Являются ли элементарные частицы окончательной судьбой черных дыр?

Из «теоремы об отсутствии волос» мы знаем, что черные дыры имеют только 3 характерные внешние наблюдаемые величины: массу, электрический заряд и угловой момент (за исключением возможных исключений в теориях высших измерений). Это делает их очень похожими на элементарные частицы. Один вопрос наивно приходит на ум. Возможно ли, что элементарные частицы являются последними самородками последних стадий черных дыр после испускания всего возможного излучения Хокинга?

+1 отличный вопрос, я тоже задавался этим вопросом

Ответы (5)

Это действительно заманчивое предложение (см. также эту статью ). Однако между элементарными частицами и макроскопическими черными дырами есть принципиальная разница: последние в хорошем приближении описываются неквантовой (она же классической) физикой, а элементарные частицы описываются квантовой физикой. Причина этого проста.

Если классический радиус объекта больше его комптоновской длины волны, то достаточно классического описания. Для черных дыр, у которых радиус Шварцшильда больше планковской длины, это выполняется. Однако для элементарных частиц это не выполняется (например, для электрона «радиус» будет относиться к классическому радиусу электрона, который составляет около 10 − 13 см, тогда как его комптоновская длина волны примерно на три порядка больше).

Вблизи масштаба Планка ваша интуиция, вероятно, верна, и нет принципиальной разницы между черными дырами и элементарными частицами — и то, и другое можно было бы описать определенными струнными возбуждениями.

Значит ли последний бит, что черную дыру можно рассматривать как нелепо возбужденную струну (например, квантовое число 10 50 или что-то)?

Да, черные дыры — это особый вид элементарных частиц. Вот как они должны быть представлены в каждой последовательной квантовой теории гравитации. Такое представление о черной дыре становится особенно полезным и важным для малых черных дыр, масса которых ненамного превышает массу Планка.

И действительно, черная дыра испаряется, что является всего лишь формой распада тяжелой элементарной частицы, а когда она становится очень легкой, в конце процесса испарения Хокинга, она буквально неотличима от тяжелой элементарной частицы, которая в конечном итоге распадается на несколько стабильных элементарных частиц.

Однако разница, которой вы, кажется, пренебрегаете, заключается в том, что черные дыры на самом деле несут большую энтропию.

С знак равно А 4 А 0 к Б
куда А - площадь горизонта событий черной дыры и А 0 это площадь Планка А 0 знак равно ℏ грамм / с 3 . Постоянная к Б – постоянная Больцмана. Это означает, что на самом деле существует огромное количество микросостояний.
Н знак равно опыт ⁡ ( С / к Б )
а единственная черная дыра с фиксированным значением массы, заряда и спина — это просто макроскопическое описание ансамбля Н «микросостояния». На самом деле черная дыра несет в себе огромную информацию — мир различает, какая из Н микросостояния действительно присутствуют.

Именно эти «микросостояния» действительно аналогичны типам элементарных частиц. Но количество видов частиц, которые макроскопически выглядят как черная дыра с заданной массой, зарядом и спином, не равно единице: напротив, оно огромно, примерно Н .

Все это прекрасно и хорошо. Черные дыры могут вести себя как элементарные частицы в теории струн, но может ли, например, электрон быть последней стадией рассеяния черной дыры?
@anna v Я понимаю, что @Luboš Motl сказал, подразумевая, что нет никакой разницы между «остатками» частиц и частицами, излучаемыми как излучение Хокинга на заключительной стадии распада черной дыры. Планковская черная дыра просто распадается на кучу частиц, вероятно, включая некоторое количество электронов в конечном состоянии.
Дорогая @anna, да, электрон, скорее всего, будет последним «остатком» черной дыры. Прежде чем стать электроном, черная дыра может быть W-бозоном, который распадается на электрон и нейтрино. До того, как это был W-бозон, это могло быть гораздо более возбужденное струнное состояние. Обратите внимание, что я не использовал термин «теория струн» в своем ответе. Между строк вашего комментария путаница: вы пытаетесь сделать вид, что ответ в теории струн и ответ в реальном мире — это две вещи: но это одно и то же . Теория струн — это реальный мир.
«Теория струн — это реальный мир». Это утверждение нуждается в обосновании для тех из нас, кто ожидает утверждения «Теория струн — это научная теория реального мира». Я подозреваю, что между этими утверждениями существует большой разрыв, который, как я подозреваю, потребует нескольких вопросов философии стека, чтобы получить разъяснения.
Ладно, Рой. Я имел в виду, что «ответ на вопрос, как XY ведет себя в реальном мире», — это то же самое, что и «ответ на вопрос, как XY ведет себя в соответствии с наилучшей имеющейся у нас теорией, описывающей XY и др.», и в в случае характера микросостояний черных дыр это теория струн. Однако вывод о том, что микросостояния черных дыр непрерывно связаны с (другими) разновидностями элементарных частиц — качественной разницы нет — на самом деле не зависит от особенностей теории струн. Общеизвестно, что строки просто подтверждают и делают более конкретными.

