Спросите Итана №92: есть ли ограничение на максимальную температуру?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-92-is-there-a-limit-to-temperature-18c39d0e337c#.sr5i8lcem
  • Перевод

Если забрать из чего-либо всю энергию, можно достичь абсолютного нуля, самой холодной температуры. Но можно ли достичь самой высокой?


Ничто не теряется, всё только преобразовывается.
— Михаэль Энде

В конце каждой недели мы выбираем из присланных вопросов один для ответа на него. На этой неделе честь отходит к школьному учителю Камерону Питерсу, который спрашивает:

Я учу наукам 8-й класс и мои школьники проходят понятие температуры. В частности мы рассматривали концепцию абсолютного нуля, что это значит и как это связано с движением атомов. Мои ученики хотят знать, существует ли максимальная достижимая в природе температура, или же верхнего ограничения не существует.

Начнём с тех позиций, которые должны быть известны восьмикласснику, и будем постепенно повышать градус.



Возьмём классический эксперимент: растворение пищевого красителя в воде разных температур. Что мы увидим? Чем больше температура, тем быстрее краситель растворится.

Почему так происходит? Потому, что температура молекул напрямую связана с кинетическим движением – и скоростью – частиц. Это значит, что в более горячей воде отдельные молекулы двигаются быстрее, и что частицы красителя разбегутся по объёму горячей воды быстрее, чем по холодной.



Если бы мы полностью остановили всё это движение – и всё бы замерло (и даже преодолели бы природу квантовой физики) – это позволило бы вам достичь абсолютного нуля: самой низкой термодинамической температуры.

Но что насчёт противоположного направления? Если вы разогреете систему частиц, они просто будут двигаться быстрее. Но существует ли лимит высоты температуры, и не столкнётесь ли вы с катастрофой, мешающей вам подняться выше? Давайте посмотрим.



При температурах в тысячи Кельвинов тепло, переданное молекулам, начнёт разрушать даже скрепляющие их связи, и, если продолжать разогрев, электроны начнут отрываться от атомов. У вас получится ионизированная плазма, состоящая из электронов и атомных ядер, без всяких нейтральных атомов.

Но и это пока допустимо: отдельные частицы – электроны и положительно заряженные ионы – будут прекрасно отскакивать друг от друга, и подчиняться обычным законам физики. И вы всё ещё можете поднимать температуру и смотреть, что будет дальше.



А дальше начнут распадаться отдельные частицы.
• Около 8 * 109 (8 миллиардов К) от энергий столкновений частиц начнут спонтанно появляться пары материи/антиматерии – электроны и позитроны.
• Около 2 * 1010 (20 миллиардов К) ядра атомов будут разбиваться на протоны и нейтроны.
• Около 2 * 1012 (2 триллиона К) протоны и нейтроны перестанут существовать, и вместо них будут летать составляющие их частицы, кварки и глюоны
• Около 2 * 1015 (2 квадриллиона К) в больших количествах начнут появляться все известные частицы и античастицы.



Но и это ещё не верхнее ограничение, вовсе нет. Как раз при температурах порядка 2 * 1015 (2 квадриллиона К) начнёт происходить кое-что интересное. Это как раз та энергия, которая нужна для появления бозона Хиггса, и, следовательно, для восстановления одной из самых фундаментальных симметрий Вселенной: симметрии, дающей частицам массу покоя.

Иначе говоря, когда вы разогреете систему ещё больше, вы обнаружите, что все ваши частицы утеряли массу, и летают со скоростью света. И вместо смеси материи, антиматерии и излучения, всё вокруг будет вести себя, как излучение, будь это на самом деле материя, антиматерия, или ни одно из них.



Но мы не закончили. Можно и дальше повышать температуру системы, и хотя внутри ничего не будет двигаться быстрее, оно станет более энергичным – так же, как радиоволны, микроволны, видимый свет и рентгеновские лучи являются формами света (и двигаются со скоростью света), хотя энергия у них всех разная.

Возможно, появятся какие-то пока неизвестные нам частицы, или новые законы (или симметрии). Вы могли бы решить, что можно двигаться и дальше, до бесконечных энергий.

Но есть три причины, по которым это невозможно.



1) Во Вселенной содержится конечное количество энергии. Возьмём всё, что существует в обозримом пространстве-времени: всю материю, антиматерию, излучение, нейтрино, тёмную материю, и даже энергию самого пространства – а это очень много. Существует порядка 1080 частиц нормальной материи, 1089 нейтрино и антинейтрино, чуть больше фотонов, и вся энергия, содержащаяся в тёмной материи и тёмной энергии, разбросанная в радиусе 46 миллиардов световых лет в наблюдаемой Вселенной вокруг нас.

