйнштейн говорил о своей теории относительности: "Если моя теория понятна даже ребенку, то она исключительно верна"!

Квантовые дыры прекрасно вписываются в теорию относительности Эйнштейна, но зарождение квантовых черных дыр, и их существование необъяснимо и спорно. Хотя очевидно, что родителями квантовых черных дыр являются сверхмассивные черные дыры, черные дыры, а также блуждающие сверхмассивные или обычные черные дыры, при столкновении с элементарной материей (астрономическими объектами).

Чтобы рассмотреть квантовые черные дыры, понять их механизм и физику существования, надо знать историю образования квантовых черных дыр. Каждому известно, что Вселенная зародилась из-за большого взрыва в точке сингулярности, из после образовавшегося облака первородного газа - Водорода, из звезд первого уровня, из туманностей от взрыва суперновых (умирающих звезд первого уровня). Вселенная существует в таком виде сегодня, какой представлена сегодня, из прошлого.

Большой взрыв

Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других теорий к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теории не дают никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало моменту Большого взрыва, а размеры Вселенной тогда равнялись нулю — она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя.

Многие учёные полушутя-полусерьёзно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной. Невозможность избежать сингулярности в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярностях Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. Существование сингулярности является одним из стимулов построения альтернативных и квантовых теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему.

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Хотя есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные её положения обоснованы надёжными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределённость на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

Звезды первого уровня, сверхзвезды

The first superstar (Первые сверхзвезды) Simulation of explosion a Supernova (Симуляция взрыва Сверхновой)

Миллионы лет Вселенная была громадным водородным облаком, возникшим в результате большого взрыва, но внутри облака происходило нечто удивительное, ударные волны после большого взрыва создавали вихри и водовороты, что образовывало более плотные сгустки водорода. С течением времени все больше и больше водорода втягивалось в громадные газовые шары, вращаясь и все больше разогреваясь, эти шары достигли таких температур и плотности, что вспыхнули. Так родились звезды первого уровня, сверхзвезды.

Масса и размеры столь грандиозны, а время существования этих звезд, столь быстротечно, как и их интенсивная яркость. Эти сверхзвезды голубого цвета, так, как в них присутствует только водород, и синтезируется в ядре более тяжелый газ - гелий. Температура этих звезд самая высокая, 30 000—60 000 К, свет этих звезд освещает ярко всю Вселенную. Но самое основное в существовании сверхзвезд, это все-таки малое время их жизни, максимум 5-6 миллиардов лет, и после этого времени звезды взрываются оставляя после себя туманности, особенно неизбежно взрываются звезды такого размера, которые называются суперновыми.

Чтобы увидеть, что происходит в последние минуты жизни сверхновых или суперновых звезд, достаточно взглянуть на звезду, которая умерла миллиарды лет назад. Она огромна, ее смерть сделает возможной жизнь новых звезд и планет, жизнь и создание целой Галактики. За короткое время смерти звезды, можно быть свидетелем самого драматичного и разрушающего момента в космосе, у звезды закончилось водородное топливо, ядерный огонь, который поддерживал ее жизнь, погас...

По мере охлаждения звезда уменьшается, она начинает сжиматься под собственной тяжестью, она обрушивается внутрь себя и взрывается. И взрыв звезды, суперновой, такой яркий, что затмевает свет соседних живущих сверхзвезд. Разлетается бесконечное количество тонн звездного вещества на бесконечно огромное расстояние. Но не только звездную пыль (туманность) оставляет после себя суперновая.

Суперновая оставляет еще после себя железное ядро, сжатое до такой плотности и размера, а гравитация остаточного ядра настолько мощная, что определяется, как черная дыра, но свойственно размерам является сверхмассивной черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Black hole (Черная дыра)

В 2000 году астрономы сделали одно необычное открытие, результаты которого в корне изменили все представления о возникновении вселенной. Астрономам удалось открыть не сложную взаимосвязь с галактиками и самой разрушительной силой во Вселенной, сверхмассивными черными дырами. Сверхмассивные черные дыры никого не интересовали и не были известны, однако они существуют и являются центральной частью любой галактики.

Основная задача исследователей и ученых заключается в том, чтобы узнать природу и механизм зарождения Вселенной, а так же одним из главных вопросов является зарождение и формирование Галактик. Наша Галактика легко различима на небе, в виде Млечного Пути, фактически, это вращающийся гигантский диск диаметром более 200 000 световых лет, в нем расположено более 200 миллиардов звезд, подобных нашему Солнцу, медленно вращающихся вокруг центра Галактики. Однако Галактика Млечный Путь одна из свыше 125 миллиардов Галактик, различных форм и размеров. Но астрономы не могли дать точного определения природе их возникновения.

Обратив свое внимание на черные дыры, и начав их поиск во Вселенной астрономы получили данные, что центром каждой галактики являются черные дыры. Эти черные дыры невообразимы по своим размерам, по массе они в миллионы раз больше обычных черных дыр, по размерам они сравнимы с солнечной системой. В районе расположения сверхмассивных черных дыр наблюдается очень высокая сила притяжения, за счет повышенной концентрации материи.

Сверхмассивные черные дыры настолько таинственны, что они использовались лишь для объяснения весьма редкого во вселенной феномена – активных галактик. Это один из самых ярких объектов на звездном небе. В этих галактиках прослеживается яркое ядро с фонтанирующего с его боков светящегося вещества. Такое облако светящегося газа с центром из сверхмассивной черной дыры называется Квазаром. Астрономы предполагали, что данное явление являлось результатом действия сверхмассивной черной дыры, притягивающей газ и звезды из своего окружения, как не парадоксально, но черная дыра захватывающая свет, абсолютно невидима, поэтому долгое время их не удавалось подтвердить.

Существование сверхмассивных черных дыр визуально обнаружить черные дыры нельзя, хотя существует метод их косвенного обнаружения, через расчет влияния их гравитации на окружающие звезды, сверхмассивная черная дыра может разгонять звезды до скорости превышающей 500 тыс. км/ч. Измерение скорости звезд в центральной зоне активных галактик, позволило выявить в них черную дыру. Данные полученные при исследовании активной галактики, оказались нечеткими, она располагалась слишком далеко, чтобы получить четкую картину. Но обработав внимание на данные по галактике в «Туманности Андромеды», явно определилось, что в центре статичной галактики была обнаружена повышенная активность звезд, которую могла вызвать только черная дыра.


Есть один признак опознания размеров сверхмассивной черной дыры, это определение скорости вращения периферийных звезд вокруг ядра галактики, и чем выше скорость вращения звезд, тем больше по массе сверхмассивная черная дыра в центре галактики, в чем это соотношение скорости звезд и массы ядра галактики прямо пропорционально.


Это говорит о существовании самой созидательной силы во вселенной, находящейся неподалеку от нас, и в центре нашей Галактики Млечный Путь. И если все таки задать вопрос: Что такое черная дыра? Возможен только один ответ: Черная дыра - объект обладающий сверхмагнетизмом, естественно с присущими ему всеми физическими свойствами по законам Вселенной. Возможно сказать, что такое невозможно, тогда посмотрите на звезды, вернее вглядитесь в ядра звезд и найдёте сходство, с единственной разницей, черная дыра остаток некогда существовавшей звезды, и масса черной дыры говорит о размере породившей её звезды.