Короткий ответ: нет. Взгляните на статью в Википедии о рассеянии черных дыр.

цитата: В отличие от большинства объектов, температура черной дыры увеличивается по мере того, как она излучает массу. Скорость повышения температуры экспоненциальна, и наиболее вероятной конечной точкой является растворение черной дыры в мощном всплеске гамма-лучей.

Возможность микрочерных дыр из дополнительных измерений в некоторых моделях струн по-прежнему заключается в том, что они термодинамически растворяются в элементарные частицы, как только они формируются.

Редактировать: здесь я отвечал на вопрос, четко сформулированный в последнем предложении: возможно ли, что элементарные частицы являются конечными самородками последних стадий черных дыр после испускания всего излучения Хокинга, которое они могли? Не на другой вопрос, на который люди, похоже, отвечают: «черные дыры похожи на элементарные частицы».

Положительный ответ на последний не отвечает на первый, т.е. являются ли кварки и лептоны самородком, тем, что осталось от черной дыры. Ответ «да» на этот последний вопрос предложил бы интригующую модель змеи, пожирающей свой хвост, возможно, вполне вероятную в какой-то новой более всеобъемлющей теории, но не предвидимую сейчас, по крайней мере, исходя из полученных ответов. Если после сброса бесчисленных кварков, лептонов, фотонов и энтропии по пути черная дыра оказывается в виде электрона (например) в идентифицируемой квантово-механической истории. Под этим последним я подразумеваю что-то похожее на цепочку распадов в ядерных каскадах.

отрицательная удельная теплоемкость, которую вы цитируете, однако, не относится ко всем черным дырам; оно применимо к черным дырам Шварцшильда или Керра в четырехмерном асимптотически плоском пространстве-времени (которые наиболее важны с астрофизической точки зрения), но не, например, к черным дырам в AdS (по крайней мере, на правой стороне фазового перехода Хокинга-Пейджа). Кроме того, я не уверен, почему понятие температуры имеет отношение к этому вопросу?
Я отвечаю на прямой вопрос о том, могут ли известные нам элементарные частицы, кварки, лептоны, как я полагаю, быть конечным результатом рассеяния черных дыр. Интересно, что на планковском масштабе черные дыры могут иметь такие же атрибуты, как элементарные частицы, но мы не на таком масштабе?
Никто точно не знает финальных стадий испарения черной дыры. Могут быть «вероятные» сценарии, но вряд ли какой-либо математически строгий ответ. Окончательная судьба черной дыры, безусловно, остается открытым вопросом. Кстати, мне тоже интересно, при чем тут температура?
@ sb1 В цитате говорится, что из-за экспоненциально растущей температуры конец рассеяния черной дыры будет взрывом в гамма-лучи. Если температура не растет, взрыва нет? Теперь ответ Даниэля Грумиллера охватывает вопрос о том, насколько маленькой может быть черная дыра. Черные дыры — классический объект. Они слишком велики, чтобы быть квантово-механически связанными как один объект, имхо. Я могу ошибаться, и теория струн может вытащить кролика из шляпы, но не с тем, что мы знаем сейчас.
Черные дыры не имеют фиксированного размера. На последних стадиях они, конечно, очень малы, чтобы их можно было рассматривать как квантовые объекты. На самом деле нужно применять квантовую теорию, чтобы понять последние этапы.

Другие ответы здесь в порядке. Еще один момент, который следует отметить, заключается в том, что если вы поверите в наивные значения углового момента, заряда и массы большинства элементарных частиц и подставите их в решение Керра-Нордстрема, вы обнаружите, что почти все (и, вероятно, все они , я просто не проверял) элементарная частица была бы голой сингулярностью, а не черной дырой - заряд и угловой момент этих объектов были бы слишком велики, чтобы поддерживать горизонт.

Почему я обязан использовать классические теории? Если мы сможем описать черные дыры в терминах правильной теории квантовой гравитации, необходимые модификации могут помочь избежать голой сингулярности. Правильное это предложение или нет, я не знаю. Что я точно знаю, так это то, что прямой отказ от этой идеи на основе классической ОТО бесполезен.
@ sb1: Итак, вы используете теорему об отсутствии волос, которая является классической теоремой GR, чтобы развить интуицию для вывода, а затем отвергаете аргумент, основанный на классической GR? Гораздо более вероятно, что квантовая гравитация устранит сингулярности, чем изменит структуру горизонта, так что вы сможете супер-вращать и супер-заряжать мини-черные дыры. Кроме того, как вы думаете, из чего мы получаем интуицию, если не из классической ОТО? Последнее, что я проверял, — это отсутствие последовательной квантовой теории гравитации.
Что плохого в том, чтобы использовать низкоэнергетическую эффективную классическую теорию, такую ​​как ОТО, для построения интуитивных представлений о природе черных дыр. В физике всегда допустимо считать определенные принципы (например, NHT) действительными в более общей теории, в данном случае QG. В последний раз, когда я проверял, была экспериментально подтвержденная, но очень разумная квантовая теория гравитации, называемая теорией струн. Люди используют его для вычисления многих характеристик черных дыр.
@ sb1: У меня нет проблем с этим - моя проблема в избирательном использовании знаний общей теории относительности. Не существует модели черной дыры с угловым моментом, на порядок превышающим ее массу. Так зачем вообще называть это черной дырой?

