Введение

Гипотетические черные дыры очень маленького размера. Микроскопические черные дыры, также называемые мини-черными дырами или квантово-механическими черными дырами, – это гипотетические крошечные (<1) черные дыры, для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. Концепция о возможности существования черных дыр, масса которых меньше звездной, была предложена Стивеном Хокингом в 1971 году. Предполагается, что такие черные дыры могли образоваться в условиях высокой плотности ранней Вселенной (или Большого взрыва) или, возможно, в ходе последующих фазовых переходов (известных как первичные черные дыры). Астрофизики могли бы наблюдать их по частицам, которые, как ожидается, они излучают посредством излучения Хокинга. Торсион модифицирует уравнение Дирака в присутствии гравитационного поля и приводит к пространственному расширению фермионных частиц. В этом случае пространственное расширение фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры величиной порядка e=16, что указывает на то, что микроскопические черные дыры могут не существовать. Энергия, необходимая для создания такой черной дыры, превышает энергию, доступную на Большом адронном коллайдере, на 39 порядков, что означает, что БАК не способен создавать мини-черные дыры. Однако, если черные дыры все же будут созданы, это опровергнет общую теорию относительности и покажет, что она неприменима на таких малых расстояниях. Правила общей теории относительности будут нарушены, что согласуется с теориями о разрушении материи, пространства и времени вблизи горизонта событий черной дыры. Это также опровергнет справедливость ограничений, связанных с пространственным расширением фермионов. Эти ограничения предполагают минимальную массу, необходимую для *существования* черной дыры, в то время как речь идет о минимальной массе, необходимой для её *образования*, что теоретически возможно в БАК при определенных условиях.

Излучение Хокинга

В 1975 году Стивен Хокинг предположил, что из-за квантовых эффектов черные дыры "испаряются" посредством процесса, теперь известного как излучение Хокинга, в котором испускаются элементарные частицы (такие как фотоны, электроны, кварки и глюоны). Его вычисления показали, что чем меньше размер черной дыры, тем быстрее скорость испарения, что приводит к резкому выбросу частиц при внезапном взрыве микрочерной дыры. Любая первичная черная дыра с достаточно малой массой испарится почти до массы Планка за время существования Вселенной. В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Приблизительно это можно представить так: пары виртуальных частиц возникают из вакуума вблизи горизонта событий, при этом одна частица захватывается, а другая покидает окрестности черной дыры. В результате черная дыра теряет массу (в соответствии с законом сохранения энергии). Согласно формулам термодинамики черных дыр, чем больше масса теряется черной дырой, тем она горячее и тем быстрее испаряется, пока не приблизится к массе Планка. На этой стадии температура Хокинга черной дыры составит (5.6e30), что означает, что испускаемая частица Хокинга будет обладать энергией, сравнимой с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание перестает работать. Такая микрочерная дыра также будет иметь энтропию всего в 4 ната, что приблизительно соответствует минимально возможному значению. В этот момент объект больше нельзя описывать как классическую черную дыру, и вычисления Хокинга также становятся неприменимыми. Хотя излучение Хокинга иногда подвергается сомнению, Леонард Саскинд в своей книге "Война черных дыр" суммирует мнение экспертов: "Время от времени появляется физическая статья, утверждающая, что черные дыры не испаряются. Такие статьи быстро исчезают в бесконечном хранилище маргинальных идей".

Предположения о конечном состоянии

Предположения относительно конечной судьбы чёрной дыры включают в себя полное испарение и образование остатка чёрной дыры размером с массу Планка. Такие чёрные дыры с массой Планка фактически могут оказаться стабильными объектами, если квантованные промежутки между их допустимыми энергетическими уровнями препятствуют излучению частиц Хокинга или гравитационному поглощению энергии, как это происходит с классической чёрной дырой. В этом случае они будут слабо взаимодействующими массивными частицами, что может объяснить природу тёмной материи.