Но даже если обратить всё это в чистую энергию (через E = mc2), и даже если использовать всю эту энергию для разогрева системы, у вас не будет бесконечного количества энергии. Если засунуть всё это в одну систему, энергии будет много, она будет соответствовать температурам порядка 10103 К, но это не бесконечность. Так что верхний лимит есть. Но кое-что остановит вас ещё раньше, чем вы дойдёте до этого состояния.



2) Если вы вольёте слишком много энергии в замкнутое пространство, вы создадите чёрную дыру! Вы представляете себе чёрные дыры, как огромные, массивные и плотные объекты, способные заглотнуть огромные толпы планет так же, как печенюшный монстр проглатывает коробку печенья – неуклюже, без труда и без раздумий.



Но если придать отдельной квантовой частице достаточно энергии – даже если это безмассовая частица, двигающаяся со скоростью света – она обратится в чёрную дыру! Есть шкала, согласно которой нечто, накопив достаточно энергии, не сможет осуществлять взаимодействия, как это делают обычные частицы. И если вы дадите частице достичь такой энергии, в эквиваленте 22 мкгр согласно E = mc2, вы сможете достичь всего 1019 ГэВ до того, как система откажется разогреваться далее. У вас будут спонтанно появляться чёрные дыры, которые затем немедленно распадутся до состояния с низкой энергией через тепловое излучение. Так что на этой энергетической ступени, планковской энергии, и существует верхнее ограничение для нашей Вселенной, которое соответствует температуре «всего лишь» в 1032 К.

Она гораздо меньше, чем предыдущая, поскольку не только Вселенная конечна, но и чёрные дыры становятся ограничивающим фактором. Но есть ещё один фактор, и о нём я бы волновался в первую очередь, поднимая температуру до немеренных высот.



3) При некоей высокой температуре вы восстановите потенциал, заставивший нашу Вселенную испытать инфляцию. До Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии экспоненциального роста, когда само пространство расширялось, будто шар, с экспоненциальной скоростью. Все частицы, античастицы и излучение внутри него были быстро отделены от других кусочков материи и энергии, и в конце инфляции начался Большой взрыв.

Если вы достигнете температур, достаточных для приведения этого поля в инфляционное состояние, вы нажмёте кнопку перезагрузки Вселенной и заставите инфляцию возобновиться, что приведёт к повторному началу Большого взрыва.



Если это для вас слишком сложно, запомните вот что: если у вас получится поднять температуру до уровня, необходимого для такого эффекта, выжить вам не удастся. Теоретически его оценивают в 1028 — 1029 КК, хотя тут есть довольно большой разброс, в зависимости от того, на каком шаге происходит инфляция.

Поэтому подняться до очень больших температур довольно легко. И хотя привычные для вас физические явления будут отличаться в мелочах, вы сможете поднимать температуру всё выше, но лишь до точки, после которой вы уничтожите абсолютно всё, что вам дорого. Так что аккуратнее, ученики мистера Питерса, но не надо бояться Большого адронного коллайдера. Даже в самом мощном ускорителе Земли мы достигаем энергий, по меньшей мере, в 100 миллиардов раз меньших, чем рискованные. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 62
  • +2
    Получается любая сволочь в любом уголке вселенной может уничтожить всё? При достаточном техническом развитии, конечно. Или всё же это упрется в черные дыры? А если черную дыру греть до упора?
    • +5
      Греть черную дыру нужно огромным количеством энергии. В «любом уголке» вселенной энергии может не хватить на это…
      • 0
        А если где-то все же нашлось огромное количество энергии, которого достаточно для подогрева черной дыры?
        • 0
          Предполагается, что в каком-то там уголке столько энергии не найдется. А в остальных случаях, будет заметно, что кто-то тырит целые звездные системы и тащит их воон в тот уголок. Наверное замыслил большой кабум.
          • 0
            А кто сказал, что это должно быть обязательно незаметно?

