¿Son los electrones simplemente agujeros negros evaporados de forma incompleta?

Imagine un agujero negro que se acerca rápidamente a sus últimos lanzamientos exponenciales de evaporación de Hawking.

Presumiblemente, en todos los puntos de este proceso final quedará una región que seguirá siendo identificable como "el agujero negro" hasta el final, a diferencia del enorme enjambre de partículas fundamentales que se irradia desde allí.

A medida que la masa del agujero negro desciende a la de las partículas individuales, parece totalmente factible que el último evento de radiación fermiónica de Hawking disponible para el agujero negro casi muerto pueda dejarlo con una carga desequilibrada, por ejemplo, -1, y una carga desequilibrada. girar, digamos 1/2. Por supuesto, también tendría algún tipo de masa, pero ese aspecto del residuo final podría ajustarse a cualquier valor específico mediante emisiones de fotones de frecuencias arbitrarias.

Después del recorte de masa de emisión de fotones, el residuo del agujero negro resultante alcanzaría un punto en el que ya no podría evaporarse en ninguna partícula conocida, porque ya no hay ninguna opción de menor masa disponible para eliminar la carga -1 y 1 /2 giro. El residuo del agujero negro en ese momento quedará atascado, por así decirlo, con las características exactas de carga, espín y masa de un electrón.

Y entonces mi pregunta: ¿ Es un electrón?

Y si es así, por equivalencia, ¿son todos los electrones del universo realmente un tipo particular de agujero negro que no puede evaporarse más debido a las restricciones de conservación de la carga y el espín?

Y si es así, ¿por qué la carga y el espín se combinan de manera tan única en tales remanentes de agujeros negros, de modo que, por ejemplo , no se permite un remanente de -1 carga y cero espín, al menos no comúnmente, y la masa se ve forzada a un nivel asociado muy específico? ? ¿Hay algo en la comprensión actual de la relatividad general que pueda explicar un conjunto tan curioso de restricciones sobre la evaporación?

La generalización completa de esta idea sería, por supuesto, que todas las formas de evaporación del agujero negro están restringidas en última instancia de manera que corresponden exactamente al modelo estándar, siendo las partículas fundamentales libres como los electrones los únicos estados finales estables del proceso de evaporación. El protón sería un ejemplo fascinante de una evaporación que permanece incompleta de una manera más profunda, con los tres quarks incapaces de existir de forma aislada dentro del espacio-tiempo. La fuerza fuerte, desde esa perspectiva, en algún extraño sentido tendría que ser un curioso remanente desequilibrado de esas mismas limitaciones más profundas en el proceso general de evaporación gravitacional.

¡Todo esto también puede ser tautológico! Es decir, dado que la radiación de Hawking está guiada por las partículas posibles, las restricciones que acabo de mencionar pueden ser incorporadas y, por lo tanto, de naturaleza completamente trivial.

Sin embargo, algo más profundo en la forma en que trabajan juntos parecería... plausible, ¿al menos? Si un electrón es un agujero negro desequilibrado, entonces las partículas emitidas también serían agujeros negros, y el proceso general no sería solo de emisión de partículas, sino de cómo los agujeros negros se dividen en masas bajas. Sospecho que dividir con las restricciones impuestas por la estructura del espacio-tiempo en sí sería una forma bastante diferente de ver la evaporación del agujero negro.

(nota final: este es solo un pensamiento pasajero que he reflexionado de vez en cuando a lo largo de los años. La pregunta se inspiró en esta intrigante mención del concepto de geon de Wheeler por parte de Ben Crowell. Debo agregar que dudo muy seriamente que mi Sin embargo, las especulaciones salvajes anteriores tienen algo que ver con el concepto de geones de Wheeler).

