Все состоит из материи, а не из антиматерии, включая черные дыры. Если бы черные дыры из антиматерии существовали, что бы они делали?
Ключевые выводы
- Практически везде, куда бы мы ни посмотрели во Вселенной, от пыли и газа до планет, звезд, галактик и многого другого, кажется, что каждая структура состоит из материи, а не из антиматерии.
- Но, согласно общей теории относительности, масса есть масса, и не должно иметь значения, была ли черная дыра создана из материи или антиматерии, когда мы смотрим на ее свойства.
- Тем не менее, существуют важные различия между материей и антиматерией, и наблюдение за черными дырами, в том числе при их слиянии, может научить нас чему-то важному.
По всей Вселенной одна тема находит отклик, куда бы мы ни отправились. Будь то в глубинах межгалактического пространства, в богатой плазмой области, окружающей галактики и скопления галактик, или в плотных границах звездных скоплений, звезд или даже планетарных систем, все, что мы видим, определенно состоит из материи, а не из антиматерии. Каким-то образом, хотя механизм еще предстоит определить, Вселенная не симметрична. Скорее, материя победила антиматерию с самых ранних времен, и все структуры, к которым мы можем получить доступ в видимой Вселенной, сделаны из материи, а не из антиматерии.
Черные дыры могут возникать только из материала, который коллапсирует, а это означает, что все черные дыры в нашей Вселенной должны быть сделаны из материи, а не из антиматерии. Но что, если бы существовала черная дыра из антивещества? Будет ли в этом что-то другое? А как насчет слияния черной дыры из антиматерии с дырой на основе материи? Это вопрос от Джима Чаппелла, который хочет знать:
«Как вы думаете, произошло бы что-то другое, если бы произошло слияние черной дыры, состоящей из антиматерии, с черной дырой, состоящей из материи? [Будет ли] какая-либо обнаруживаемая/наблюдаемая разница в результате?»
Ответ, как ни странно, зависит от того, насколько внимательно вы можете смотреть.
Это моделирование показывает излучение, испускаемое двойной системой черных дыр. Хотя мы обнаружили много пар черных дыр с помощью гравитационных волн, все они ограничены черными дырами с массой около 200 масс Солнца или ниже, а также черными дырами, образовавшимися из материи. Сверхмассивные остаются вне досягаемости до тех пор, пока не будет установлен детектор гравитационных волн с более длинной базой, в то время как массивы синхронизации пульсаров способны улавливать еще более длинноволновые и более экзотические сигналы.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черным дырам все равно, из чего они сделаны. Если вы поместите достаточное количество массы вместе в достаточно маленьком объеме пространства, гравитационное притяжение в этой области предотвратит побег всего, что движется со скоростью ниже определенной. Набирайте количество массы, и убежать становится все труднее и труднее; вам придется двигаться еще быстрее, чтобы сделать это. К счастью или к сожалению, есть предел скорости движения чего-либо в нашей Вселенной: скорость света в вакууме.
Всякий раз, когда скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного притяжения региона, превышает скорость света, это необходимое условие для создания черной дыры. На самом деле горизонт событий определяется границей, откуда вы можете уйти, и тем, откуда вы не можете сбежать. В одной из самых известных теорем общей теории относительности есть лишь несколько типов свойств, которые может запомнить черная дыра. Они включают:
- масса,
- электрический заряд,
- угловой момент,
- и, если бы он существовал, магнитный заряд,
и эти свойства известны как типы «волос», которые могут быть у черной дыры. Хотя форма и специфические свойства внутренней части черной дыры определяются значениями этих типов волос, нет никакой разницы между какими-либо другими свойствами, входящими в состав черной дыры.
Одним из самых важных вкладов Роджера Пенроуза в физику черных дыр является демонстрация того, как реалистичный объект в нашей Вселенной, такой как звезда (или любое скопление материи), может формировать горизонт событий и как вся материя, связанная с ним, неизбежно столкнется с центральной сингулярностью. Как только формируется горизонт событий, развитие центральной сингулярности становится не только неизбежным, но и чрезвычайно быстрым.