Галактики

The scheme of Galaxy (Схема Галактики) The enlarged scheme of Galaxy (Увеличенная схема Галактики)

Когда ясной темной ночью посмотреть на бескрайние просторы Вселенной, взору предстает широкая белесая полоса, пересекающая звездное небо. Древние греки, наблюдая небо, сравнивали эту полосу с пролившимся молоком и поэтому назвали ее «галаксиас», что значит молочный, млечный. Это название и легло в основу термина «галактика» - Млечный Путь. Особенно хорошо виден Млечный путь осенними ночами, когда он пересекает зенит и делит небо пополам. Он виден на небосводе обоих полушарий Земли, опоясывая небосвод по кругу, но, конечно, одним взглядом с Земли можно окинуть только половину этого кольца – остальная часть скрывается под горизонтом.

Галактика Млечный путь одна из стабильных галактик, но существует во Вселенной активные и умирающие галактики. Активные галактики, это галактики в центре которых существует Квазар, а умирающие галактики, это уничтожаемые галактики своим создателем, сверхмассивной черной дырой, после чего остается блуждающая черная дыра или блуждающая сверхмассивная черная дыра, с разбросанной звездной материей в виде энергии на сотни тысяч световых лет.

Любая Галактика подчиняется законам, и этим законам подчиняется все во Вселенной, есть законы которые мы знаем и о которых еще не задумывались. Галактическое существование, подчиняется законам магнетизма, огромному фундаментальному камню в существовании Галактики. И если просто вспомнить законы Ньютона о гравитации, то никто даже не понимает процесса происходящего в галактическом пространстве. Картина расположения всего вещества в галактике станет настолько понятным, если откроются все механизмы этого огромного мира - Галактика.

Сверхмассивная черная дыра в галактическом ядре, имеет магнитные полюса, магнитные линии, полюсную и перпендикулярную полюсной оси вращения, гравитационный пояс, что влияет на вращение и существование галактических рукавов, которые вращаются зависимо по полюсной и перпендикулярной осей сверхмассивной черной дыры. Галактика, где все вращается зависимо от магнитного поля, подчиняется силе этого магнитного поля, за пределами гравитационного пояса сверхмассивной черной дыры и в его пределах. Даже Солнечная система подчиняется вращению центра галактики Млечный Путь, в основе которой сверхмассивная черная дыра.

Но часто механизм существования галактик переходит в разрушительную фазу, когда галактическое ядро становится активным, и притягивает все галактические объекты к сверхмассивной черной дыре, тогда происходит галактический коллапс. Галактика перестает существовать, как устойчивая система.

Если Галактике предстоит бесславная смерть, то как определить, когда это произойдет?

Кошачий глаз

the phase center Galaxy of Cat's Eye (Фазы центра Галактики в виде кошачьего глаза) the center Galaxy of Cat's Eye (Центр Галактики в виде кошачьего глаза) Cat's Eye (Кошачий Глаз)

Стабильность любой галактики можно выяснить по состоянию и виду центра, виду ядра галактики, что является окружающей звездной массой вокруг сверхмассивной черной дыры. Нормальным состоянием галактики является объемное, не плотное, светящееся ядро. Где плотность звездной массы расположена далеко от центра галактики, закручено в рукава скоплений звездной массы.


"Бар (перемычка) — выглядит как плотное вытянутое образование, состоящее из звёзд и межзвёздного газа. По расчётам, главный поставщик межзвёздного газа к центру галактики." - что совершенно не правильно, в данном случае не поставка звездного газа, а поставка звездного вещества к центру активизировавшегося ядра галактики.


Такое наблюдается во многих галактиках, не стоит говорить, что приближение звездной массы к центру галактики грозит коллапсом для звездного вещества, и такое вполне может себя проявить. Появится оптически видимое состояние активности ядра галактики, как называемое Кошачий Глаз. Не надо путать это с планетарной туманностью Кошачий Глаз, активное состояние ядра галактики в виде "Кошачьего глаза" и туманность в виде "Кошачьего глаза" - две разные вещи.


Приведенные пять фаз состояния галактики говорят о активности галактического ядра:

1) Стабильное состояние галактического ядра выглядит, как плотно закрученное скопление звездной массы в виде рукавов, вокруг светлого шаровидного ядра.

2) Начало активности галактического ядра, начало распрямления рукавов, и стремление звездной массы к центру галактики, образовании перемычки, напоминающей Кошачий Глаз.

3) Средняя фаза активности галактического ядра, показывает необратимый процесс притяжения звездной массы к гравитационному поясу сверхмассивной черной дыры.

4 и 5) Заключительные фазы состояния галактического цента подготавливают бывшую некогда спокойную галактику к галактическому коллапсу, стремление остатков галактики к гравитационному поясу сверхмассивной черной дыды.


Интересующее активное состояние ядра галактики в виде "Кошачьего глаза" в начале галактического коллапса, а не последствия звездного коллапса в виде туманности "Кошачий глаз", потому, что будет уже поздно говорить вначале и процессе уничтожения целой галактики, и гибели солнечной системы тоже. Так, как, все астрономические объекты, находящиеся в рукавах галактики, пройдут в гравитационный пояс, и в его пределах будут уничтожены, распылены на элементарные частицы.


Рассматривая процесс образования Кошачьего Глаза в центре Галактики, можно с точностью сказать, что астрономическая материя галактики захватывается гравитацией черной дыры и разделяется на элементарные частицы, которые концентрируются вокруг галактического ядра. Гравитационный захват происходит медленно и размеренно, за счет слабых исходящих релятивистских струй энергии из полюсов черной дыры, удерживающих галактические объекты на достаточном расстоянии, и малыми порциями допускающиеся к уничтожению.


Приближаясь к черной дыре, астрономические объекты разгоняются до световой скорости, и в максимальной близости от зоны сингулярности, расщепляются на элементарные частицы, нагревая черную дыру. За счет термодинамики и уменьшения в размере, черная дыра быстрее производит этот процесс - уничтожения окружающих галактических объектов, превращая всю галактику в элементарные частицы для последующего процесса.

Не существует уже звезд, не существует планет и других объектов вокруг сверхмассивной черной дыры, некогда бывшей созидательной силой, а существует сверхмассивная черная дыра ставшая Квазаром и плотный, яркий пояс из элементарных частиц вокруг гравитационного пояса галактического ядра.


На звездном небе много галактик с активным состоянием ядра, и это заслуживает большего внимания для понимания природы сверхмассивных черных дыр, их состояния покоя, их начала активности, и их перехода в состояние Квазар.

Квазары

Когда материальный объект попадает за гравитационный пояс сверхмассивной черной дыры, он начинает разгоняться до огромной скорости. Скорость, которой достигают все объекты в пределе пояса гравитации, и эта скорость не сопоставима с космическими скоростями. От 180 тысяч до 600 тысяч километров в час и даже во много раз больше этих значений, такова эта скорость, которую можно достичь путем гравитации черной дыры, что даже дойдет и до скорости света, но уже в виде элементарных частиц.


Но это всего половина возможного, что ожидает любой объект попавший за гравитационный пояс черной дыры. Потому, что элементарная материя разгоняется до субсветовой скорости в непосредственной близости от черной дыры, в пределах гравитационного пояса, и под воздействием сверхгравитации. Но и не только гравитация разбивает на элементарные частицы материю, а огромная температура в этом процессе способствует этому, о чем говорит огромная яркость активного ядра Квазара.


Есть еще одна вспомогательная вещица, это образовывающиеся квантовые черные дыры, между элементарной материей и черной дырой. Любому объекту столкнувшимся с черной дырой, предстоит разложиться на элементарные частицы. И это произойдет с любой элементарной материей, как под воздействием квантовых генераторов сфокусированных в одной точке, и при достижении неограниченной мощности, так и от воздействия квантовых черных дыр. Насколько ближе подходит объект к черной дыре, настолько плотно соприкасается с сверхмагнитным веществом, что разделяется на атомы от воздействия излучения квантовых черных дыр и их квантовой гравитации.