Creo que aquí está el desajuste: "Presumiblemente, en todos los puntos de este proceso final quedará una región que seguirá siendo identificable como "el agujero negro" hasta el final, a diferencia del enorme enjambre de partículas fundamentales que se está irradiando de eso." Dejará de ser un agujero negro mucho antes de que su masa alcance la masa del electrón. centaurihome.net/swartz.php . El agujero negro en degeneración ya no podrá atrapar la luz y definir un horizonte de eventos. Será una estrella de neutrones o algo así.
¿He mencionado alguna vez que muchos de los títulos de sus preguntas me hacen temblar y alcanzar el botón de cerrar pensando que señalan a otro chiflado? Te juro que me haces esto la mayoría de las veces.
Puede que le interese este documento: cds.cern.ch/record/1314757/files/plb.697.434.pdf . pequeños agujeros negros todavía transportan mucha energía en su descomposición/evaporación
Gracias a todos por sus comentarios. ¡Creo que disfruté más de dmckee! Para aclarar: en mi trabajo diario tratamos de diseccionar la sensibilidad lo suficientemente bien como para replicarla. Pocas cosas son más misteriosas en la búsqueda de la sensibilidad que la forma en que la inteligencia humana a veces... salta ... de un punto de vista conocido a otro muy diferente. En una conciencia disciplinada, los controles de calidad eliminan rápidamente el 99% o más de tales saltos. Pero sin la voluntad de entretener tales saltos, la sensibilidad rápidamente se convierte en comportamientos de memoria "rápidos pero tontos". Es la falta de control lo que lleva a la verdadera culinaria, no la falta de exploración.
@annav: Dejará de ser un agujero negro mucho antes de que su masa alcance la masa del electrón. Esta no es la predicción estándar. ¿Tiene una fuente para este reclamo? Por supuesto, hay incertidumbre una vez que estamos por debajo de la masa de Planck, que es mayor que la masa del electrón. El agujero negro en degeneración ya no podrá atrapar la luz y definir un horizonte de eventos. Será una estrella de neutrones o algo así. No, esto es completamente incorrecto.
@BenCrowell el enlace que di arriba sobre mini agujeros negros de grandes dimensiones extra. Nadie computaba electrones, sino chorros de partículas producidos termodinámicamente.
¿Cómo puede estar completamente equivocado si la masa no es suficiente para atrapar la luz? ¿Es ya un agujero negro?
@annav: ¿Cómo puede estar completamente mal si la masa no es suficiente para atrapar la luz? ¿Es ya un agujero negro? Un agujero negro puede tener cualquier masa. El radio del horizonte de sucesos está relacionado con la masa.
@BenCrowell, ¿puede proporcionar un enlace para este reclamo? La búsqueda que hice me lleva a la cita de wikipedia de Hawkin "Sus cálculos muestran que cuanto más pequeño es el tamaño del agujero negro, más rápida es la tasa de evaporación, lo que resulta en un estallido repentino de partículas cuando el micro agujero negro explota repentinamente". lo cual es consistente con los modelos en el documento que vinculé arriba.
@annav: Su cita no contradice mi declaración ni respalda la suya. Eche un vistazo a cualquier fuente que describa el radio de Schwarzschild y derive su conexión con la masa, por ejemplo, el artículo de WP sobre agujeros negros. Mire a través de la lógica y verá que no hay nada en la derivación que ponga un límite inferior a ninguno de los dos. Tal vez te estés confundiendo por el hecho de que existe un límite superior en el tamaño de las estrellas de neutrones. Ese límite superior implica un límite en el tamaño inicial de un agujero negro que se forma por el colapso de una estrella. No es un límite en lo pequeño que puede llegar a ser durante la radiación de Hawking.
@BenCrowell Encontré esta respuesta que respalda su afirmación de que un agujero negro sigue siendo un agujero negro, hasta que al final hay una explosión porque "irradia energía cada vez más rápido" thenakedscientists.com/HTML/questions/question/3183
Guau, tres semanas sobre... Anna, Ben, realmente aprecio el diálogo anterior. Sin embargo, creo que leer todo me ha dejado más o menos donde estaba antes, especialmente esa referencia final de Anna. En realidad, es la misma pregunta que tenía antes: durante la explosión de evaporación final de un pequeño agujero negro, ¿cuándo y dónde deja de existir exactamente el agujero negro? Esta debería ser una pregunta que tiene una respuesta muy precisa, habría pensado, ¿y tal vez solo me estoy perdiendo?... pero todavía no lo veo, lo siento.

Respuestas (3)

Si y no.

Los electrones, y todas las demás partículas elementales, pueden verse como microestados de agujeros negros muy pequeños. A medida que uno considera partículas elementales cada vez más pesadas (por ejemplo, aquellas en el espectro de Hagedorn de la teoría de cuerdas), se transforman cada vez más en microestados de agujeros negros. Cuando las masas de las partículas elementales superan suficientemente la escala de Planck, la mayoría de las partículas elementales parecen microestados típicos de agujeros negros.

Entonces, la gravedad cuántica, tal como la entendemos hoy, implica que hay una transición gradual de las partículas elementales a los agujeros negros.

Sin embargo, si las partículas elementales -microestados de agujeros negros muy ligeros- son (mucho) más ligeras que la escala de Planck, la descripción de estos "agujeros negros" utilizando las ecuaciones más ingenuas de la relatividad general (ecuaciones de Einstein) se vuelve muy imprecisa. Correcciones como (potencias de tensores de curvatura) R norte a las ecuaciones de movimiento, y varias reglas de cuantización y otras deformaciones de la mecánica cuántica, restauran su importancia; solo pueden despreciarse en el límite de tamaño muy grande.

En consecuencia, la mayoría de las predicciones hechas por GR clásico son muy inexactas o totalmente erróneas para las partículas elementales si se las trata como agujeros negros. Por ejemplo, la relación carga/masa de un electrón (u otras partículas cargadas conocidas) supera con creces el límite superior que define los agujeros negros "extremos" en GR. Tales agujeros negros no estarían permitidos clásicamente, pero este régimen es altamente no clásico, por lo que estos objetos existen con las propiedades conocidas.