            Вот кто-то целые галактики куда-то к себе в уголок «тащит»: Великий аттрактор

            Скорее всего этот кто-то — банальная гравитация (правда темной материи там тогда должно быть аномально много). Но может быть кто-то замыслил не просто большой кабум, а вселенский и окончательный.
      • +3
        Греть черную дыру невозможно. Черная дыра достигает предела энтропии в заданном объеме пространства. Нагревание ее соответствовало бы росту энтропии, но это невозможно, так как предел уже достигнут. Сообщение энергии черной дыре приводит лишь к росту радиуса ее горизонта событий. При этом температура черной дыры снижается.См. википедию.
        • 0
          Т.е., «нагревая ЧД — мы её охлаждаем», если перефразировать на обывательский язык, так?
          • +1
            Не совсем так. Правильнее было бы сказать: «сообщая энергию черной дыре, мы ее охлаждаем». Потому что слово «нагреваем» подразумевает увеличение температуры, но этого-то как раз в случае черной дыры не происходит. Черную дыру можно было бы нагреть, отбирая от нее энергию, но неизвестно таких процессов, которые могли бы отнять энергию у черной дыры. Любые попытки воздействовать на нее с помощью материи могут лишь добавить ей энергию, но не отнять.
            • –1
              А как же гравитационный разгон? Направляя материю к ЧД под определённым углом, можно заставить её разогнать эту материю, и, собственно, совершить работу. Насчёт деталей могу ошибаться, но вроде так.
              • +2
                Вы переводите потенциальную энергию гравитационного поля в кинетическую разгона. Но кинетическая опять перейдет в потенциальную по мере удаления от ЧД. С неподвижной ЧД вы ничего особо не выиграете.
                • +1
                  Использовать вращение ЧД не выйдет?
                  • 0
                    При объединении двух черных дыр часть энергии тратится на гравитационные волны, которые и были зафиксированы. Возможно это можно как-то использовать…
                    • 0
                      Кста, есть интересный эффект, если направлять материю(звезду) между пары относительно близких звезд/чд, то она ускоряется, а эта пара сближается. Так могут катапультироваться звезды из шаровых скоплений или галактик.
                    • +1
                      Это у работает с вращающейся (см https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process) черной дырой, до тех пор пока она не перестанет вращаться, после чего это работать перестанет.
                    • 0
                      А как же излучение Хокинга?
                      • +1
                        На него нельзя повлиять. К тому же, температура этого излучения даже для малых размеров черной дыры будет, скорее всего, ниже, чем температура вещества, в котором образовалась дыра. Следовательно, суммарно дыра будет поглощать больше энергии, чем излучать.
                      • 0
                        Энергию у ЧД отобрать можно. По крайней мере в теории не нарушая известных физических законов, если не задумывать о практической реализации. Вот по этой ветви комментариев пройдитесь, там в т.ч. ссылка на книжку где разные безумные интересные теоретически возможные способы рассмотрены: https://geektimes.ru/post/279868/#comment_9538084

                        Хотя и там не все перечислены. Что вероятно невозможно — так это уменьшать энтропию ЧД (НЕ равно уменьшению ее энергии/массы). Хотя излучение Хокинга если работает как описано в текущих теориях, даже закон не убывания энтропии может нарушать. Правда скорее всего не на текущем этапе эволюции вселенной, которая еще слишком «теплая» для этого.
                        • 0
                          Как раз излучение Хокинга и «восстанавливает справедливость» в вопросе неубывания энтропии. Оно было введено (или может быть введено) именно как поправка, обеспечивающая для черных дыр соблюдение второго начала термодинамики.

                          За ссылку спасибо.
                        • 0
                          А что насчёт воздействия на неё другой, более мощной чёрной дыры? В таком случае более мощная заберёт энергию себе. то есть отнимет у первой.
                      • 0
                        Так получается, что сдетонировать новый большой взрыв не получится, ибо вся энергия будет уходить в дыру и расширять ее? Что ж он тогда нас пугает?
                        • +1
                          Хм, так это и есть рост энтропии — для ЧД она пропорциональна площади ее поверхности(горизонта событий), а он в свою очередь пропорционален квадрату радиуса. Т.е. увеличивать энтропию ЧД можно сколько угодно — сообщая ей энергию, увеличивая ее радиус и соответственно площадь поверхности.

                          Просто это такой вот «неправильный» объект — увеличение энтропии у него приводит к снижению эффективной температуры, а не ее росту.
                          • +2
                            Увеличивая суммарную энтропию ЧД, вы уменьшаете объемную плотность ее энтропии. Ведь объем растет пропорционально кубу радиуса, а энтропия — квадрату. Может быть, этим (интуитивно) и объясняется снижение эффективной температуры, так как температура пропорциональна именно удельной энтропии.

                            Так или иначе, от падения в дыру вещества и излучения она только охлаждается. Никаких других возможностей воздействовать на дыру у нас нет. Поэтому и невозможно нагревать дыру. Можно только ждать, пока она сама не нагреется, теряя массу от излучения Хокинга.
                        • 0
                          Ура! Нам теперь не страшны чересчур переразвитые враждебные инопланетяне с их галактическими крейсерами! — у нас против них теперь есть свежеоткрытое «оружие космологического сдерживания»! Это… срочно подкиньте этим странным физикам деньжат — нам нужно больше «красных кнопок» самых разных форм и размеров! :)
                          • 0
                            Ну так анекдот «У физиков есть традиция — один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать Большой адронный коллайдер» не совсем на пустом месте появился.

                            Только БАК надо заменить на название ускорителя который на самом деле сможет достичь нужных энергий.