Энтропия черной дыры — это мера количества микросостояний, где для Н вырожденных микросостояний энтропия С   знак равно   к   л о грамм ( Н ) , что связано с гравитацией. Энтропия для больших Н определяется площадью горизонта событий С   знак равно   к А / 4 л п 2 , где для черной дыры Шварцшильда А   знак равно   16 π М 2 . Черная дыра — это система, которая содержит набор состояний с энергией Е   знак равно   М в вырождении грамм ( Е )   знак равно   е Икс п ( 4 π Е 2 ) и статистическая сумма

Z ( β )   знак равно   ∑ Е е 4 π Е 2 е − β Е .
Эта статистическая сумма расходится для Е   →   ∞ . Статистика числа вырожденных микросостояний для черной дыры неограничена, поэтому статистическая сумма расходится. Энтропия черной дыры — это состояние микросостояния с грубым гранулированием, которое было достигнуто в теории струн для больших Н . Площадь горизонта представляет собой сумму этих квантовых чисел
А   знак равно   16 π α п ∑ я знак равно 1 Н н я ,
за α п площадь Планка. Квантовые числа н я определить элемент площади горизонта. Тогда энергия считается как Е н   знак равно   α Е п н , за н   знак равно   ∑ я знак равно 1 Н н я

Вырождение для Е н это количество способов н   >   0 представляет собой сумму Н или меньше положительных целых чисел н я . Это мощность множества элементов { н 1 ,   н 2 ,   , … ,   н м } , такой, что н   знак равно   ∑ я знак равно 1 м н я за 1   ≤   м   <   Н . Количество способов положительное целое число м можно записать в виде суммы м положительные целые числа — та же проблема, что и вычисление количества способов упорядочивания н мячи в м ячейки подряд. В результате получается вырождение энергии Е н

грамм ( Е н )   знак равно   ∑ м   знак равно   1 Н ( н   −   1 м   −   1 ) ,
за Н   ≤   н . У нас также есть это м   ≤   н , что еще больше снимает вырождение в
грамм ′ ( Е н )   знак равно   ∑ м   знак равно   1 н ( н   −   1 м   −   1 ) .
Статистическая сумма представляет собой сумму двух вырожденных множеств,
Z ( β )   знак равно   ∑ н знак равно 1 Н ∑ м знак равно 1 н ( н   −   1 м   −   1 ) е − Е п α н   +   ∑ н знак равно М + 1 ∞ ∑ м знак равно 1 Н ( н   −   1 м   −   1 ) е − Е п α н .
Две части статистической суммы играют роль в н маленький и н   >>   Н , и могут быть вычислены независимо. Схождение происходит для н   >> Н с
Z ( β )   ≃   ∑ н   знак равно   Н + 1 ∞ ( н   −   1 ) Н − 1 е − β Е п α н
Это сходящаяся статистическая сумма. И наоборот, для низкой температуры черной дыры н   <<   Н , вырождение из биномиальной теоремы есть грамм ′ ( Е н )   ≃   2 н − 1 а энтропия черной дыры С   знак равно   к   л н ( 2 н − 1 ) знак равно   ( н   −   1 ) л н 2 . Площадь А   знак равно   16 π α 2 н позволяет нам установить α   знак равно   1 2 л н 2 π .

Приведенный выше расчет можно рассматривать по строкам. По голографии горизонт покрыт струнами, которые определяют всю квантовую информацию, вошедшую в черную дыру. Производящая функция для струнной плотности состояний вычисляет функцию, подобную приведенной выше, и в голографической постановке описывает черную дыру как струнную сферу на растянутом горизонте. Эта часть довольно сложная, поэтому я сразу скажу, что черную дыру можно рассматривать как статистическое состояние или фазу струн.

Эти квантовые числа связаны с планковскими единицами площади горизонта событий. Это соответствует натурализованным единицам G = [Площадь]. Эти квантовые числа могут включать в себя ряд количественных показателей, конкретную массу, угловой момент и электрический заряд. Горизонт существует как радиус

р ±   знак равно   м   ±   м 2   −   Вопрос 2   −   Дж 2
что соответствует внешнему и внутреннему горизонтам. Когда член в квадратном корне равен нулю, два горизонта встречаются, а пространственноподобная область между ними «сжимается» в А д С 2 × С 2 . Это экстремальная черная дыра с нулевой температурой Хокинга. В общем случае эти заряды могут быть суперсимметричными или сверхзарядами. В экстремальном случае эти заряды находятся на границе БПС. В этом случае все квантовые числа, связанные с этими единичными площадями, определяют объект, подобный элементарной частице.

используйте "\sim" для ∼
Являются ли элементарные частицы окончательной судьбой черных дыр?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v