Was passiert, wenn ein „Materie-Schwarzes Loch“ und ein „Anti-Materie-Schwarzes Loch“ kollidieren?

Nehmen wir an, wir haben ein Schwarzes Loch, das durch den Kollaps von Wasserstoffgas entstanden ist, und ein anderes, das sich durch den Kollaps von Anti-Wasserstoffgas gebildet hat. Was passiert, wenn sie zusammenstoßen? Verschmelzen sie (1) zu einem einzigen Schwarzen Loch oder „vernichten“ sie sich (2) zu Strahlung?

Man würde erwarten, dass (1) der Fall ist, wenn das No-Hair-Theorem gelten würde. Ich denke, was ich wirklich verlange, ist ein modernes Verständnis dieses Theorems und seiner Anwendbarkeit angesichts dessen, was wir heute wissen.

Schwarze Löcher bewahren nur Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Insbesondere bewahren sie die Baryonenzahl nicht, sodass ein "Anti-Schwarzes Loch" nicht von einem Schwarzen Loch zu unterscheiden ist. Wenn sie kollidieren, entstehen viele Gravitationswellen und ein größeres Schwarzes Loch.
@Peter Shor: volle Zustimmung von mir. ;-) +1.
@Peter Shor: Ich würde auch argumentieren, dass wir nicht wirklich wissen, was die „Baryonenzahl“ im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern ist. Es kann sehr gut sein, dass alle Baryonen in der Materie beim Kollapsprozess verloren gehen und eine Singularität aus einer neuen Art von Materie besteht. Occams Rasiermesser würde sagen, dass man das "Anti-Schwarze Loch" einfach als ein einfaches altes Schwarzes Loch behandeln soll.
Lieber @Jerry, für neutrale Schwarze Löcher macht es keinen Sinn, darüber zu sprechen, „aus welchem ​​Material die Singularität besteht“. Die Singularität ist kein Ort im Raum; das Penrose-Diagramm zeigt, dass es sich um einen Ort in der Zeit handelt – analog zum Big Crunch in der Kosmologie. Es ist ein Moment in der Zukunft, in dem alles – und die Zeit – endet. Das ist auch der Grund, warum die Physik in der Nähe der Singularität (klassischerweise) kein Ereignis im Universum beeinflussen kann. Es ist also nicht nur eine vage philosophische Meinung wie Occams Rasiermesser, die „Antisingularität“ unmöglich macht: Es ist die grundlegende Kausalität, die dies bewirkt.
Dies mag eine dumme Frage sein, aber ist die "Baryon-Zahl" nicht eine Information über das System? Und wenn ja, gehen dann nicht Informationen verloren, wenn wir die Baryonenzahl nicht mehr bestimmen können?
@Lubos Motl: Wenn das Schwarze Loch einen Spin oder eine Ladung hat (und es wird erwartet, dass praktisch alle astrophysikalischen Quellen einen Spin ungleich Null haben), dann ist die Singularität zeitlich und es ist sicherlich ein Ort im Raum (eigentlich ein Ring, kein Punkt ), die eine Scheibe mit konstanter Zeit schneidet.
Die Intuition von der Schwarzschild-Lösung lässt sich in vielen Fällen nicht besonders gut auf die Kerr-Lösung verallgemeinern, und die Struktur der Singularität ist einer der Hauptgründe für große Abweichungen – siehe den Abschnitt über Carter-Diagramme in Hawking und Ellis.
Lieber @Jerry, fair genug, aber man sollte vorsichtig sein, bevor er die innersten Teile der schwarzen Löcher von Kerr-Newman usw. zu physikalisch interpretiert. Der innere Horizont des Reissner-Nordström-Schwarzen Lochs ist ein Cauchy-Horizont und vieles läuft anders ab, als die naive Lösung vermuten lässt. Ich denke, dass die Schwarzschild-Intuition, dass die Singularität eine "Zukunft" ist, die niemanden für eine begrenzte Zeit betreffen kann, immer noch gilt, aber dies ist natürlich mit Fragen der kosmischen Zensur usw. verbunden.
Lieber @Tim, "Bewahrung von Informationen" bedeutet nicht, "etwas aufzubewahren, was man in einer schlampigen Sprache als Information bezeichnen könnte". Wenn Informationen konserviert werden, können sie immer noch codiert und auf beliebige verlustfreie Weise komprimiert werden. Der Anfangszustand hat sicher zB eine andere Größe als der Endzustand, obwohl "Größe auch Teil der Information ist". Ihr Argument, dass B konserviert werden sollte, ist nur ein Artefakt eines nachlässigen Umgangs mit Wörtern, nichts dergleichen folgt aus der Konservierung von Informationen. B bleibt nicht erhalten, wohl aber die Information – sie wird allerdings durch einen unitären Operator transformiert.
@Lubos: Ich stimme zu, dass wir die Dinge in der Nähe der Singularität nicht zu ernst nehmen sollten, weshalb ich argumentierte, dass es möglich ist, dass die baryonischen Freiheitsgrade irgendwie immer noch in der Singularität getragen werden könnten oder was auch immer. Aber die einfachste Interpretation von GR würde uns sagen, dass ein Schwarzes Loch, das aus einem Antiwasserstoffkollaps entstanden ist, nur ein einfaches altes Schwarzes Loch wäre, weshalb ich mich auf Occams Rasiermesser beziehe.
@Luboš Motl: Glaub mir, ich dachte nicht, dass es ein richtiges Argument war, eher wie "Bitte erkläre, warum das falsch ist." Ich nehme an, wenn wir die gesamte Strahlung, die aus dem Schwarzen Loch austritt, genau kennen würden, könnten wir im Prinzip das B bestimmen, das hineingegangen ist (wenn wir irgendwie die Details dieser einheitlichen Entwicklung kennen) ... aber ich denke, das ist es auf jeden Fall nicht eine Eigenschaft allein des Schwarzen Lochs.
Lieber @Tim, das war ein technisch richtiges Argument, versteh mich nicht falsch! ;-) Die Singularität in diesen Nicht-Schwarzschild-Lösungen ist zeitähnlich. Sie sind auch viel unkörperlicher, bedeckt von zwei Horizonten und nicht von einem, und man muss vorsichtig sein, was das alles bedeutet. Und rechts, B des Anfangszustandes konnte prinzipiell aus der Hawking-Strahlung bestimmt werden. Aber es wäre nicht einfach das B der Hawking-Strahlung.
Wenn Schwarze Löcher die Baryonenzahl nicht erhalten, ist es dann möglich, dass die beim Urknall erzeugte Antimaterie in primordialen Schwarzen Löchern versteckt ist und wir daher Materie (im Gegensatz zu Antimaterie) im Überschuss haben? Kann diese Hypothese irgendwie bewiesen werden?
@PeterShor Es scheint, dass dieses Antwort-Frage-Ding ein an Sie gerichteter Kommentar war, der von einem Benutzer ohne genügend Repräsentanten zum Kommentieren gemacht wurde. Wenn sich die Mods beim Lesen nicht darum gekümmert haben, sollten Sie es vielleicht überprüfen.