                            А так эти хохмы, так же как и страшилки с образованием черных дыр в БАК, которые уничтожат Землю появились из-за того, что эти вопросы в серьез (на научном уровне) рассматривались при его проектировании и строительстве. Разумеется проведя нужный анализ и расчеты все пришли к однозначному выводу, что никакой реальной опасности нет, т.к. энергии на много порядков ниже потенциально опасного уровня. Но сам факт рассмотрения таких вопросов был.
                            И для реально мощных установок (далеко за пределами земных технологий) это не исключается.
                          • 0
                            Поддерживать температуру, при которой идут термоядерные реакции и превращения элементарных частиц, чрезвычайно тяжело. Энергия начинает утекать из системы «через все щели». Главным образом — через нейтрино. Образуются нейтрино, и они свободно улетают, унося гигантское количество энергии. См. нейтринное охлаждение. Так что даже при таких масштабных процессах, как взрыв сверхновых, температура не превышает некоторых критических пределов. Во всяком случае, дело не доходит ни до распада атомных ядер на нуклоны, ни тем более до распада барионов на кварки.

                            А еще автор упустил из виду интересные системы, в которых можно ввести отрицательную термодинамическую температуру. В таких системах ограничена максимальная энергия составляющих частиц, поэтому бесконечной температуре соответствует конечная (и не очень большая) энергия, а при дальнейшем подводе энергии к системе ее температура становится отрицательной и стремится к абсолютному нулю снизу. Таким образом, абсолютный нуль в таких системах по-прежнему недостижим, а переход к отрицательным температурам происходит через бесконечность, а не через нуль.
                            • 0
                              С чего такие заявления? Как раз при взрывах крупных сверхновых дело доходит как минимум до распада атомных ядер на отдельные нуклоны — так образуются нейтронные звезды и самые тяжелые химические элементы (намного тяжелее железа). А вероятно и до распада барионов на кварки тоже дело доходит в самом ядре при вспышках сверхновых самых крупных (тяжелых) звезд — существование полностью кварковых звезд не исключается по текущим теориям. По части теорий даже в центрах «обычных» нейтронных звезд есть кварковые ядра. Ну и при образовании черных дыр при грав. коллапсе крупных звезд «расплавление» материи до кварковой плазмы идет как один из промежуточных этапов сжатия.

                              Ну и на БАК при желании можно экспериментально получать и изучать кварк-глюонную плазму сталкивая тяжелые ядра — температуры(энергии) даже земных ускорителей для этого уже хватает.
                              • 0
                                Как раз при взрывах крупных сверхновых дело доходит как минимум до распада атомных ядер на отдельные нуклоны

                                Но этот распад происходит не от высокой температуры, а от вырождения вещества при высоких плотностях — см. нейтронизация. То же касается и распада барионов на кварки.

                                Что же касается БАК — то там области кварк-глюонной плазмы не существуют равновесно, как это было бы при поддержании высокой температуры. Такие области создаются лишь на короткое время и быстро распадаются.
                                • 0
                                  А сжатие приводит к нагреванию, хоть это не настоящий газ а «электронный газ» или даже нейтронный вырожденный газ. Скорости частиц становятся близки к скорости света. Температуры в момент вспышки крупной сверхновой и рождения новой нейтронной звезды доходят до триллиона градусов — намного больше чем нужно для «плавления» ядер атомов (разрушения их на отдельные нуклоны) и возможно хватает для частичного образования кварк-глюонной плазмы из нуклонов.
                                  Так что это просто 2 разных подхода к описанию одного и того же процесса.

                                  При самых крупных вспышках сверхновых происходящих по схеме гравитационного коллапса, когда гравитацию уже ничто не может остановить и ядро сжимается в ЧД — верхнего лимита по температуре уже вообще нет.