Именно квантовые черные дыры инструмент в разложении элементарной материи на элементарные частицы, а после превращения частиц в энергию, а скорость и сверхмагнетизм всего лишь условия. В течении галактического коллапса квазар накапливает вокруг себя достаточное количество элементарной материи, что составляет наружную оболочку, а ядром является разогретая сверхмассивная черная дыра. В определенный момент, когда элементарная материя разогрелась до температуры равной звездной оболочки, при бесконечно огромном давлении, происходит высвобождение энергии в пространство в виде луча, излучения огромной мощности, что излучает черная дыра при создавшихся условиях.


Это излучение настолько интенсивное и мощное, что если попадет на обитаемый уголок, как планета Земля, жизнь исчезнет, а обитаемая планета превратится в безжизненную. Настолько губительное это излучение, что даже из совершено далекой галактики, губительно для всего живого. Этот процесс излучения продолжается до конечного поглощения наружной оболочки, неизбежного перехода массы в энергию посредством квантовых черных дыр. После остается только сгусток материи или одиночно блуждающая черная дыра, все зависит, чья масса больше за время существования Квазара, окружающих бывших звезд в виде элементарных частиц или сверхмассивной черной дыры.

Квантовые черные дыры


С тех пор как почти 100 лет назад задумались об ускорителе элементарных частиц, и 50 лет назад использовали их для решения таких задач, как разрушение атомов, превращения элементов, наблюдение за антивеществом и поиском частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной - черные дыры.


Черные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звезды. Но дыры, которые будут созданы, дальние родственниками тем астрофизическим "бегемотам". Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звезды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской елке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.

Два типа черных дыр

Первый тип черных дыр: Астрофизические черные дыры являются остатками массивных звезд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ускорители элементарных частиц, и единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем, а также преобразующие гравитационную в потенциальную энергию.

Второй тип черных дыр: Микроскопические черные дыры, которые имеют планковскую массу. Они возникли сразу после Большого взрыва при сжатии газовых уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня, при столкновении быстрых частиц и условиях сверхмагнетизма. Вместо того, чтобы "заглатывать" вещество, они переводят массу материи в квант энергии, испуская излучение и быстро распадаясь.

Энергия квантовой черной дыры

Осознание того, что дыры могут быть маленькими и какие квантовые эффекты могут при этом возникать, приводят к выводам, что энергия у черной дыры с массой выраженной Планком, прямо пропорциональна массе, это достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных - электронов и позитронов. У квантовой черной дыры исходит количество квантов энергии в миллионы раз большее, чем у обычной элементарной частицы, равной по размеру. Почему такое происходит? В принципе квантовая дыра и элементарная частица схожи допустим только размерами, но на этом сходство заканчивается. Квантовая дыра извлекает энергию из окружающего пространства, по средством своих свойств, и покуда существует возможность получать энергию - живет квантовая дыра, а элементарные частицы отдают свою энергию окружающему пространству, естественно все это происходит до определенного предела.


Согласно теории относительности, информация о том, что попало в черную дыру, утеряно навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, черные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным. Масса, информация, все при "исчезновении" переходит в энергию.


Предположение о том, что от черных дыр ничто не остается, также неприемлемо. Но самом деле должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы черные дыры смогли закодировать всю информацию о своем содержимом. Ведь законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки черной дыры должны рождаться в бесконечном количестве, в случае, если в природе существование их неустойчивое. И есть еще положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошел до другого, что неверно, и это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков.


При соответствующих условиях две частицы при условиях сверхмагнетизма или сверхдавления, столкнувшись, могут создать квантовую черную дыру. Новорожденная дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. Время и масса приблизительны. Энергия квантовой черной дыры в 1 ТэВ эквивалентна её массе около 10-24 кг. Успокаиваясь, квантовая черная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), "дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.


Черная дыра уже не черная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости черной дыры.


Перестав вращаться, черная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.


Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнет испускать струны, т.е. самые фундаментальные частицы вещества.

Созидание квантовой черной дыры

Насколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в черную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звезды. Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны, поэтому дыра не может иметь массу менее 10-8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придется так сильно сжимать.


За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трехмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений - компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая дает тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.


Дополнительный рост гравитации означает, что не осознан истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются, когда зарождается черная дыра. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений возможностей БАК для получения макроскопических черных дыр, и подобные идеи не проливают свет на многие теоретические загадки. Но, при сверхмагнетизме верно, что плотность, необходимая для рождения черной дыры, может лежать в достижимых пределах. Только стоит опасаться выделения количества энергии из одной элементарной частицы в условиях сверхмагнетизма, которая будет не сопоставима по своей мощности с термоядерной бомбой в своем превосходстве.


Достаточно взять небольшое количество водорода (единственного газа после момента Большого Взрыва) и при определенных условиях воздействия, зародившиеся квантовые дыры выделят такую энергию из этого объема, которая будет неимоверна разрушительна, и создаст все элементы, рождаемые в центре звезд. И при управляемом этом процессе и сверхмагнетизме, черные дыры различных размеров могли бы выделять безграничное количество энергии из элементарной материи, и даже дадут возможность проникнуть в дополнительные измерения, которые недоступны. И поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в иные измерения, то и черные дыры тоже их чувствуют. Физики могут изменять размер черных дыр, настраивая ускоритель частиц на разную мощность энергии.


Создание черных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок - к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать черные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины, и сингулярности, по-видимому перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением черной дыры. В столкновениях при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, надо стремиться к рождению черных дыр планковского и все большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец всех споров и начало важного направления науке, возникнут новые задачи - исследования дополнительных измерений, времени, энергии и пространства, антигравитации и антиматерии, темной материи и энергии.

"Убийцы" Галактик

"Убийцами" Галактик являются не Сверхмассивные Черные Дыры, а маленькие чудовища, порождаемые сверхмассивной черной дырой, этим безобидным и созидательным монстром Вселенной, размер убийц Галактик равен величине Планка в своем радиусе и массе, это безжалостные и беспощадные убийцы Галактик - Квантовые Черные Дыры, уничтожающие все вокруг себя, преобразующие материю в энергию ради своего существования.

Квантовые черные дыры являются как созидательной силой ВСЕГО, так и являются разрушительной силой всего сущего во Вселенной, посредством Звезд, Сверхмассивных черных дыр, Квазаров, и начального процесса в существовании Вселенной - Большого Взрыва.

См. также

Источники

Ссылки

dic.academic.ru

Квантовые черные дыры. Знание-сила, 1999 № 07-08

Квантовые черные дыры

Квантовая теория черных дыр приводит к новому уровню непредсказуемости в физике, более высокому, чем обычная неопределенность, связанная с квантовой механикой. Черные дыры обладают собственной энтропией и засасывают в себя информацию от окружающего участка Вселенной. Этот момент вызывает активные возражения со стороны экспертов из области физики элементарных частиц: никто из них не может согласиться с бесследным исчезновением информации. Но, с другой стороны, пока нет никакой мало-мальски разумной гипотезы, как информация может выбраться из цепких объятий черной дыры. Честно говоря, я уверен, что рано или поздно моим оппонентам придется принять мою точку зрения точно так же, как они согласились с излучением черной дыры, что шло вразрез со всеми общепринятыми представлениями.

Тот факт, что гравитация притягивает массы друг к другу, неизбежно приводит к стремлению материи соединиться в компактные объекты типа звезд и галактик. Их удерживает от неограниченного сжатия тепловое давление (в случае звезд) или вращение и внутреннее движение (в случае галактик). Однако с течением времени тепло излучается, и объект начинает сжиматься. Если его масса меньше полутора солнечных масс, то он превращается в белого карлика или нейтронную звезду, от дальнейшего сжатия его удерживает расталкивание электронов или нейтронов. Если же масса больше этого предела, го противодействовать гравитационному сжатию ничто не может, и тело сжимается до такого радиуса, что на его поверхности даже лучи света не могут перебороть огромной силы притяжения. Получается некая замкнутая область пространства.

