Виртуальная черная дыра
Виртуальная черная дыра – это гипотетический объект в теории квантовой гравитации. Эти дыры относят к группе элементарных черных дыр. Виртуальную черную дыру считают короткоживущей. Она может появляться как следствие квантовых флуктуаций.
Напомним, что черными дырами называют пространственно-временные области, ограниченные горизонтом событий, имеющие столь сильное гравитационное поле, что даже световые волны не могут их покинуть.
Элементарной черной дырой (максимоном) называют черную дыру с массой порядка планковской.
Виртуальные черные дыры могут рождаться и в вакууме. Квантовые скачки поля гравитации тем больше, чем меньше расстояния.
Процесс постоянного появления и исчезновения виртуальных черных дыр приводит к тому, что пространство – время на расстояниях порядка планковской длины уподобляют мыльной пене.
Уподобление структуры пространственно-временного континуума мыльной пене впервые возникло в работах Дж. Уилера в пятидесятых годах прошлого века. Это представление использовал в своих работах С. Хокинг.
Ученые предполагают, что виртуальные черные дыры будут важной составляющей квантовой теории гравитации. Изучение свойств черных дыр ведет к пониманию наличия глубокой связи между:
- гравитацией,
- квантовой физикой и
- термодинамикой.
Выявлено, что участие черных дыр в физических процессах ведет к системе качественно новых фундаментальных закономерностей.
Предполагаемые свойства виртуальных черных дыр
Элементарные черные дыры должны иметь минимально допустимую для черных дыр массу. Следовательно, потеря такой черной дырой, какой угодно малой массы ведет к полному уничтожению этой дыры. В этом процессе следует допускать испускания квантов с длиной волны, сравнимой с гравитационным радиусом.
Элементарные черные дыры, при их существовании имеют ряд особенностей, это:
- очень маленькое сечение взаимодействия (около $10^{-66} см^2$);
- при падении элементарной черной дыры в поле тяготения Земли его энергия становится порядка $10^{20}$ эВ;
- так как скорость перемещения максионов небольшая, наблюдать их по ионизирующему воздействию не представляется возможным, даже если они несут заряд и активно взаимодействуют с веществом;
- элементарные черные дыры сложно удерживать и накапливать в обычном веществе на земной поверхности, так как на расстояниях равных расстоянию между молекулами поле гравитации нашей планеты дает им энергию порядка $10^3$ эВ, что существенно больше энергии взаимодействия молекул.
Предполагается, что стабильные максимоны являются самыми тяжелыми фундаментальными частицами.
Виртуальные черные дыры:
- Обладают массой около $2,176\bullet 10^{-8}$ кг, что составляет массу Планка.
- Их время жизни равно $\tau = 5,39\bullet 10^{-44} c $ (планковское время).
- Они рождаются с плотностью: одна на планковский объем.
- Могут возникать и в вакууме в результате квантовых флуктуаций.
Ученые полагают, что виртуальные черные дыры способны активировать механизм распада протона. Так как черная дыра первоначально увеличивает массу за счет поглощения вещества, потом ее масса уменьшается в результате излучения Хокинга. Следует учитывать, что частицы, падающие в черную дыру, не являются аналогичными тем частицам, которые черная дыра испускает. Допустим, что в виртуальную черную дыру падает протон, который составлен из пары кварков. При этом черная дыра может испустить антикварк и лептон. При этом будет нарушен закон сохранения барионного числа.
Исследователи считают, что каждый физический процесс может нарушаться при взаимодействии с виртуальной черной дырой.
Гипотеза о возникновении виртуальных черных дыр
Физики-теоретики полагают, что известное соотношение неопределенности – это основа для возникновения виртуальных черных дыр:
$\Delta R_i \Delta x^i \geq l^2_{pl} (1),$
где чем меньше неопределенность координаты $x^i$, тем больше неопределенность сопряженной $i$-ой составляющей гравитационного импульса поля источника $R_i – компонента радиуса кривизны пространственной области$ и наоборот.
Для слабого статического поля $R_i=R_g$, где $R_g=\frac{2G}{c^2}M$ - гравитационный радиус ($G –гравитационная постоянная $, $c$ - скорость света; $M$ - масса тела).
Выражение (1) называют соотношением Гейзенберга для планковских масштабов.
Соотношение (1) означает, что при расстояниях, соответствующих планковским длинам попытки более точного нахождения координаты источника (точнее, чем $10^{-33} см$), растет неопределенность гравитационного радиуса источника, который становится больше длины $10^{-33} см$. Получить точную информацию о координате источника, который находится внутри области за горизонтом событий, не представляется возможным. Источник таких размеров становится черной дырой.
При уменьшении гравитационного источника до размеров планковской длины, неопределённость координаты источника увеличивается, при этом найти точно положение горизонта событий черной дыры нельзя.
Соотношение неопределенности (1) говорит о том, что масштаб Планка - это предел расстояния, менее которых сами понятия пространства и длины исчезают. Всякая попытка рассмотреть меньшие расстояния (менее, чем $10^{-33}$ см), проводя столкновения при больших энергиях (вместо дробления вещества на мелкие части), ведут к возникновению черных дыр увеличивающегося размера. Уменьшение пространственно-временного интервала ведет к росту гравитационного радиуса, то есть к возникновению черной дыры большего размера.
Соотношение (1) указывает на то, что гравитационный радиус источника и его координаты мерцают в пределах длины Планка. Физическое вещество в масштабе длин Планка возможно только в состоянии черных дыр. Это означает, что на планковском уровне материя переходит в состояние черных дыр, то есть совершает коллапс. В этой связи длина $10^{-33}$ см минимальная длина, которую можно измерить.