                                  Да, в БАК это неравновесно и довольно быстро. Но все-таки там на относительно продолжительное (достаточное, чтобы потом все это можно было реконструировать по показаниям детекторов) время образуются системы из десятков-сотен тысяч связанных частиц, к которым в отличии от отдельных частиц вполне применимы понятия средней температуры, плотности, давления и т.д. которые можно изучать и оценивать.
                                  Естественно все это очень быстро остывает и распадается, но наблюдать можно. В частности выяснили что кварк-глюонная плазма при триллионных температурах по своим свойствам и динамике намного больше похожа на жидкость, чем на газ или обычную плазму.
                            • 0
                              То есть, теоретически, вместо коллайдера можно построить печку для разбиения частиц. Полагаю, это сложнее, зато больше времени на изучение.
                              • +2
                                На данный момент самая большая строящаяся «печка» — это ITER. Но температуры в этой «печке» будет едва достаточно для термоядерных реакций. Это неизмеримо меньше энергий, получаемых на ускорителях.
                                • 0
                                  > Полагаю, это сложнее, зато больше времени на изучение.
                                  Думается, изучать что либо там не представляется возможным.
                                • –2
                                  Иной раз, читая ответы Итана, мне кажется, что перед тем, как писать его, он крепко упарывается. В этот раз приход был испытан им на третьем пункте. Возможно, сам он и понимает, о чем пишет, но лично мне определить где там все еще сознание, а где — его предельные энергии, не представляется возможным. В принципе, только поэтому и читаю его ответы.
                                  • –1
                                    Разные языки, разные школы, разные традиции построения фраз и компоновки текста. Чтобы читалось легко и привычно, как советский школьный учебник, нужно не переводить, а пересказывать и полностью перерабатывать текст, а это непросто.
                                    • 0
                                      А что, в данной статье имеются серьезные ошибки с точки зрения физики? В таком случае, не могли бы вы пояснить, где они находятся и в чем именно заключаются?
                                      • 0
                                        Придираетесь, толком не прочитав комментарий.
                                        • 0
                                          Где вы видите придирки? Я всего лишь попросил вас разъяснить, где ошибки? Так как из вашего комментария местоположение и суть ошибок не усматривается
                                          • 0
                                            Разъясняю. Я не писал ни о каких ошибках. Я писал совершенно о другом и даже в мыслях не имел критиковать статью. Приходите вы и просите меня найти в ней ошибки и разъяснить их суть. Понятия не имею, почему вы выбрали меня, ведь здесь полно толковых физиков.
                                        • 0
                                          серьезные ошибки в теоретической физике?? вы серьезно))
                                        • 0
                                          Рэндала Монро почитайте)
                                          • 0
                                            а ещё мне кажется, что самого интересного всего чуть-чуть и в конце на полуслове…
                                          • +3
                                            Местами просто ересь какая-то написана:

                                            «Но если придать отдельной квантовой частице достаточно энергии – даже если это безмассовая частица, двигающаяся со скоростью света – она обратится в чёрную дыру!»

                                            Ни разу не так, разумеется! Ну давайте, придайте энергии отдельной(!) частице, чтобы она превратилась в ЧД. Я посмотрю.

                                            Придать энергии отдельной частице — это значит разогнать её. Но, заметит нам первокурсник, можно даже не разгонять частицу, а просто рассмотреть покоящийся протон в системе отсчёта, где он будет ультра-гига-релятивистским. Наверное в тот же момент протон превратится в ЧД… Что?!.. Как не превратится?.. Вот вам, Итан, и ответ.

                                            Подсказка: требуется повысить энергию покоя(!) системы. А это возможно только при столкновениях, например. Тут да, можно и ЧД родить. Но столкновение это уже никак не отдельная частица, а как минимум две.

                                            В современном коллайдере энергии столкновений никак не хватает для этого. Спектр масс чёрных дыр начинается на 10^26 эВ, против «смешных» 10^13 эВ в БАК. Можно говорить лишь о возникновении промежуточных (виртуальных) ЧД. Но вклад таких чернодырных петель в диаграммах, сами понимаете, ничтожен, и не может быть замечен. (В конце 90-х у меня на эту тему была дипломная работа).
                                            • 0
                                              а еще невозможно отобрать у частицы всю энергию и достичь абсолютного нуля. В статье звучит раздражающе, мол чего нам стоит, забить на термодинамику =(
                                            • 0
                                              Какой будет масса черной дыры чтобы температуры излучения была порядка 100 градусов цельсия?
                                              Можно ли поддерживать её массу постоянной?
                                              То есть мы получим конвертер масса энергия?
                                              • +2
                                                Я посчитал (если только не ошибся), что масса дыры с температурой 100С должна быть 3,3х10^19 кг. Это масса солидного такого астероида. Размер чёрной дыры будет примерно 100 нанометров.

                                                Надо заметить, что чем меньше ЧД, тем быстрее она испаряется. Т.е. процесс идёт по нарастающей, что означает взрыв в конце. Лавинообраным процесс становится при массе ЧД в тысячи тонн. Это довольно приличный бабах. Т.е. последние несколько тысяч тонн масс ЧД превращаются в энергию взрывоподобно. Землю должно разнести, если чёрную дыру вовремя не подкормить материей, чтобы она увеличилась и подостыла.

                                                А насчёт конвертера вы правы. Это был бы отличный реактор, неразборчивый к топливу.
                                                • 0
                                                  Землю должно разнести

                                                  Энергия выделяемая в последние 2 часа эквивалентна энергии столкновения с Чиксулубом. В последний год — с 16 Чиксулубами. Маловато чтобы самой планете навередить.

                                                  • 0
                                                    Хм, а ведь действительно не так много — думал что намного больше. При распаде на поверхности конечно это будет звиздец — десятки терратонн в тротиловом эквиваленте на самом последнем и быстром этапе распада. Планета конечно будет в порядке (с) со временем, но последствия явно хуже чем от глобальной ядерной войны всех со всеми.