Именно этот район пространства- времени, из которого ничто не может уйти на бесконечность, и называется черной дырой. Его граница называется юризонтом событий, по ней идут лучи света, которые не смогли уйти от притяжения черной дыры.

Когда тело сжимается до черной дыры, теряется много информации: вначале оно описывается большим количеством параметров – типом вещества, моментами масс, а у черной дыры остаются всего два параметра – масса и момент врашения.

В классической теории никого не волнует потеря информации, поскольку там считается, что она находится внутри сколлапсировавшего тела. В принципе сторонний наблюдатель может следить за коллапсом тела в черную дыру, при этом время на черной дыре будет все замедляться и замедляться. и все процессы будут там течь медленнее и медленнее.

В квантовой теории ситуация меняется. Можно посчитать, сколько фотонов испустит черная дыра до полного коллапса, их явно не хватит для выноса всей информации. Это означает, что внешний наблюдатель не сможет измерить состояние черной дыры никоим образом. Можно, как и в классике, предположить, что недостающая информация упрятана внутри черной дыры, но здесь появляется вторая сложность…

Оказывается, в квантовой теории черные дыры излучают и теряют массу. Вполне возможно, что они в конце концов исчезнут и возьмут с собой всю информацию. У меня есть некоторые соображения, что эта информация действительно безвозвратно теряется и вернуть ее невозможно. Эта потеря информации вносит новый уровень неопределенности, кроме традиционных неопределенностей квантовой физики. К сожалению, эту неопределенность невероятно трудно будет доказать экспериментально, в отличие от принципа неопределенности Гейзенберга.

librolife.ru

Квантовая теория черных дыр

Черные дыры в настоящее время рассматриваются в качестве самого привлекательного объекта для изучения во Вселенной. Они обладают уникальными свойствами и характеристиками, однако увидеть их невооруженным глазом не так и просто. До сих пор ученые только склоняются к изучению подобных космических тел, однако их реальное предназначение и функции еще доподлинно неизвестны.

Сегодня исследователи пытаются создать миниатюрную модель черной дыры в условиях лабораторий. Она должна выглядеть совсем не так как представляют ее многие обыватели, однако объект может обладать теми же специфическим свойствами, что и их собратья в открытом космосе.

Отличительные признаки черных дыр

Замечание 1

Астрофизики дают расплывчатое определение объектам, называемым "черные дыры". По мнению ученые, они являются остатками массивных звездных образований. В какой-то момент бывшие звезды совершили коллапс под собственным весом, что привело к образованию нового объекта во Вселенной. При попадании на них вещества, они преобразуют гравитационную потенциальную энергию, которое является единственным источником энергии, способным запомнить мощные потоки рентгеновского излучения.

Черные дыры микроскопических размеров, которые планируют воссоздать экспериментальным способом, могут иметь массу, сравнимую с крупным астероидом. Такие образования могли появляться сразу после точки отсчета – Большого взрыва. Поэтому ученым так важно сегодня достигнуть подобного состояния, чтобы объяснить многие процессы, происходящие на заре времени и пространства нашей объективной Вселенной.

Исследователи полагают, что пространство имеет иные скрытые измерения согласно квантовой теории струн. В этих условиях дыры могут рождаться в различных условиях и в настоящее время. Для этого необходимо лишь столкновение быстрых частиц. После взаимодействия частиц ученые намерены увидеть вместо поглощения вещества испускание энергии и быстрое затухание.

На современном этапе развития концепции черных дыр принято ориентироваться при построении квантовой теории черных дыр на общую теории относительности, которую сформулировал физик Альберт Эйнштейн около века назад. Он полагал, что вещество можно сжать, тогда гравитация может стать настолько сильной, что очертит определенную область пространства. Из этой области ничего не сможет вырваться наружу и будет поглощено. Подобную границу области называют горизонтом событий, и она располагается внутри черной дыры.

Считается, что любые объекты способны проникать внутрь этого пространства, однако наружу вновь выйти не способны. Чем меньше черная дыра по видимым размерам, тем больше ее масса и сжатие. Ученые считают, что максимальная сжатость существовала перед Большим взрывом, энергия которой была сосредоточена в одной сверхмалой точке, а затем произошел ее коллапс с выбросом пока малоизученной энергии. Однако некоторые ученые-теоретики считают, что коллапс – это не единственный путь зарождения черных дыр.

Несколько десятилетий назад была разработана еще одна концепция формирования черных дыр во Вселенной в ее ранний период существования. Специалисты называют их первичными черными дырами.

Установлено, что при расширении пространства средняя плотность вещества идет на уменьшение. Таким образом, в первые моменты после Большого взрыва плотность была намного больше и могла достигать ядерного уровня. В первые мгновения зарождения нашей Вселенной микроскопические черные дыры были необходимы для участия в процессе распространения материи, однако высокая плотность не гарантировала их появления.

Теперь исследователи космоса опираются на предыдущие теоретические знания и могут называть некоторые отличительные признаки различных черных дыр:

  • они имеют разнообразные размеры и могут существовать на уровне субатомных частиц;
  • после Большого взрыва могли остаться малые черные дыры, которые пытаются обнаружить ученые;
  • черные дыры могут возникать не только во Вселенной, но и в земных условиях.

Свойства черных дыр

Британский физик-теоретик Стивен Хокинг долгое время изучал свойства черных дыр. Он предположил, что подобные образования в космосе могут не только полностью поглощать вещество и пространство вокруг себя, но производить побочный продукт в виде тепла, однако измерить подобную величину пока не представляется возможным. Астрофизики определили примерную температуру черных звезд.

Несмотря на то, что в ней сконцентрирована огромная плотность и энергия, она имеет минимально возможную температуру, что очень мало для объекта Вселенной. При этом масса дыры постепенно уменьшается, по мере того, как излучение уносит энергию. По этой причине существование черных дыр считается весьма нестабильным. Сверхмалые черные дыры существуют непродолжительный срок и испаряются в зависимости от приобретенной массы.

Хокинг в своих работах смог объединить три основные теории: относительности, квантовую механику и термодинамику. Вскоре на основе его научных размышлений была создана квантовая теория гравитация, которая напрямую соответствовала современным представлениям о квантовой теории черных дыр.

Для того, чтобы произвести черную дыру в лабораторных условиях, необходимо соблюдения основных принципов и параметров:

  • создание первичной флуктуации плотности;
  • столкновение космических лучей;
  • применение ускорителя частиц.

Проблемы поиска и изучения черных дыр

Для понимания всех процессов в микроскопических черных дырах необходимо для начала понять, что из себя представляет сама черная дыра, находящаяся в естественных условиях Вселенной. Ученые пытаются найти области космического пространства, где фиксируется скопления этих интересных объектов. Так как современные фоновые телескопы часто не могут справиться со своей задачей, то исследователи проводят собственные искусственные исследования в научных комплексах. Самым известным сооружением, при помощи которого планируют создать микроскопическую черную дыру, является Большой Адронный Коллайдер. Он установлен в Швейцарии. Ускоритель БАК сможет столкнуть две частицы с огромной силой, а затем они коллапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Ученые намерены при помощи последующего анализа полученных данных скорректировать основные направление квантовых теорий гравитации и струн. Затем указанные данные могут ответить на вопрос о зарождении и развитии Вселенной, а также понять, сколько на самом деле существует измерений, и каким образом их можно найти и использовать.