Другими словами, если бы у вас была черная дыра, состоящая из 100 % нейтронов, и идентичная в остальном дыра, состоящая из 100 % антинейтронов, каждая из этих двух черных дыр имела бы одинаковая масса, один и тот же заряд и один и тот же угловой момент, как друг у друга. Мы знаем из огромного разнообразия экспериментов по физике элементарных частиц, а также из множества доказуемых теорем, таких как теорема СРТ, что каждая фундаментальная и составная частица, состоящая из материи, имеет аналог из антиматерии: такой же массы, равный и… противоположный угловой момент и равный и противоположный электрический заряд.
Однако также верно и то, что если вы столкнетесь с частицей материи с ее аналогом из антиматерии, они аннигилируют обратно в чистую энергию по формуле Эйнштейна E=mc2, при этом массы частицы материи и антиматерии (анти)частицы равны. Поэтому вы можете подумать, что столкновение черной дыры, состоящей из материи, с черной дырой, состоящей из антивещества, приведет к их аннигиляции, высвобождая при этом огромное количество энергии, но это не должно быть так. Как только вы создаете черную дыру, она больше не «помнит», по крайней мере, в Общей теории относительности, из чего она была сделана.
Вблизи черной дыры пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, затягивающего вас в сингулярность в центре. Никто не знает, что происходит в центральной сингулярности.
Мы полностью ожидаем, что черные дыры, как и все, что имеет массу, будут притягиваться в соответствии с законами и правилами, установленными нашей теорией гравитации: общей теорией относительности. Поскольку антиматерия и материя имеют одинаковую массу, это означает, что черная дыра, состоящая из антиматерии, в паре с черной дырой, состоящей из материи, должна двигаться по орбите, излучать гравитационные волны, двигаться по спирали и, в конечном итоге, сливаться точно так же, как два черные дыры из обычной материи должны.
Черная дыра из антиматерии должна иметь:
- горизонт событий того же размера и формы,
- та же масса покоя,
- то же гравитационное воздействие на окружающую материю-и-антиматерию,
- то самое излучение гравитационных волн,
- тот же период вдохновения и слияния,
- те же прецессии,
- одинаковые угловые моменты,
- то же самое после слияния,
- и даже такой же спектр и интенсивность излучения Хокинга
как ожидается, черная дыра имеет нормальную материю. Когда они сливаются с другой (будь то из материи или антиматерии) черной дырой, такая же доля массы - около 10% менее массивного объекта при слиянии - должна излучаться в виде гравитационного излучения.
Математическое моделирование искривления пространства-времени вблизи двух сливающихся черных дыр. Цветные полосы - это пики и впадины гравитационных волн, причем цвета становятся ярче по мере увеличения амплитуды волны. Самые сильные волны, несущие наибольшее количество энергии, приходят непосредственно перед и во время самого события слияния. От вдохновляющих нейтронных звезд до сверхмассивных черных дыр сигналы, которые, как мы ожидаем, будет генерировать Вселенная, должны иметь частоту более 9 порядков и могут достигать пиковой выходной мощности ~10^23 Солнц.
Но, с учетом сказанного, общая теория относительности - это еще не все. Существуют также квантовые правила, управляющие Вселенной, и некоторые из этих правил демонстрируют резкие различия между различными типами материи, а также между материей и антиматерией. Например, если вы сделаете черную дыру из:
- солнечная масса протонов и электронов,
- солнечная масса нейтронов,
- количество позитронов-и-антипротонов на солнечную массу,
- или антинейтронов на солнечную массу,
эти черные дыры не должны быть одинаковыми.
С точки зрения общей теории относительности они будут считаться идентичными. У них одинаковая масса: одна солнечная масса. У них одинаковый электрический (и, если уж на то пошло, магнитный) заряд: чистый ноль. И они должны иметь одинаковые спины/угловые моменты друг для друга, зависящие только от истории их формирования.
Но с квантовой точки зрения они должны быть разными. Каждый из них будет иметь, например, различную комбинацию барионного числа и лептонного числа. Ожидается, что в общей теории относительности они не будут иметь значения, но эти числа сохраняются при каждом взаимодействии частиц, которое мы когда-либо наблюдали. Если мы правильно понимаем квантовую физику черных дыр - а это само по себе спорная перспектива - мы вполне ожидаем, что информация от частиц, из которых состоит черная дыра, каким-то образом закодирована на горизонте событий черной дыры. сама дырка.