Antworten (3)

Ich vermute hier eine gewisse Schwierigkeit. Ein Partikel p und sein Antiteilchen p ¯ heben sich gegenseitig auf, und wenn sie eine Masse haben m dabei entstehen masselose Bosonen (Photonen). Quantenzahl, die das Teilchen identifiziert p werden durch entgegengesetzte Quantenzahlen von subtrahiert p ¯ . Diese Quantenzahlen sind normalerweise die Lepton- oder Baryonenzahlen, elektrische Ladung, Isospin und so weiter. Antimaterie hat jedoch keine Antimasse.

Diracs ursprüngliche Idee war, dass die Klein-Gordon-Gleichung nach Spinoren eine Quadratwurzel hat. Wenn das Teilchen eine Masse hat, dann gibt es zwei Wurzeln für den Impuls, die eine Oberfläche in definieren ± Teile des Impulslichtkegels. Der negative Teil des Kegels definiert das sogenannte Dirac-Meer, in dem die Partikelmasse negativ ist. Alle diese negativen Energie-(Massen-)Zustände sind jedoch vollständig aufgefüllt. Deshalb wird dies ein „Meer“ genannt, denn sie definieren einen Grundzustand, der keine Dynamik hat. Wenn Sie jedoch einem Zustand im Meer ein Energiepaket zuführen, sodass seine Energie das Vorzeichen umkehrt, können Sie ein Antiteilchen mit positiver Masse-Energie erzeugen. Alle anderen Quantenzahlen sind jedoch umgekehrt, einschließlich der Ladung.