Замечание 2

По одной из версий, черные дыры являются своеобразными порталами в иное измерение времени и пространства, входными дверями во Вселенную, что существует параллельно нашей.

spravochnick.ru

Персональный сайт - Квантовые чёрные дыры.

ДВА ТИПА ЧЁРНЫХ ДЫР

Астрофизические чёрные дыры являются остатками массивных звёзд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ГЭС, преобразующие гравитационную потенциальную энергию — единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем.
Микроскопические чёрные дыры могут иметь массу, как у крупного астероида. Они могли возникнуть сразу после Большого взрыва при сжатии уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня при столкновении быстрых частиц. Вместо того, чтобы заглатывать вещество, они должны испускать излучение и быстро распадаться.

Что упало, то пропало?


Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришёл к выводу, что чёрные дыры не только заглатывают частицы, но и выплёвывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголёк, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у чёрной дыры с массой 10 12 кг (это масса средней горы) температура 10 12 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных — электронов и позитронов.

Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что чёрная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать всё более энергичные частицы и при этом уменьшается всё быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения чёрной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна — 10 64 лет. Дыра с массой 10 12 кг живёт 10 10 лет — возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные чёрные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать своё испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные чёрные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

Согласно теории относительности, информация о том, что попало в чёрную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, чёрные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.

Предположение о том, что от чёрных дыр что-то остаётся, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом чёрной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки чёрной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе всё стало бы неустойчивым.

Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошёл до другого, — неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков (см. „Сингулярный компьютер“, „В мире науки“, № 2, 2005 г.).

 

Бернард Карр
Стивен Гиддингс
Kвантовые чёрные дыры

С тех пор как почти 80 лет назад изобрели ускорители элементарных частиц, их использовали для решения таких задач, как разрушение атомов, превращение элементов, создание антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но, возможно, вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной — чёрные дыры.

Чёрные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звёзды. Но дыры, которые, возможно, будут созданы в ускорителях высокой энергии (например, в Большом адронном коллайдере (БАК), который будет запущен в 2007 г. в ЦЕРНе под Женевой), приходятся дальними родственниками тем астрофизическим „бегемотам“. Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звёзды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской ёлке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.

Мощное сжатие

Современная концепция чёрных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий чёрной дыры. Объекты могут попадать внутрь неё, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, её размер прямо пропорционален её массе. Чтобы Солнце стало чёрной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т. е. в 4 млн. раз, а Землю — до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 10 19 кг/м 3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые лёгкие кандидаты в чёрные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.

Но коллапс звёзд — не единственный способ рождения чёрных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной. Их называют первичными чёрными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (10 97 кг/м 3 ), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать „ткань“ пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать чёрные дыры диаметром всего лишь 10 –35 м (длина Планка) и массой 10 –8 кг (масса Планка).

Такова самая лёгкая чёрная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться всё более массивные первичные чёрные дыры. Те, что имели массу меньше 10 12 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т. е.  были бы макроскопическими объектами.

Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных чёрных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность чёрной дыры оказалась выше средней, так что необходимы ещё и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных чёрных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных чёрных дырах заключено не слишком много вещества.

 


Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических чёрных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные чёрные дыры с начальной массой 10 12 кг, взрывающиеся в современной Вселенной. Модель распада чёрной дыры
Из центра трубки ускорителя (чёрный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля тёмного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (David Cline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным чёрным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть связаны со взрывами или слияниями звёзд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения чёрной дыры.

Ещё более захватывающая возможность — создание чёрных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и „Теватрон“ Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc 2 эта энергия эквивалентна массе 10 –23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может

К иным измерениям!


За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трёх измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трёхмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений — компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая даёт тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.

Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться чёрная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения чёрной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.

Теоретические исследования образования чёрных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (Roger Penrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (Peter D'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (Tom Banks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (Willy Fischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г.

В 2001 г. на конференции две группы учёных: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (Scott Thomas) из Стэнфордского университета, а также Савас Димопулос (Savas Dimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, чёрные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой чёрных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным.

Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся чёрная дыра — иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты её распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп учёных детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить чёрные дыры.

 

 

Чёрные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, чёрные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечёт параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку её часть будет уходить в другую Вселенную).

Как сделать чёрную мини-дыру.

Первичные флуктуации плотности
В раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Её плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в чёрную дыру.
Столкновения космических лучей
Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать чёрные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.
Ускоритель частиц
Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в чёрную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Из центра трубки ускорителя (чёрный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ КВАНТОВОЙ ЧЁРНОЙ ДЫРЫ

При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать чёрную дыру. Новорождённая дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10 –24 кг.)

Успокаиваясь, чёрная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), „дыра теряет свои волосы“, т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.

Чёрная дыра уже не чёрная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости чёрной дыры.

Перестав вращаться, чёрная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.

Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнёт испускать струны, т. е. самые фундаментальные частицы вещества.

alexmyasnikova2010.narod.ru

Черные дыры и структура пространства-времени. 2. Черные дыры и квантовая механика

Хуан Малдасена (Juan Maldacena),
Институт высших исследований, Школа естественных наук, Принстон, Нью-Джерси, США

Английский оригинал    Видеозапись    Презентация лекции (pdf, 656 Кб)

2. Черные дыры и квантовая механика

Следующий сюрприз ждал ученых, когда они занялись изучением квантовых эффектов. В квантовой механике вакуум — это не просто полное отсутствие элементарных частиц. Вакуум — это весьма интересное состояние пространства, в котором постоянно возникают и тут же аннигилируют пары «частица-античастица». В спрямленном пространстве чистого выхода в виде возникших из вакуума частиц мы не имеем в силу закона сохранения энергии. То есть, фактически, частицы взаимно аннигилируются, даже не успев родиться. В 1974 году всё тот же Стивен Хокинг доказал, что вблизи горизонта это не так. Имеется ненулевая вероятность рождения пары частиц, сразу же оказывающихся по разные стороны бесконечно тонкого горизонта, причем закон сохранения энергии не нарушается, поскольку частица снаружи горизонта обладает, с точки зрения стороннего наблюдателя, положительной энергией, а частица внутри горизонта — отрицательной (при этом с точки зрения наблюдателя внутри сферы Шварцшильда всё выглядит с точностью до наоборот). Тепловое распределение испускаемых частиц соответствует температуре, которая обратно пропорциональна массе черной дыры. Даже для черных дыр звездной массы эта температура настолько близка к абсолютному нулю, что этот эффект зарегистрировать фактически невозможно. Однако, если черная дыра достаточно долго пробыла бы в полном вакууме, то за счёт эффекта Хокинга она постепенно бы теряла массу через излучение рождающихся на поверхности частиц. Теряя массу, черная дыра разогревается. Черная дыра с массой порядка 1019 кг (масса большого горного хребта) разогреется до температуры в несколько тысяч градусов и будет вылядеть белой. Однако мощность такого излучения будет составлять не больше милливатта, и зарегистрировать его по-прежнему практически невозможно. Но, чем меньше становится масса изолированной черной дыры, тем выше становится её температура, и тем быстрее она «испаряется», пока, вероятно, не испарится полностью. Фактически, если бы нам удалось сжать до плотности черной дыры всего несколько килограммов вещества (на практике нам этого, конечно, не дано!), такая черная дыра испарилась бы меньше, чем за одну миллисекунду, а энергии при этом выделилось бы больше, чем при взрыве водородной бомбы.

Наличие такого теплового излучения у черных дыр сразу создает две головоломки: 1) причины повышения энтропии черной дыры и 2) информационный парадокс. Попробую объяснить их смысл подробнее.