На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональные площади поверхности горизонта событий. Когда черная дыра распадается, она переходит в состояние теплового излучения. Сохранится ли эта информация и будет ли она закодирована в излучении или нет, и если да, то каким образом, - это не вопрос, на который наши современные теории могут дать ответ.
Это пример информационного парадокса черной дыры: есть квантовые биты информации, которые ушли в эту черную дыру, и если энтропия Вселенной никогда не убывает, то ее надо как-то сохранить, вернее чем уничтожить, эту информацию. Другими словами, должна существовать своего рода «квантовая память», которая каким-то образом запечатлелась в самой черной дыре. Естественным местом для этого является горизонт событий, поскольку энтропия черной дыры, а также количество информации, которое вы можете закодировать в одну, пропорциональны площади поверхности горизонта событий.
Если ваша черная дыра состоит из антивещества, то на ее горизонте событий должно быть закодировано какое-то свойство, которое каким-то образом помнит квантовые свойства каждой частицы, из которой образовалась эта черная дыра. Каждая частица, пересекающая горизонт событий снаружи внутрь, с точки зрения внешнего наблюдателя, имеет последние моменты жизни этой частицы, «размазанные» по поверхности черной дыры. Всякий раз, когда черная дыра испускает излучение, будь то электромагнитное излучение Хокинга от распада или гравитационное излучение от слияния с другой большой массой, информация, которая попала в черную дыру, должна быть сохранена, когда содержащие информацию кванты испускаются снова.
Хотя свет не может выйти из-под горизонта событий черной дыры, искривленное пространство за ее пределами приводит к различию между состоянием вакуума в разных точках вблизи горизонта событий, что приводит к испусканию излучения через квантовые процессы. Вот откуда исходит излучение Хокинга, и для черных дыр с наименьшей массой из когда-либо обнаруженных излучение Хокинга приведет к их полному распаду примерно через 10 ^ 68 лет. Даже для черных дыр с самой большой массой продолжительность жизни более 10^103 лет или около того невозможна из-за именно этого процесса.
Тем не менее, эти различия будут очень, очень тонкими, и они также находятся за пределами нашей нынешней способности не только обнаружить, но даже предсказать, как мы будем их наблюдать. Это очень плохо изученная область физики, где до сих пор ведутся теоретические работы. Для этой проблемы наблюдаемые, измеримые сигнатуры остаются неоднозначными и еще не извлечены. И свойства гравитационных волн, излучаемых в результате спирали и слияния - само по себе явление, присущее общей теории относительности, - могут не иметь никакой квантовой подписи, которую мы бы признали «информацией», отпечатанной на них.
Это один из самых больших открытых вопросов во всей физике: существует ли принципиально квантовая теория гравитации, и если да, то чем ее поведение отличается от нашей «классической» теории гравитации: общей теории относительности? Это типы вопросов, на которые мы должны были бы ответить, чтобы увидеть разницу между двумя сливающимися черными дырами на основе материи и слиянием черной дыры на основе материи и антиматерии. В излучении может быть закодирована другая поляризация, и если мы сможем разбить это излучение на отдельные кванты - дискретные гравитоны для гравитационных волн, точно так же, как световые волны можно разбить на дискретные фотоны, - мы сможем обнаружить различные свойства, такие как значения спина и их корреляции, а также потенциально дополнительные квантовые числа.
Ряд частиц, движущихся по круговым траекториям, может создать макроскопическую иллюзию волн. Точно так же отдельные молекулы воды, которые движутся по определенной схеме, могут создавать макроскопические волны воды, отдельные фотоны создают явление, которое мы воспринимаем как световые волны, а наблюдаемые нами гравитационные волны, вероятно, состоят из отдельных квантовых частиц, которые их составляют: гравитонов.
Но что, если Вселенная нас удивит?
Все это предполагает, конечно, что антиматерия притягивается так же, как и обычная материя: притягивающе, пропорционально своей массе покоя. Но в физике существует несколько способов определения массы, и эти разные определения не обязательно связаны друг с другом. Например:
- Есть масса m, в F=m a, который диктует, как объект ускоряется, когда к нему приложена сила.
- Есть масса m, выраженная в E=mc2, которая определяет, сколько энергии массивной покоящейся частице присуще ей., а также сколько энергии требуется для его создания и сколько энергии высвобождается при его уничтожении.