                                                    Но вот например провалившейся в ядро планеты ЧД можно не особо опасаться — скорее всего все ограничится вполне умеренными землятресениями (правда по всей поверхности одновременно) при выходе ударной волны ну и совсем маленькой дозой излучения от самых энергичных частиц смогших пройти всю толщю материи.
                                                    • 0

                                                      У меня вот смешанный чувства каждый раз как я это осознаю. С одной стороны взрыв такой мощности это "всего лишь" сравнимо с ударом 10 километровой кометы. С другой стороны удар кометы высвобождает чудовищные 5 тысяч тонн массы в энергетическом эквиваленте.


                                                      С центром земли единственное с чем я до сих пор не разобрался (каюсь, стыдно) — это если уронить 3 и более черных дыр (вроде влияние земли пренебрежимо мало на близких расстояниях и для 2х их можно рассматривать как бинарный мерджер с ожидаемым временем слияния больше жизни вселенной) — то каким будет влияние гравитационных волн?

                                                      • 0
                                                        1. По сравнению с кометой при распаде ЧД этот 1 Чиксулуб выделяется почти полностью в виде жёсткого рентгена. Поэтому катастрофа будет непохожа на падение астероида. Как именно она будет ужасна, оценить не берусь, но мяско прожарит нормально.

                                                        2. Насчёт гравитационных волн я не понял проблемы. Ну будут в центре Земли вращаться несколько ЧД, и чего? Если ЧД большие, то основная потеря энергии системы на гравитационные волны, если маленькие на излучение Хокинга. Однако, на уровне ощущений, что такие ЧД, для которых важны ГВ уже достаточно велики, чтобы свободно двигаться в толще Земли, и уже будут кушать вещество.

                                                        3. Кстати когда-то давно мы делали оценку наличия скопления чёрных дыр в центре Земли (имеются ввиду ЧД наноразмеров) на основании характерного потока и спектра нейтрино от них. Значительного количества их там нет. :)

                                                        • 0
                                                          А для таких масштабов уже особой разницы в чем изначально эта энергия выделялась нет. Важны только ее общее количество и в течении какого времени она выделилась (максимальная мощность).

                                                          Для тех/того кто окажется близко разницы нет, т.к. в любом случае полное и гарантированное уничтожение.

                                                          Для тех/того кто в момент взрыва будет достаточно далеко разницы нет, т.к. даже простой воздух при толщине его слоя хотя бы в несколько десятков км это уже почти идеальный поглотитель рентгена. Рентген будет поглощен и потом преобразован в ионизацию и простой нагрев самого воздуха, а чуть позже эта поглощенная энергия будет переизлучена уже в виде ИК и видимого излучения и расширения быстро нагревающего от излучения воздуха.

                                                          В общем для тех кто окажется достаточно далеко от эпицентра поражающие факторы будут теми же самыми как и от падения крупного астероида/кометы или от взрыва сверхмощной термоядерной бомбы — сначала сильное тепловое излучение, потом ударная волна (воздушная, поземная, на побережье еще цунами). Позже в долгосрочной перспективе — проблемы с атмосферой из-за загрязнение ее радиоактивными элементами(наведенная радиация) и большим количеством пыли выброшенной в стратосферу и вызывающей похолодание и дефицит солнечного света («ядерная зима»).
                                                        • 0
                                                          Маленькие вроде же должно наоборот быстрее сближаться, ну разумеется если как-то умудрятся оказаться достаточно близко друг к другу и на достаточно больших скоростях, чтобы для начала сформировать тесную гравитационно связанную бинарную систему не оттолкнув друг дружку излучением хокинга в процессе?
                                                          А вот время непосредственно самого слияния (финальной фазы сближения) должно быть на порядки больше чем у ЧД зведных масс. Т.е. как таковой яркой «вспышки» грав. волн не будет — будет постепенно растущая мощность и частота излучения.

                                                          Другой вопрос что вероятность этого крайне мала — скорее они будут независимо вращаться вокруг глобального центра масс, а не вокруг друг дружки — и в данном случае этот центр будет задаваться массой Земли, плотность которой хоть и мала, но вот общая масса на много(12-14) порядков больше интересующего нас диапазона масс ЧД.
                                                          Чтобы притяжение соседней ЧД оказалось сильнее гравитации Земли и сильнее взаимного отталкивания излучением — они должны пройти ну очень близко друг от друга.