2.1. Энтропия черных дыр

В классической физике тепловые свойства вещества обусловлены движением составляющих его материальных частиц. Например, температура воздуха связана со среднеквадратичной скоростью теплового движения его молекул. Родственное температуре понятие называется энтропия. Энтропия дает количественное выражение степени хаотичности движения составляющих системы. Законы термодинамики позволяют связать энтропию с температурой, массой и объемом, благодаря чему её можно рассчитать, не зная микроскопических деталей строения системы. Хокинг и Бекенштейн (Bekenstein) показали, что энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т. н. гравитационной длины Планка lPlanck = 10–33 см. Для черной дыры макроскопических размеров значение энтропии получается просто чудовищным. Однако законов термодинамики в данном случае, похоже, ничто не отменяет, и они продолжают действовать даже с учетом, по сути, бесконечного «вклада» невидимых недр черной дыры в её энтропию. Результаты эти крайне озадачивают, прежде всего, потому, что совершенно не ясно, из чего «складывается» энтропия черной дыры, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии, внутри черной дыры нет. По крайней мере, мы не можем усмотреть их «снаружи», поскольку нам видится только по-настоящему «черная» дыра — бездонный провал в ткани пространства-времени, и чтобы понять, из каких «компонентов» она реально состоит, необходимо найти какие-то самые фундаментальные составные элементы, на которые можно разложить саму геометрию пространства-времени.

Крайне интересно еще и то, что энтропия черной дыры пропорциональна её площади (квадрату радиуса), а не объему (кубу радиуса). В начале 1990-х годов Хофт ('t Hooft) и Зюскинд (Susskind) предположили, что в теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию, число элементарных компонентов, необходимых для исчерпывающего описания системы, пропорционально площади окружающей поверхности, в которую она заключена. А это означает, что структура пространства-времени в корне отличается от структуры твёрдого тела, в котором число таких элементарных компонентов (материальных точек или атомов) возрастает пропорционально её объему, а отнюдь не площади. С практической точки зрения такое ограничение энтропии поверхностью сферы не кажется чересчур принципиальным, однако, с теоретической точки зрения, оно приводит к коренному изменению представлений о мире, поскольку оказывается возможным описать замкнутую пространственно-временную область исключительно по поведению компонентов, расположенных на её внешней границе.

2.2. Информационный парадокс

Мы уже отмечали, что происхождение чёрной дыры может быть различным, однако свойства самой дыры от этого не меняются. Обычно в физике при фазовом переходе или ином преобразовании от исходного состояния вещества зависит и конечное состояние вещества. Иногда различия едва заметны, но они присутствуют. Позвольте привести пример. Возьмём две абсолютно одинаковые тарелки, напишем на одной из них букву А, а на другой — букву Б, после чего разобьём ту и другую на мелкие кусочки. На первый взгляд результат идентичен — две груды мелких осколков на полу. Однако, тщательно изучив обе кучи битого фарфора, мы рано или поздно сумеем разобраться, на какой из исходных тарелок какая буква значилась.

А теперь предположим, что одну из этих тарелок мы бросили в чёрную дыру. Судя по всему, что мы знаем на сегодняшний день, рано или поздно всё вещество этой черной дыры вместе с остатками тарелки испарится в виде излучения Хокинга. Согласно теории Хокинга это будет чисто тепловое излучение, не зависящее от исходного состояния ни самой черной дыры, ни, тем более, попавшей в неё тарелки. То есть, мы, судя по всему, никогда не восстановим информацию о том, какая буква была изначально написана на тарелке.

На первый взгляд это кажется чистой воды академической казуистикой. Мы же постоянно что-то забываем в обычной жизни, и нам это не кажется противоестественным! Однако проблема-то на самом деле крайне серьезна, поскольку квантовая механика утверждает, что законы, управляющие этим процессом, таковы, что подобная информация должна быть в принципе восстановима. Поэтому решение проблемы сохранения информации является необходимостью с точки зрения построения последовательной и внутренне непротиворечивой квантовой теории гравитации. Информационный парадокс обязан быть разрешен в рамках такой теории.

Многие видные физики, включая С. Хокинга, полагали, что это невозможно. Они считали, что всякая информация внутри черной дыры уничтожается бесследно, и, как следствие, предлагали отказаться и от идеи Великого объединения теории взаимодействий в рамках квантово-механических представлений, и от квантовой механики, как таковой, поскольку она постулирует невыполнимый принцип сохранения информации.

Однако дальнейшее осмысление этого вопроса привело к интересным последствиям, а именно, к развитию теории струн в физике элементарных частиц.

elementy.ru

Kвантовые чёрные дыры - Вселенная - Каталог статей

Мощное сжатие

Современная концепция чёрных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий чёрной дыры. Объекты могут попадать внутрь неё, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, её размер прямо пропорционален её массе. Чтобы Солнце стало чёрной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т. е. в 4 млн. раз, а Землю — до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

Два типа чёрных дыр

Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 10 19 кг/м 3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые лёгкие кандидаты в чёрные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.

Но коллапс звёзд — не единственный способ рождения чёрных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (StephenW. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной. Их называют первичными чёрными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (10 97 кг/м 3 ), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать „ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать чёрные дыры диаметром всего лишь 10 –35 м(длинаПланка) и массой 10 –8 кг(массаПланка).

Такова самая лёгкая чёрная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться всё более массивные первичные чёрные дыры. Те, что имели массу меньше 10 12 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т. е.  были бы макроскопическими объектами.

Как сделать чёрную мини-дыру

Первичные флуктуации плотности
В раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Её плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в чёрную дыру.

Столкновения космических лучей
Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать чёрные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.

Ускоритель частиц
Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в чёрную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных чёрных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность чёрной дыры оказалась выше средней, так что необходимы ещё и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных чёрных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных чёрных дырах заключено не слишком много вещества.
Что упало, то пропало?

Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришёл к выводу, что чёрные дыры не только заглатывают частицы, но и выплёвывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголёк, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у чёрной дыры с массой 10 12 кг(это масса средней горы) температура 10 12 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных — электронов и позитронов.

Рождение и смерть квантовой чёрной дыры

При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать чёрную дыру. Новорождённая дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10 –24 кг.)


Успокаиваясь, чёрная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (JohnA. Wheeler), „дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.



Чёрная дыра уже не чёрная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости чёрной дыры.

Перестав вращаться, чёрная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.

Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнёт испускать струны, т. е. самые фундаментальные частицы вещества.

Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что чёрная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать всё более энергичные частицы и при этом уменьшается всё быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения чёрной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна — 10 64 лет. Дыра с массой 10 12 кг живёт 10 10 лет — возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные чёрные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать своё испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные чёрные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

Согласно теории относительности, информация о том, что попало в чёрную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, чёрные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.

Предположение о том, что от чёрных дыр что-то остаётся, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом чёрной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки чёрной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе всё стало бы неустойчивым.

Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошёл до другого, — неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков (см. „Сингулярный компьютер", „В мире науки", № 2, 2005 г.).

Поиск дыр

Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических чёрных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные чёрные дыры с начальной массой 10 12 кг, взрывающиеся в современной Вселенной.

Модель распада чёрной дыры

Из центра трубки ускорителя (чёрныйкруг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля тёмного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (DavidCline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным чёрным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть связаны со взрывами или слияниями звёзд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения чёрной дыры.

Ещё более захватывающая возможность — создание чёрных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и „Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт(ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc 2 эта энергия эквивалентна массе 10 –23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может образоваться чёрная дыра.

Делать дыры нелегко

Насколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в чёрную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звёзды (см. график). Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны (см. рисунок), поэтому дыра не может иметь массу менее 10 –8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придётся так сильно сжимать.