- И есть масса m, которая проявляется при любых гравитационных эффектах; это m в ньютоновском F=GmM/r2, и это m также проявляется в значительно более сложной эйнштейновской версии этого уравнения.
Для антивещества мы знаем, что m, которое соответствует F=m a демонстрирует одинаковое поведение как для вещества, так и для антивещества для трех известных квантовых взаимодействий: электромагнетизма, а также сильного и слабого ядерных взаимодействий. Что касается создания и разрушения как материи, так и антиматерии, мы знаем, что m, которое идет с E=mc2, ведет себя одинаково, будь то материя или антиматерия. говоря о.
А для гравитации? Мы можем только предположить, что существует эквивалентность между тем, что мы называем инертной массой - m в обоих F=m a и E=mc2 - и гравитационная масса. Но до сих пор эта эквивалентность проверялась только для материи, а не для антиматерии.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол в ускоренной ракете (слева) и на Земле (справа), является демонстрацией принципа эквивалентности Эйнштейна. Если инертная масса и гравитационная масса идентичны, между этими двумя сценариями не будет разницы. Это было проверено с точностью ~ 1 часть на один триллион для вещества, но никогда не проверялось для антивещества.
Мы проверили это с помощью устройства, известного как крутильные весы: где масса, которой разрешено вращаться, помещается очень близко к фиксированной, большей массе, позволяя меньшей массе вращаться за счет к гравитационному притяжению. Этот эксперимент, названный в честь Лоранда Этвеша, достаточно продемонстрировал, что то, что мы называем «инерционной массой» (масса из F=m a) и гравитационная масса (от гравитационного притяжения) действительно совпадают друг с другом. Этого требует в общей теории относительности принцип эквивалентности Эйнштейна.
Но для антивещества мы вообще никогда не измеряли его гравитационное притяжение. По правде говоря, мы даже не знаем, падает ли она «вниз» в гравитационном поле так же, как обычная материя. Какими бы убедительными ни были теоретические доводы в пользу этого, физика остается экспериментальной наукой, и пока у нас нет убедительных доказательств, мы не можем быть уверены в выводах.
Прямо сейчас проводятся эксперименты, предназначенные для измерения именно этого. В лаборатории, известной как фабрика антивещества в ЦЕРНе, существует множество совместных проектов, стремящихся изолировать покоящиеся нейтральные антиатомы и измерить, в каком направлении они падают, будучи помещенными в гравитационное поле Земли. Хотя велика вероятность того, что они будут падать с той же скоростью, что и обычная материя, всегда есть вероятность, что это не так.
Детектор ALPHA-g, построенный на канадской установке TRIUMF, будет ориентирован вертикально и заполнен нейтральными антиатомами, удерживаемыми электромагнитными полями. Когда поля высвобождаются, большинство антиатомов беспорядочно разлетаются, но некоторые из тех, что находятся в покое, получат возможность двигаться исключительно под действием гравитации. Если они упадут, все изменится.
Если бы нейтральные антиатомы не падали вниз, а падали бы «вверх», это изменило бы очень многое из того, что, как мы знаем, возможно во Вселенной. Если бы гравитационное поведение антивещества вместо этого было равно отрицательному его инерционному поведению, последовал бы замечательный набор последствий.
- Антиматерия будет гравитационно отталкиваться от обычной материи, а не притягиваться к ней.
- Антиматерия будет функционировать как «отрицательная масса», что позволит использовать технологии, зависящие от ее (в настоящее время спекулятивного) существования, такие как искусственная гравитация.
- И, поскольку уравнение E=mc2 остается верным, что и должно быть, это подразумевает, что, по крайней мере, гравитационно, антиматерия функционирует как источник не только отрицательной массы, но и отрицательной энергии, что делает варп-двигатель через двигатель Алькубьерре реальной физической возможностью.
Насколько мы ожидаем, у нас есть все основания полагать, что антигравитация антиматерии происходит так же, как и обычной материи, а не антигравитация. Мы должны предвидеть, что только на квантовом уровне будут различия между черной дырой из антиматерии и черной дырой на основе материи. Но по своей сути физика является экспериментальной наукой. Пока мы не получим окончательных результатов, мы были бы полными дураками, если бы сбрасывали со счетов все, что еще не исключено экспериментом.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!