Формирование ранней Вселенной

Для создания чёрной дыры требуется концентрация массы или энергии в пределах соответствующего радиуса Шварцшильда. Зельдович и Новиков, а также независимо Хокинг, первыми высказали гипотезу о том, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была достаточно плотной, чтобы любой участок пространства помещался в пределах своего собственного радиуса Шварцшильда. Однако, несмотря на это, Вселенная не смогла коллапсировать в сингулярность из-за равномерного распределения массы и быстрого расширения. Тем не менее, это не полностью исключает возможность локального образования чёрных дыр различных размеров. Чёрная дыра, образовавшаяся таким образом, называется первичной чёрной дырой и является наиболее общепринятой гипотезой о возможном создании микроскопических чёрных дыр. Компьютерное моделирование показывает, что вероятность образования первичной чёрной дыры обратно пропорциональна её массе. Следовательно, наиболее вероятным результатом является образование микроскопических чёрных дыр.

Ожидаемые наблюдаемые эффекты

Первоначальная чёрная дыра с начальной массой около e=12 завершила бы своё испарение сегодня; чёрная дыра с меньшей массой уже испарилась бы. Маловероятно, что столкновение микроскопической чёрной дыры с объектом, таким как звезда или планета, было бы заметным. Небольшой радиус и высокая плотность чёрной дыры позволили бы ей проходить сквозь любой объект, состоящий из обычных атомов, взаимодействуя лишь с немногими из них. Тем не менее, было предложено, что небольшая чёрная дыра достаточной массы, проходящая сквозь Землю, могла бы создать обнаружимый акустический или сейсмический сигнал. На Луне она могла бы оставить характерный кратер, который оставался бы видимым на протяжении миллиардов лет.

Возможность производства

В знакомой трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры равна e=16 (эквивалентно 1,6 ГДж или 444 кВтч), которую необходимо сжать в область порядка длины Планка. Это значительно превосходит возможности любой современной технологии. По оценкам, для столкновения двух частиц на расстоянии, сопоставимом с длиной Планка, при достижимых в настоящее время напряженностях магнитного поля потребуется кольцевой ускоритель диаметром около 1000 световых лет для удержания частиц на траектории. Однако, в некоторых сценариях, включающих дополнительные пространственные измерения, масса Планка может быть порядка ТэВ. Большой адронный коллайдер (LHC) имеет проектную энергию 14 ТэВ для столкновений протон-протон и 1150 ТэВ для столкновений ионов свинца. В 2001 году было предположено, что при таких условиях образование черных дыр может быть важным и наблюдаемым эффектом на LHC или будущих коллайдерах с более высокой энергией. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская спреи частиц, которые можно будет зарегистрировать детекторами на этих установках.

Аргументы безопасности

Расчет Хокинга, который показал, что в гипотетических сценариях со стабильными микроскопическими черными дырами, достаточно массивными для уничтожения Земли, такие черные дыры образовались бы в результате космических лучей и, вероятно, уже уничтожили бы астрономические объекты, такие как планеты, звезды или остатки звезд, например, нейтронные звезды и белые карлики.

Черные дыры в квантовых теориях гравитации

В некоторых теориях квантовой гравитации возможно рассчитать квантовые поправки к обычным, классическим черным дырам. В отличие от привычных черных дыр, которые являются решениями уравнений гравитационного поля общей теории относительности, квантово-гравитационные черные дыры включают в себя эффекты квантовой гравитации в окрестности начала координат, где в классическом случае возникает сингулярность кривизны. В зависимости от используемой теории для моделирования эффектов квантовой гравитации, существуют различные типы квантово-гравитационных черных дыр, такие как петлевые квантовые черные дыры, некоммутативные черные дыры и асимптотически безопасные черные дыры. В этих подходах черные дыры лишены сингулярности. Виртуальные микроскопические черные дыры были предложены Стивеном Хокингом в 1995 году и Фабио Скардигли в 1999 году как часть Великой объединенной теории и как кандидаты на теорию квантовой гравитации.