Но масса 10 –23 кг намного меньше массы Планка в 10 –8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой лёгкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределённости. Поскольку частицы ведут себя ещё и как волны, они „размазываются" в некотором пространстве, которое уменьшается с ростом энергии: при энергиях БАК его размер 10 –19 м. Это наименьшая область, в которую можно упаковать энергию частицы. Получается плотность 10 23 кг/м 3 — довольно высокая, но недостаточная для создания чёрной дыры. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 10 15 раз больше энергии БАК. Несмотря на то что ускорители могли бы создать объекты, математически подобные чёрным дырам (и некоторые теоретики думают, что это уже сделано), сами дыры, похоже, лежат вне досягаемости.
К иным измерениям!

За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трёх измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трёхмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений — компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая даёт тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.

Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться чёрная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения чёрной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.

Чёрные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, чёрные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечёт параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку её часть будет уходить в другую Вселенную).

Теоретические исследования образования чёрных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (RogerPenrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (PeterD'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (TomBanks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (WillyFischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г.

В 2001 г. на конференции две группы учёных: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (ScottThomas) из Стэнфордского университета, а также Савас Димопулос (SavasDimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (GregLandsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, чёрные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой чёрных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным.

Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся чёрная дыра — иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты её распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп учёных детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить чёрные дыры.

Водопад из чёрных дыр?

Перспектива создания чёрных дыр на Земле может показаться безумной. Откуда мы знаем, что они благополучно распадутся, как предсказывает Хокинг, а не продолжат свой рост и в конце концов не проглотят нашу планету? На первый взгляд, весьма обоснованная тревога, особенно если учесть, что некоторые детали исходной теории Хокинга могут быть неверны: скажем, утверждение, что информация разрушается в чёрных дырах. Однако общие принципы квантовой механики указывают, что микроскопические чёрные дыры не могут быть устойчивы, а значит, они безопасны. Концентрации энергии и массы, типа элементарных частиц, постоянны, только если какой-то закон сохранения запрещает их распад. Примерами служат сохранение электрического заряда и барионного числа. Но нет такого закона, который стабилизировал бы маленькую чёрную дыру. В квантовой теории всё, что не запрещено, обязательно происходит, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики маленькие чёрные дыры быстро распадутся.

Обзор:
  • Черные дыры могут иметь разнообразные размеры и даже быть меньше субатомных частиц. Крошечные дыры должны разрушаться квантовыми эффектами, а самые мелкие — взрываться сразу после рождения.
  • Малые чёрные дыры могли остаться от ранних стадий Большого взрыва, поэтому астрономы пытаются обнаружить взрывы некоторых из них.
  • Теоретики предполагают, что малые чёрные дыры могут возникать при столкновениях в современной Вселенной и даже на Земле. Правда, для этого потребуется гигантская энергия. Но если пространство имеет дополнительные измерения, то энергетический порог будет намного ниже, и дыры могли бы рождаться в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и при столкновении космических лучей с атмосферой. Физики могли бы использовать дыры для исследования дополнительных измерений пространства.
  • Да и опыт подсказывает, что фабрика чёрных дыр не представляет опасности. Ведь столкновения с высокой энергией, такие как в БАК, уже имели место, например, в ранней Вселенной. Изредка они происходят и теперь, когда быстрые частицы космических лучей влетают в нашу атмосферу: природа сама создаёт чёрные дыры. Уже первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космические лучи высокой энергии (протоны или более тяжёлые атомные ядра с энергиями до 10 9 ТэВ) могут рождать в атмосфере порядка 100 чёрных дыр в год.

    Кроме того, оба вышеуказанных учёных вместе с Дэвидом Дорфаном (DavidDorfan) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Томом Риццо (TomRizzo) из Стэнфордского центра линейного ускорителя, а также, независимо, Джонатан Фенг (JonathanL. Feng) из Калифорнийского университета в Ирвине и Альфред Шейпер (AlfredD. Shapere) из Университета штата Кентукки доказали, что столкновения космических нейтрино могут быть даже более эффективны. Если это так, то новая Обсерватория космических лучей им. Оже в Аргентине, которая уже вступила в строй, и модернизируемая Обсерватория Fly's Eye („Глазмухи") в штате Юта смогут наблюдать по несколько дыр в год. Однако такие исследования не отменяют необходимость в экспериментах на ускорителях, где при контролируемых условиях может формироваться множество дыр.

    Наличие чёрных дыр доказало бы существование скрытых измерений пространства, а наблюдая их свойства, физики могли бы исследовать „географию" измерений. Например, если создавать на ускорителе дыры всё большей массы, они станут проникать всё глубже в дополнительные измерения и сравниваться по размеру с одним или несколькими из них, демонстрируя при этом характерные изменения зависимости своей температуры от массы. К тому же если чёрная дыра становится достаточно большой, чтобы пересечься с параллельной трёхмерной Вселенной в дополнительных измерениях, характеристики её распада должны неожиданно измениться.

    Создание чёрных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок — к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать чёрные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины, по-видимому, перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением чёрной дыры. Столкновения при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, приведут к рождению чёрных дыр всё большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец важного направления науки. И возникнет новая задача — исследования дополнительных измерений пространства.

    Об авторах:
    Бернард Карр, Стивен Гиддингс
    (Bernard Carr, Steven Giddings). Карр — профессор Лондонского университета королевы Марии. Он заинтересовался астрофизикой после известного документального фильма Найджела Колдера (NigelCalder) „Неистовая Вселенная", показанного в 1969 г. Позже он стал аспирантом Хокинга и одним из первых теоретически изучил маленькие чёрные дыры. Гиддингс — профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специалист по квантовой гравитации и космологии. Он одним из первых исследовал возможность создания чёрных дыр в ускорителях
    частиц.

    Ист.wsyachina.narod.ru

    yngo.at.ua

    KВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ - Чёрные дыры - - Каталог статей

    Физики вскоре смогут создавать черные дыры в лаборатории.

    С тех пор как почти 80 лет назад изобрели ускорители элементарных частиц, их использовали для решения таких задач, как разрушение атомов, превращение элементов, создание антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но, возможно, вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной - черные дыры.

    Черные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звезды. Но дыры, которые, возможно, будут созданы в ускорителях высокой энергии (например, в Большом адронном коллайдере (БАК), который будет запущен в 2007 г. в ЦЕРНе под Женевой), приходятся дальними родственниками тем астрофизическим "бегемотам". Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звезды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской елке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.


    ДВА ТИПА ЧЕРНЫХ ДЫР

    Астрофизические черные дыры являются остатками массивных звезд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ГЭС, преобразующие гравитационную потенциальную энергию - единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем.

    Микроскопические черные дыры могут иметь массу, как у крупного астероида. Они могли возникнуть сразу после Большого взрыва при сжатии уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня при столкновении быстрых частиц. Вместо того, чтобы заглатывать вещество, они должны испускать излучение и быстро распадаться.

    Мощное сжатие

    Современная концепция черных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий черной дыры. Объекты могут попадать внутрь нее, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, ее размер прямо пропорционален ее массе. Чтобы Солнце стало черной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн. раз, а Землю - до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

    Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 1019 кг/м3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые легкие кандидаты в черные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.

    Но коллапс звезд - не единственный способ рождения черных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной. Их называют первичными черными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (1097 кг/м3), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать "ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10-35 м (длина Планка) и массой 10-8 кг (масса Планка).

    Такова самая легкая черная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться все более массивные первичные черные дыры. Те, что имели массу меньше 1012 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т.е. были бы макроскопическими объектами.

    Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных черных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность черной дыры оказалась выше средней, так что необходимы еще и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных черных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных черных дырах заключено не слишком много вещества.