                                                          Влияние грав. волн должно стремиться к нулю — в любом случая в виде грав. волн может выделиться только относительно небольшая часть общей массы-энергии системы и эти волны имеют очень слабое влияние на материю через которую они проходят. По грубой прикидке амплитуда грав. волн должна быть не намного выше чем у недавних открытий грав. волн, которые вообще с огромным трудом засекли на грани чувствительности самых совершенных детекторов. Но при этом на много порядков выше максимальная частота этих колебаний и их продолжительность.
                                                          • 0
                                                            не оттолкнув друг дружку излучением хокинга в процессе?
                                                            ЧД размером 1/6 протона не должны сильно особо отталкиваться этим.
                                                            массой Земли, плотность которой хоть и мала, но вот общая масса на много(12-14) порядков больше интересующего нас диапазона масс ЧД.
                                                            В центре земли притяжение колеблется вокруг нуля. земля же в разные стороны почти равномерно тянет.
                                                            По грубой прикидке амплитуда грав. волн должна быть не намного выше чем у недавних открытий грав. волн, которые вообще с огромным трудом засекли на грани чувствительности самых совершенных детекторов. Но при этом на много порядков выше максимальная частота этих колебаний и их продолжительность.
                                                            По грубой прикидке при переходе нескольких процентов масс таких ЧД в гравитационные волны на расстоянии 6000км (от центра земли до поверхности) они будут очень даже заметны.
                                                            • 0
                                                              Ну так и притяжение 2х квантовых ЧД пока они не сблизились слишком сильно тоже совсем невысокое.

                                                              Точно в центре Земли — да. Но ЧД провалившиеся к центру не будут неподвижно висеть где-то около центра — с учетом очень высокой проникающей способности квантовых ЧД, для которых материя практически «прозрачна» провалившаяся ЧД падая к центру сильно разгонится (преобразовав свою потенциальную энергию гравитационной связи ЧД-центр масс Земли в кинетическую) и пролетит этот самый центр на высокой скорости практически вылетев с обратной стороны Земли. По прошествии очень большого времени эти скачки к поверхности и падения обратно к центру будут постепенно затухать, но очень и очень медленно — инерция у таких ЧД очень большая (речь же о массах от миллионов тонн до тысяч тонн на самом последнем этапе), а сечение при этом меньше чем у элементарных частиц (на последнем этапе — на неск. порядков меньше), заряда и взаимодействий с материей кроме гравитации никаких нет — даже если ЧД и была изначально заряжена, без целенаправленного поддержания этого заряда она быстро его нейтрализует как за счет собственного излучения (у заряженной ЧД оно становится не симметричным по заряду — она с большей вероятностью излучает частицы имеющие тот же знак заряда что и сама и за счет этого разряжается) так и за счет предпочтительного поглощения частиц материи с противоположным зарядом при пролете сквозь материю. Поэтому «тормозить» двигаясь сквозь материю им практически нечем.
                                                              В результате такие ЧД должны выйти на какие-то весьма широкие орбиты вокруг центра Земли и летать под поверхностью. Для каждой ЧД эта орбита должна быть своей, зависящей от точки входа, массы, времени и начальной скорости. Перейти на орбиту друг вокруг друга вместо общего центра возможно, но с очень низкой вероятностью — 2 ЧД должны пройти либо очень близко к друг другу, где сила взаимного притяжения будет досаточно высокой. Либо оказаться на сходных орбитах и скоростях, чтобы взаимные (относительные) скорости были малы. Иначе втречающиеся ЧД будут просто пролетать мимо друг друга на скорости двигаясь по орбитам вокруг центра Земли.

                                                              По грубой прикидке при переходе нескольких процентов масс таких ЧД в гравитационные волны на расстоянии 6000км (от центра земли до поверхности) они будут очень даже заметны.

                                                              Частоту и время слияния учитывали? Общая энергия ушедшая в грав. волны будет значительной и дошедшей до повехности Земли тоже. Но чем мельче ЧД, тем дольше растягивается процесс финального слияния — эта энергия будет выделяться в течении очень большого времени, а не за секунды как при слиянии ЧД звездных масс.
                                                              Ну и частота так же на порядки выше — энергия грав. волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды. Частота тут будет очень большая, а вот амплитуда (собственно искажения метрики пространства-времени) невысокие.
                                                              • 0
                                                                А вот об этом я не подумал, что колебания будут затухать очень долго.

                                                                Касательно финальной мощности — где я не прав?
                                                                Формула мощности:image
                                                                Гравитационный радиус линейно пропорционален массе, в числителе масса в 5 степени, в знаменателе радиус в 5 степени. Т.е. в конце мощность вроде должна быть примерно равной?

                                                                Заметны — я имел ввиду по плотности энергии.
                                                                • 0
                                                                  О, тут пропущенный комментарий оказывается.

                                                                  Не совсем неправы, просто не точно. Это классическая формула работающая до тех пор пока расстояния между телами (ЧД в нашем случае) много больше чем их радиусы, скорости их движения много меньше скорости света, а форма тел близка к шару или по крайней мере симметричная относительно центра массы.