En realidad, es necesario que las partículas elementales cargadas se comporten como agujeros negros superextremales sobrecargados "no permitidos". Es necesario para que los agujeros negros normales grandes y cargados se evaporen por completo, lo cual es necesario por otras razones. Todas estas afirmaciones son equivalentes a la llamada conjetura de gravedad débil.

http://arxiv.org/abs/hep-th/0601001

Clásicamente, un agujero negro cargado que gira tiene restricciones en su momento angular y su carga en relación con su masa. De lo contrario, no hay horizonte de eventos y tenemos una singularidad desnuda en lugar de un agujero negro. Un electrón viola ambos límites, por lo que los electrones definitivamente no pueden ser agujeros negros.

Podríamos preguntarnos si los electrones son, en cambio, singularidades desnudas. Sin embargo, no observamos que los electrones tengan las propiedades previstas para estas singularidades desnudas. Por ejemplo, las singularidades desnudas habrían cerrado curvas temporales en el espacio-tiempo que las rodea, lo que violaría la causalidad, pero no hay evidencia de que los electrones provoquen una violación de la causalidad.

Un problema aparte es que en un escenario en el que originalmente eran agujeros negros (presumiblemente primordiales), tampoco creo que sea posible que evolucionen hacia singularidades desnudas. Esto violaría lo que parece ser un apoyo bastante sólido para la censura cósmica. Pero supongo que podrías postular en su lugar que había singularidades primordiales desnudas.

Ben Crowell, buenos puntos, gracias. Pero creo que me debo estar perdiendo algo aquí: ¿Dónde termina la "rareza" de un agujero negro (o singularidad) en un evento de evaporación? ¿Es eso realmente conocido? Deduzco que Polchinski et al han planteado recientemente algunos puntos interesantes con respecto a los conflictos entre varias suposiciones aparentemente razonables sobre la aniquilación de agujeros. Me gusta el tacto de anna v, es decir, que el agujero se deshace antes de alcanzar la escala de una sola partícula, pero incluso eso parece insatisfactorio en términos de dónde termina la "rareza".
@TerryBollinger: ¿Estás usando "rareza" como sinónimo de "singularidad"? La singularidad desaparece cuando se completa la evaporación del agujero negro, o al menos esa es la sabiduría convencional actual. Parece que el artículo de Polchinski se trata de cortafuegos: ¿cómo sería eso relevante aquí? No creo que la representación de anna v sea correcta. Un agujero negro ciertamente no se convierte en una estrella de neutrones como ella sugirió.
Ben, cuando dijiste "Por ejemplo, las singularidades desnudas habrían cerrado curvas temporales en el espacio-tiempo que las rodea... pero no hay evidencia de que los electrones provoquen una violación de la causalidad"... me hizo sentir curiosidad por las formas cuánticas de bucles temporales. La integral QED de todas las historias posibles para un electrón incluye una forma de violación de la causalidad, ya que, por ejemplo, puede contener bucles de tiempo. ¿Son los modelos matemáticos para bucles de tiempo inducidos por singularidad GR e integrales QED de posibles historias lo suficientemente similares como para representarlos como parte de un marco único? ¿Una especie de "integral de singularidades"?
@TerryBollinger: Mi teoría de campo no es tan sólida, así que probablemente no sea la mejor persona para preguntar.
Ben, gracias, es solo una similitud intrigante e inesperada entre QED y GR que nunca se me ocurrió hasta que hiciste ese comentario. ¿Algún buen experto mutuo en esos dos campos en el intercambio de pilas? Debo admitir que, aunque muy descabellada, la idea de que la incertidumbre cuántica podría estar relacionada de alguna manera con los bucles de tiempo de singularidad que desdibujan la realidad local es deliciosamente divertida... :) Tal vez me arriesgue a hacer una pregunta real, y probablemente Merecidamente fríete bien por eso... :(
Ben Crowell, lamento mucho hacer esto, pero en la búsqueda de la precisión general para otros lectores que leen estas respuestas, siento que necesito cambiar la respuesta aceptada por la nueva de @LubošMotl, que es fascinante y profundamente relevante para el pregunta. La tuya sigue siendo muy buena y habría seguido siendo "la" respuesta sin la nueva.

Un agujero negro no puede evolucionar a un electrón. Para describir correctamente un electrón, necesita dos espinores acoplados para el electrón de Dirac, donde la constante de acoplamiento es la masa del electrón.

Dicho esto, tanto un agujero negro como un neutrón pueden describirse como espinores desacoplados.

¡Bienvenido a física.SE! Un agujero negro puede (dado lo que creemos que sabemos sobre la radiación de Hawking) evolucionar esencialmente en cualquier combinación de partículas, sujeto solo a la conservación de la masa-energía total, la carga y el momento angular. Se cree que todas las demás leyes de conservación de la física (p. ej., la conservación del número de leptones) se violan en la evaporación del agujero negro. Hay una buena discusión de esto en Wald en la p. 413. Aunque normalmente se habla casualmente de que la radiación de Hawking está hecha exclusivamente de fotones, en realidad contiene todos los tipos posibles de partículas.