Новый парадокс

Черные дыры с массой меньше 10¹⁵ г должны были давно сгореть. Есть ли черные дыры с большей массой, пока неизвестно.

Теоретические свойства черных дыр столь неожиданны, что интересно проследить за возможной судьбой маленькой черной дыры.

Излучение фотонов уносит массу и энтропию. Температура черной дыры повышается. Рассмотрим черную дыру с массой 10¹⁵ г. Эта масса отвечает температуре 10¹¹ К. Энергия фотонов при такой температуре будет иметь порядок величины kT∼10МэВ. Такие фотоны могут рождать пары электрон - позитрон (массе такой пары отвечает энергия ∼1МэВ). Когда масса черной дыры станет еще в 1000 раз меньше и энергия фотонов возрастет в 1000 раз, начнется рождение и тяжелых частиц. Радиус черной дыры (при массе 10¹² г) будет равен примерно 3*10^-14 см, т. е. примерно радиусу элементарных частиц. Здесь уже таится коварная ловушка. Когда черная дыра была еще большой, она в основном состояла из нуклонов - протонов и нейтронов. Но число нуклонов должно в природе сохраняться (также сохраняется и число электронов). При этом счет числа частиц ведется так, что пары частица - античастица отбрасываются. Говорят, что нуклоны имеют барионный заряд, равный единице, а антинуклоны - минус единице, а сохранение числа нуклонов формулируют как сохранение барионного заряда: N(нуклонов) -N(антинуклонов) =барионный заряд.

Черная дыра, сгорая и уменьшаясь в размерах, не может уменьшить число нуклонов. В системе с размерами 10^-14 см должно содержаться столько же нуклонов, сколько их было в звезде с массой 10¹⁵ г.

Это кажется невероятным. Еще труднее понять, как могут нуклоны исчезнуть. Если барионный заряд не сохраняется, то проблемы нет. Черная дыра сгорит, и барионный заряд Вселенной уменьшится. Черная дыра представляется тогда неким механизмом, который "перерабатывает" тяжелые частицы в излучение. Такое решение выглядит странным.

Если же барионный заряд сохраняется, то непонятно, какова будет судьба остатка черной дыры с огромным барионным зарядом и малой массой. По-видимому, свойства такой системы не могут быть описаны без новых идей.

Вопрос о том, стабилен ли протон, может ли он превратиться, например, в позитрон, оказался сейчас в центре теории элементарных частиц. Есть теоретические основания ожидать, что протон в обычных условиях может превратиться в позитрон, только с очень малой вероятностью. Время распада, по очень грубой оценке, составляет 10³¹-10³³ лет.

Сейчас начали строить первые экспериментальные установки для проверки теоретических предсказаний о распаде протона.

Термодинамика, примененная к черным дырам, привела к очень глубоким новым проблемам.