                                                                  На конечном этапе слияния ЧД все эти три условия нарушаются и формула дает сильную ошибку (до нескольких порядков). Аналитического решения для этого этапа нет, только моделированием.
                                                                  Самый мощный всплеск(на много порядков) мощности волн происходит в момент соприкосновения горизонтов событий. И чем больше были размеры/массы ЧД тем раньше произойдет этот скачкообразный переход ок от процесса сближения по спирали(примерно описываемый приведенной формулой) к ультрарелятивистским процессам непосредственно финального слияния в котором собственно и выделяется основная часть энергии, а мощность грав. волн достигает максимума.

                                                                  Как там считается(моделируется) это на последнем этапе я не знаю, но примеры моделей которые попадались (и которые пока согласуются с той парой экспериментальных наблюдений что пока есть), показывают что со снижением масс ЧД этот финальный этап занимает все больше времени, а излучаемая в процессе мощность снижается.
                                                                  Для примера 2 официально подтвержденных наблюдения слияний ЧД:
                                                                  GW150914 — масса пары ЧД 36+29 солнечных, финальный этап слияния занял порядка 0.2 секунды(основной всплеск вообще меньше 0.1с), за которые выделилась энергия эквивалентная массе порядка 3х солнечных, т.е. мощность излучения в конце слияния 2.5*10^48 Вт
                                                                  GW151226 — масса пары ЧД 14+7.5 солнечных, финальный этап слияния занял порядка 1 секунды, за которые выделилась энергия эквивалентная массе порядка 1 солнечной, т.е. мощность излучения в конце слияния 1.8*10^47 Вт

                                                                  Т.е. 3х кратное снижение массы системы (пары ЧД) приводит к аналогичному примерно 3х кратному снижению общей энергии выделяющейся на конечном этапе слияния и более чем 3х кратному увеличению длительности этого процесса, а мощность излучения на конечном этапе соответственно снижается больше чем в 10 раз. Моделей для ЧД меньшей чем зведных масс я правда не видел, так что не знаю как оно дальше в сторону очень маленьких ЧД масштабируется. Видимо из-за того что их практическое существование вообще под большим вопросом, то никто всерьез этим вопросом не занимается сейчас…

                                                                  Ну и насчет плотности энергии — насколько я понимаю, до тех пор пока амплитута волн много меньше чем характерные расстояния атомных(сильных) и электромагнитных взаимодействий в материи никаких макроскопических эффектов от прохождения грав. волн вообще не будет — независимо от мощности или плотности их энергии. А амплитуда с уменьшением размеров ЧД снижается еще намного быстрее чем мощность.
                                                    • –1
                                                      > Размер чёрной дыры будет примерно 100 нанометров.

                                                      Очень тонкий баланс получается и на таких размерах не понятно как быстро если что подпитать дыру, зато «легко» в случае чего её изолировать пока не начала жрать матерю вокруг. Это мне кажется гораздо перспективней, чем уже набившая оскомину «сфера Дайсона» своей унылостью времён паровоза
                                                    • +1
                                                      Вам сюда, буквально недавно в комментариях такие вариант подробно обсуждали: https://geektimes.ru/post/279868/#comment_9538018
                                                    • 0
                                                      Про запуск нового большого взрыва — мне кажется не очень как-то правдоподобно звучит. Инфляция будет прдолжаться ровно до тех пор, пока плотность энергии пространства будет достаточной для этого, в локальном обьеме. А поскольку пространство локально будет раздуваться очень быстро, то плотность быстро спадет, и будет не большой взрыв, а «микровзрывчик». Будет такой интересный феномен что внутри некоторой сферы пространства обьем будет куда больший, чем обьем этого шара с точки зрения Евклидовой геометрии (можно представить как выпуклостью на 2D плоскости, которая увеличивает площадь поверхности). Такая черная дыра наоборот. Но такое состояние — не стабильное, и оно быстро вернется «в норму» с излучением мощной (если не сказать мощнейшей) (анти-)гравитационной волны.
                                                      • 0
                                                        Ну я читал теорию, что большой взрыв мы таким образом сделаем не в нашей вселенной, а вроде как выдуем пузырь «вовне», и вот там уже будет своя вселенная.
                                                        • 0
                                                          Может при какой то критической энергии такая выпуклость не втянется обратно в нашу вселенную, а края схлопнутся и пузырь отделится. Получится мини вселенная. Интересно что будет если в это время оказаться внутри этой вселенной.
                                                          • 0
                                                            Да, там такая суть и была, строим гигантские лазеры накачки, фокусируем в одну точку, а для исследования, можно успеть запихнуть в дырку нанитов. Но вот как обратно информацию передать это вопрос.
                                                      • 0
                                                        Получается, что чёрная дыра — это ещё и своего рода защита от новой инфляции.
                                                        • 0
                                                          Ну а как же бариогенезис, вещества существовало намного более чем сейчас.

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.