     
     КАК СДЕЛАТЬ ЧЕРНУЮ МИНИ-ДЫРУ


    Первичные флуктуации плотности
    В раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Ее плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в черную дыру.

    Столкновения космических лучей

    Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.

    Ускоритель частиц
    Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

    Что упало, то пропало?

    Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришел к выводу, что черные дыры не только заглатывают частицы, но и выплевывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголек, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у черной дыры с массой 1012 кг (это масса средней горы) температура 1012 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных - электронов и позитронов.

    Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что черная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна - 1064 лет. Дыра с массой 1012 кг живет 1010 лет - возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные черные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать свое испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

    Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные черные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

    Согласно теории относительности, информация о том, что попало в черную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, черные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.

    Предположение о том, что от черных дыр что-то остается, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом черной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки черной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе все стало бы неустойчивым.

    Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошел до другого, - неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков (см. "Сингулярный компьютер", "В мире науки", №2, 2005 г.).


    РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ КВАНТОВОЙ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

    При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать черную дыру. Новорожденная дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10-24 кг.)

    Успокаиваясь, черная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), "дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.

    Черная дыра уже не черная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости черной дыры.

    Перестав вращаться, черная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.

    Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнет испускать струны, т.е. самые фундаментальные частицы вещества.


    Модель распада чёрной дыры

    Из центра трубки ускорителя (черный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

    Поиск дыр

    Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических черных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные черные дыры с начальной массой 1012 кг, взрывающиеся в современной Вселенной. Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля темного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (David Cline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным черным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть связаны со взрывами или слияниями звезд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения черной дыры.

    Еще более захватывающая возможность - создание черных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc2 эта энергия эквивалентна массе 10-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может образоваться черная дыра.

    Но масса 10-23 кг намного меньше массы Планка в 10-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой легкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределенности. Поскольку частицы ведут себя еще и как волны, они "размазываются" в некотором пространстве, которое уменьшается с ростом энергии: при энергиях БАК его размер 10-19 м. Это наименьшая область, в которую можно упаковать энергию частицы. Получается плотность 1023 кг/м3 - довольно высокая, но недостаточная для создания черной дыры. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 1015 раз больше энергии БАК. Несмотря на то что ускорители могли бы создать объекты, математически подобные черным дырам (и некоторые теоретики думают, что это уже сделано), сами дыры, похоже, лежат вне досягаемости.


    ДЕЛАТЬ ДЫРЫ НЕЛЕГКО
    Насколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в черную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звезды (см. график). Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны (см. рисунок), поэтому дыра не может иметь массу менее 10-8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придется так сильно сжимать.


    К иным измерениям!

    За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трехмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений - компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая дает тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.

    Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться черная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения черной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.

    Теоретические исследования образования черных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (Roger Penrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (Peter D'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (Tom Banks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (Willy Fischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г.

    В 2001 г. на конференции две группы ученых: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (Scott Thomas) из Стэнфордского университета, а также Савас Димопулос (Savas Dimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, черные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой черных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным.

    Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся черная дыра - иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты ее распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп ученых детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить черные дыры.

    Черные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, черные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечет параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку ее часть будет уходить в другую Вселенную).


    Водопад из черных дыр?

    Перспектива создания черных дыр на Земле может показаться безумной. Откуда мы знаем, что они благополучно распадутся, как предсказывает Хокинг, а не продолжат свой рост и в конце концов не проглотят нашу планету? На первый взгляд, весьма обоснованная тревога, особенно если учесть, что некоторые детали исходной теории Хокинга могут быть неверны: скажем, утверждение, что информация разрушается в черных дырах. Однако общие принципы квантовой механики указывают, что микроскопические черные дыры не могут быть устойчивы, а значит, они безопасны. Концентрации энергии и массы, типа элементарных частиц, постоянны, только если какой-то закон сохранения запрещает их распад. Примерами служат сохранение электрического заряда и барионного числа. Но нет такого закона, который стабилизировал бы маленькую черную дыру. В квантовой теории все, что не запрещено, обязательно происходит, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики маленькие черные дыры быстро распадутся.

    Да и опыт подсказывает, что фабрика черных дыр не представляет опасности. Ведь столкновения с высокой энергией, такие как в БАК, уже имели место, например, в ранней Вселенной. Изредка они происходят и теперь, когда быстрые частицы космических лучей влетают в нашу атмосферу: природа сама создает черные дыры. Уже первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космические лучи высокой энергии (протоны или более тяжелые атомные ядра с энергиями до 109 ТэВ) могут рождать в атмосфере порядка 100 черных дыр в год.

    Кроме того, оба вышеуказанных ученых вместе с Дэвидом Дорфаном (David Dorfan) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Томом Риццо (Tom Rizzo) из Стэнфордского центра линейного ускорителя, а также, независимо, Джонатан Фенг (Jonathan L. Feng) из Калифорнийского университета в Ирвине и Альфред Шейпер (Alfred D. Shapere) из Университета штата Кентукки доказали, что столкновения космических нейтрино могут быть даже более эффективны. Если это так, то новая Обсерватория космических лучей им. Оже в Аргентине, которая уже вступила в строй, и модернизируемая Обсерватория Fly's Eye ("Глаз мухи") в штате Юта смогут наблюдать по несколько дыр в год. Однако такие исследования не отменяют необходимость в экспериментах на ускорителях, где при контролируемых условиях может формироваться множество дыр.

    Наличие черных дыр доказало бы существование скрытых измерений пространства, а наблюдая их свойства, физики могли бы исследовать "географию" измерений. Например, если создавать на ускорителе дыры все большей массы, они станут проникать все глубже в дополнительные измерения и сравниваться по размеру с одним или несколькими из них, демонстрируя при этом характерные изменения зависимости своей температуры от массы. К тому же если черная дыра становится достаточно большой, чтобы пересечься с параллельной трехмерной Вселенной в дополнительных измерениях, характеристики ее распада должны неожиданно измениться.

    Создание черных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок - к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать черные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины, по-видимому, перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением черной дыры. Столкновения при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, приведут к рождению черных дыр все большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец важного направления науки. И возникнет новая задача - исследования дополнительных измерений пространства.

    ОБЗОР: ФАБРИКИ ЧЕРНЫХ ДЫР
  • Черные дыры могут иметь разнообразные размеры и даже быть меньше субатомных частиц. Крошечные дыры должны разрушаться квантовыми эффектами, а самые мелкие - взрываться сразу после рождения.
  • Малые черные дыры могли остаться от ранних стадий Большого взрыва, поэтому астрономы пытаются обнаружить взрывы некоторых из них.
  • Теоретики предполагают, что малые черные дыры могут возникать при столкновениях в современной Вселенной и даже на Земле. Правда, для этого потребуется гигантская энергия. Но если пространство имеет дополнительные измерения, то энергетический порог будет намного ниже, и дыры могли бы рождаться в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и при столкновении космических лучей с атмосферой. Физики могли бы использовать дыры для исследования дополнительных измерений пространства.
  • ОБ АВТОРАХ:
    Бернард Карр, Стивен Гиддингс
    (Bernard Carr, Steven Giddings). Карр - профессор Лондонского университета королевы Марии. Он заинтересовался астрофизикой после известного документального фильма Найджела Колдера (Nigel Calder) "Неистовая Вселенная", показанного в 1969 г. Позже он стал аспирантом Хокинга и одним из первых теоретически изучил маленькие черные дыры. Гиддингс - профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специалист по квантовой гравитации и космологии. Он одним из первых исследовал возможность создания черных дыр в ускорителях частиц.

    blackhole.3dn.ru

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *