Кіріспе

Микро қара тесіктер, сондай-ақ шағын қара тесіктер немесе кванттық механикалық қара тесіктер деп аталады, бұл кванттық механикалық әсерлер маңызды рөл атқаратын өте кішкентай (<1) қара тесіктер. Жұлдыздық массадан кіші қара тесіктердің болуы мүмкін деген ұғымды 1971 жылы Стивен Хокинг енгізді. Мұндай қара тесіктер ерте Ғаламның (немесе Ұлы Жарылыстың) жоғары тығыздықтағы ортасында немесе кейінірек фазалық өтулер арқылы (алғашқы қара тесіктер деп аталады) пайда болуы мүмкін. Астрофизиктер оларды Хокинг сәулесі арқылы шығаратын бөлшектер арқылы байқауы мүмкін. Торсия гравитациялық өріс болғанда Дирак теңдеуін өзгертеді және фермион бөлшектерінің кеңістікте кеңеюіне себеп болады. Бұл жағдайда фермиондардың кеңістіктегі кеңеюі қара тесіктің ең төменгі массасын e=16 шамасында шектейді, бұл микро қара тесіктердің болуы мүмкін емес екенін көрсетеді. Мұндай қара тесік жасау үшін қажетті энергия Үлкен адрондық коллайдердегі энергиядан 39 рет артық, яғни LHC шағын қара тесіктерді жасай алмайды. Бірақ егер қара тесіктер пайда болса, онда жалпы салыстырмалылық теориясы дұрыс емес болып шығады және осы кішкентай арақашықтықта қолданылмайды. Жалпы салыстырмалылық теориясының қағидалары бұзылады, бұл материя, кеңістік және уақыттың қара тесіктің оқиғалар горизонтының маңында қалай бұзылатыны туралы теориялармен сәйкес келеді. Бұл фермион шектерінің кеңістіктік кеңеюлерінің де дұрыс емес екенін көрсетеді. Фермион шектері қара тесікті сақтау үшін қажетті ең төменгі массаны қарастырады, ал керісінше, қара тесікті бастау үшін қажетті ең төменгі массаны, теориялық тұрғыдан кейбір жағдайларда LHC-де қол жеткізуге болады.

Хокинг сәулесі

1975 жылы Стивен Хокинг кванттық эффектілерге байланысты қара тесіктердің қазір Хокинг сәулеленуі деп аталатын процесс арқылы «буға айналатынын» дәлелдеді, онда элементарлық бөлшектер (мысалы, фотон, электрон, кварк және глюондар) шығарылады. Оның есептеулері қара тесіктің мөлшері неғұрлым кіші болса, булану жылдамдығы соғұрлым жоғары болатынын, нәтижесінде микро қара тесік кенеттен жарылып, бөлшектердің күрт шығарылуына себеп болатынын көрсетті. Кез келген бастапқы қара тесіктің массасы жеткілікті түрде төмен болса, ол Әлемнің өмір сүру ұзақтығы ішінде Планк массасына жуық буланып кетеді. Бұл процесте, осы кішкентай қара тесіктер материяны сәулелендіреді. Бұл құбылыстың шамамен сипаттамасы – оқиғалар көкжиегіне жақын вакуумнан виртуалды бөлшектердің жұптары пайда болады, олардың біреуі қара тесікке тартылып, екіншісі оның маңынан қашып кетеді. Соның салдарынан қара тесік массасын жоғалтады (энергия сақталу заңына сәйкес). Қара тесіктер термодинамикасының формулаларына сәйкес, қара тесік массасын қаншалықты көп жоғалтса, ол соншалықты ыстық болатындығымен қатар, Планк массасына жақындағанша, булану жылдамдығы да артады. Бұл сатыда қара тесіктің Хокинг температурасы (5.6e30) құрайды, яғни шығарылған Хокинг бөлшегінің энергиясы қара тесіктің массасына шамалас болады. Осы жағдайда термодинамикалық сипаттама бұзылады. Мұндай микро қара тесіктің энтропиясы тек 4 натқа тең болады, бұл шамамен ең төменгі мүмкін мән. Осы кезде бұл нысанды классикалық қара тесік деп сипаттау мүмкін емес, Хокингтің есептеулері де қолданыссыз болады. Хокинг сәулеленуіне кейде күмән келтірілсе де, Леонард Сускинд өзінің «Қара тесіктер соғысы» атты кітабында сарапшылар пікірін былай қорытындылады: «Кейде физикалық мақалалар пайда болады, онда қара тесіктер буланып кетпейді делінеді. Мұндай мақалалар тез арада маргиналды идеялардың шексіз қоқыс жинағына сіңіп кетеді».

Соңғы жағдайға арналған болжамдар

Қара тесіктің соңғы тағдыры туралы болжамдар толық булану және Планк массасы көлеміндегі қара тесік қалдықтарының пайда болуын қамтиды. Егер рұқсат етілген энергия деңгейлері арасындағы кванттық аралықтар оларды Хокинг бөлшектерін шығарудан немесе классикалық қара тесіктер сияқты гравитациялық түрде энергияны жұтудан тосқан жағдайда, мұндай Планк массалы қара тесіктер іс жүзінде тұрақты объектілер болуы мүмкін. Ондай жағдайда олар әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер болар еді; мұның өзі қара материяны түсіндіруге мүмкіндік береді.

Ерте ғаламның пайда болуы

Қара тесік жасау үшін массаның немесе энергияның тиісті Шварцшильд радиусында шоғырлануы қажет. Зельдович пен Новиков, сондай-ақ Хокинг бұл тұжырымды дербес түрде алға тартқан. Олардың пікірінше, Ұлы жарылыстан кейін Ғаламның тығыздығы кеңістіктің кез келген аймағының өзінің Шварцшильд радиусына сыюына жеткілікті болған. Дегенмен, сол кезде Ғаламның біркелкі масса таралуы мен қарқынды өсуі салдарынан сингулярлыққа құлауы мүмкін болмады. Бірақ бұл әртүрлі өлшемдегі қара тесіктердің жергілікті түрде пайда болу мүмкіндігін толығымен жоққа шығармайды. Осылайша пайда болған қара тесік бастапқы қара тесік деп аталады және микро қара тесіктердің пайда болуының ең қабылданған гипотезасы болып табылады. Компьютерлік модельдеу нәтижелері бастапқы қара тесіктердің пайда болу ықтималдығы олардың массасына кері пропорционал екенін көрсетеді. Осылайша, ең мүмкін нәтиже – микро қара тесіктердің пайда болуы.

Күтілетін байқалатын әсерлер

Бастапқы массасы шамамен e=12 болатын бастапқы қара тесік бүгін булануын аяқтаған болар еді; одан аз массалы бастапқы қара тесік бұрыннан-ақ буланып кеткен болар еді. Микроскопиялық қара тесік пен жұлдыз немесе планета сияқты дененің соқтығысуын байқау қиын. Қара тесіктің кішкентай радиусы мен жоғары тығыздығы оған қалыпты атомдардан тұратын кез келген дененің ішінде тікелей өтуге мүмкіндік береді, осы кезде оның тек бірнеше атомымен ғана әрекеттеседі. Дегенмен, Жерді кесіп өтетін жеткілікті массалы кішкентай қара тесік байқалатын акустикалық немесе сейсмикалық сигнал тудыруы мүмкін деген пікір бар. Ал Айда ол миллиардтаған жылдардан кейін де көрінетін ерекше кратерді қалдыруы мүмкін.

Өндірістің тиімділігі

Таныс үш өлшемді гравитацияда микроскопиялық қара тесіктің ең төменгі энергиясы e = 16 (эквиваленті 1,6 ГДж немесе 444 кВт·сағат) құрайды, оны Планк ұзындығына жуық аймаққа шоғырландыру қажет. Бұл қазіргі технологияның шегінен әлдеқайда асып түседі. Қазіргі қол жетімді магнит өрісінің күшімен екі бөлшекті Планк ұзындығындағы қашықтыққа дейін соқтығыстыру үшін диаметрі шамамен 1000 жарық жылы болатын сақина тәрізді үдеткіш қажет болады деп есептеледі. Дегенмен, кеңістіктің қосымша өлшемдерін қамтитын кейбір жағдайларда Планк массасы TeV диапазонына дейін төмендеуі мүмкін. Үлкен адрондық коллайдердің (LHC) жобалық энергиясы протон-протон соқтығысулары үшін 14, ал Pb-Pb соқтығысулары үшін 1150 ТэВ құрайды. 2001 жылы мұндай жағдайларда қара тесіктердің пайда болуы LHC немесе болашақ жоғары энергиялы коллайдерлерде маңызды және байқалатын құбылыс болуы мүмкін деген тұжырым жасалды. Мұндай кванттық қара тесіктер бөлшектердің шашырауымен ыдырайды, оларды осы құрылғылардағы детекторлармен байқауға болады.

Қауіпсіздік аргументтері

Хокингтің есептеулері, егер Жерді жоя алатын тұрақты микро қара тесіктер болған гипотетикалық жағдайларда, мұндай қара тесіктер ғарыш сәулелерінің әсерінен пайда болып, қазірдің өзінде планеталар, жұлдыздар, немесе нейтрон жұлдыздары және ақ ергештер сияқты жұлдыздық қалдықтардан кездесетін астрономиялық объектілерді жойған болар еді.

Кванттық ауырлық теориясындағы қара тесіктер

Кванттық гравитацияның кейбір теорияларында, қалыпты, классикалық қара тесіктерге кванттық түзетулерді есептеу мүмкін. Бастапқы салыстырмалылық теориясының гравитациялық өріс теңдеулерінің шешімі болып табылатын дәстүрлі қара тесіктерден өзгеше, кванттық гравитациялық қара тесіктер классикалық тұрғыдан қисықтық сингулярлығы пайда болатын нүктенің маңында кванттық гравитация әсерлерін қамтиды. Қанттық гравитация әсерлерін модельдеуге қолданылатын теорияға байланысты, кванттық гравитациялық қара тесіктердің түрлі түрлері бар, атап айтқанда, циклдық кванттық қара тесіктер, коммутативті емес қара тесіктер және асимптотикалық қауіпсіз қара тесіктер. Бұл тәсілдерде қара тесіктер сингулярлықтан бос болады. Стивен Хокинг 1995 жылы және Фабио Скардигли 1999 жылы кванттық гравитацияның мүмкін кандидаты ретінде, Ұлы Біріктірілген Теорияның бір бөлігі ретінде виртуалды микро қара тесіктерді ұсынды.