Man könnte dann aus einer riesigen Wolke aus Wasserstoff und Antiwasserstoff gleicher Masse ein Schwarzes Loch konstruieren. Anhand des Endzustandes des Schwarzen Lochs lässt sich nicht feststellen, ob es aus Wasserstoff oder Antiwasserstoff entstanden ist. Wenn Sie also zwei solcher Schwarzen Löcher haben, wird eines aus H und die andere von H ¯ die beiden werden zu einem größeren schwarzen Loch verschmelzen.

Die Schwarzschild-Lösung in ihrer reinen Form hat eine vergangene und zukünftige Singularität, wobei die vergangene Singularität einem „weißen Loch“ entspricht. Das Weiße Loch kommt einem „Anti-Schwarzen Loch“ am nächsten. Diese kommen in der Natur nicht vor oder wurden zumindest astronomisch nicht identifiziert. Sie mögen im sehr frühen Universum eine Rolle spielen, aber die Natur ist so, dass es eine Asymmetrie (Asymmetrie in ihrem Auftreten usw.) zwischen dem Schwarzen Loch und dem Weißen Loch gibt. Das Weiße Loch hat jedoch keine „Antimasse“.

Und jetzt mischt sich ein Experimentator ein:

Die Erhaltung der Baryonenzahl hängt von der Lebensdauer des Protons bei niedrigen Energien ab, die zugegebenermaßen ziemlich groß, aber in vielen Theorien endlich ist.

Bei hohen Energien, hoch genug für die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas, wird das Überwiegen von Baryonen zu einem leichten Überschuss von Quarks gegenüber Antiquarks in der Suppe. Dies liegt daran, dass sich Quark-Antiquark-Paare kontinuierlich im Meer bilden und vernichten, und wenn man eine konservierte Zahl beibehalten möchte, wäre dies die überschüssige Anzahl von Quarks über Antiquarks in einem Materie-Plasma und umgekehrt in einem Antimaterie-Plasma.

Man nimmt an, dass beim Kollaps eines Lochs die Energien ausreichen, um ein Quark-Gluon-Plasma zu bilden, und machen damit die in der Fragestellung angenommene Pointe von Baryonenzahl und Antibaryonenzahl hinfällig. Der Überschuss an Quarks in einem Loch gegenüber dem Überschuss an Antiquarks im anderen würde proportional sehr verwässert, um anzunehmen, dass das Loch ohnehin als Materie oder Antimaterie charakterisiert werden könnte, selbst wenn alle anderen gültigen physikalischen Argumente, die bereits von anderen vorgebracht wurden, nicht vorhanden wären.

Konservierte Mengen werden nicht „verdünnt“. Das Problem hier ist, dass es grundlegende Gründe zu der Annahme gibt, dass Schwarze Löcher in keiner Weise durch Größen wie die Baryonenzahl charakterisierbar sind. Wir können dies in den No-Hair-Theoremen sehen, und wir können es in der Tatsache sehen, dass die Hawking-Strahlung nicht die Eigenschaften wie die Baryonenzahl trägt, die zur Bildung des Schwarzen Lochs beigetragen haben.
@Ben Crowell Es tut mir leid, aber wenn eine konservierte Größe verwendet wird, um ein Baryonen-Ensemble zu charakterisieren, hat die Zahl wenig Relevanz, sobald sich die Struktur des Ensembles ändert, dh es verwandelt sich in ein Quark-Gluon-Plasma, da es keine Baryonen mehr gibt ist nur ein kleiner Überschuss an Quarks (oder Antiquarks für ein von Anti-Baryonen abgeleitetes Ensemble), das im Verhältnis zu den gesamten Teilchen im Ensemble sehr klein wird und in diesem Sinne verdünnt wird.

Sie verschmelzen einfach zu einem größeren Loch. Es gibt keine Materie außerhalb des Horizonts, also werden sie ohne Zwischenfälle verschmelzen. Nichts, was innerhalb des Lochs passiert, wirkt sich auf die Außenseite aus, daher können wir keine Vernichtungsreaktionen sehen.

Was passiert, wenn ein „Materie-Schwarzes Loch“ und ein „Anti-Materie-Schwarzes Loch“ kollidieren?
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