Материя и антиматерия

[IgorVital]

Признаюсь сразу, в физике я - ламер.
По дискавери смотрел передачу про Большой взрыв, вещество и антивещество, про колоссальную энергию при их взаимодействии, и вопросы, почему вещества осталось больше.
У меня тогда возник вопрос. Что если какое-то количество антивещества сконцентрируется в виде шара и создастся гравитационное поле, которое притянет вещество со всех сторон. Произойдет взаимодействие с антивеществом в верхних слоях шара. Может ли полученная энергия сжать антивещество, не участвующее во взаимодействии в некое плотное образование, типа черной дыры?

[Munin]

Может. Но в нашей Вселенной нигде нет такого большого количества антивещества, чтобы сконцентрироваться в виде такого большого шара. У нас в природе антивещество существует только в виде отдельных частиц, которые присутствуют во всяких лучах, например, космических.

[IgorVital]

я имел в виду момент зарождения вселенной, когда вещество и антивещество только образовались. Т.е. почему так много вещества осталось, когда изначально был паритет? Описанным выше способом антивещество сжалось, предположительно в черные дыры. Оставшееся вещество, по идее, должно быть равно по массе этим черным дырам. Очень гармоничная теория на взгляд программиста.

[myhand]

IgorVital в сообщении #440123 писал(а):

Описанным выше способом антивещество сжалось, предположительно в черные дыры.

А почему "на взляд программиста" предположительно сжалось именно антивещество? Ведь описанный процесс - совершенно симметричный. Вы не объяснили получившуюся асимметрию - просто ее постулировали.

[alex1910]

Munin в сообщении #439986 писал(а):

Может. Но в нашей Вселенной нигде нет такого большого количества антивещества, чтобы сконцентрироваться в виде такого большого шара. У нас в природе антивещество существует только в виде отдельных частиц, которые присутствуют во всяких лучах, например, космических.

Это кто-то доказал или это констатация факта, что пока такое не обнаружено?

[Munin]

IgorVital в сообщении #440123 писал(а):

я имел в виду момент зарождения вселенной, когда вещество и антивещество только образовались. Т.е. почему так много вещества осталось, когда изначально был паритет?

На самом деле:
- точного паритета не было
- осталось не много вещества, а мало - ровно столько, насколько был нарушен паритет.

IgorVital в сообщении #440123 писал(а):

Описанным выше способом антивещество сжалось, предположительно в черные дыры.

Здесь действительно есть несколько туманное место. В классической ОТО при образовании чёрной дыры она "сохраняет информацию" только о полной массе, угловом моменте и электрическом заряде сколлапсировавшей материи. Но при этом надо помнить, что сама ОТО, как классическая теория, не рассматривает никаких зарядов, кроме электрического. Здесь нам надо рассмотреть барионный и лептонный заряды, возникающие в квантовой теории.

В испарении чёрных дыр, которое Хокинг предсказал на основе квантового полуклассического рассмотрения, чёрная дыра в конце концов исчезает, казалось бы, со всеми своими зарядами. Но очень быстро было получено, что эти заряды уходят с чёрной дыры в процессе испарения: имеется избыток и недостаток частиц с той или иной ориентацией, с тем или иным зарядом, так что испаряющаяся чёрная дыра теряет угловой момент и заряд. Когда она в конце концов исчезает, законы сохранения не нарушаются.

В современной квантовой теории есть два гипотетических варианта: что барионный и лептонный заряды сохраняются, и что они не сохраняются, а в каких-то высокоэнергетических процессах могут возникать и исчезать несбалансированно. Если эти заряды сохраняются, то чёрная дыра, возникшая при коллапсе вещества с такими зарядами, должна их в процессе испарения в конечном счёте сбросить, так же как и нескомпенсированный электрический. Если эти заряды не сохраняются, то они могут несохраняться и в процессах в чёрной дыре, и в конечном счёте после испарения заряды останутся другие, чем до коллапса. Тогда весь процесс коллапса-испарения можно в целом рассматривать как единую реакцию элементарных частиц, нарушающую законы сохранения так же, как и высокоэнергетичные столкновения частиц поодиночке.

В любом случае, получается, что после коллапса, но до испарения, чёрная дыра должна нести не только электрический, но и барионный и лептонный заряд. Так что возможны чёрные дыры из сколлапсировавшей материи и чёрные дыры из сколлапсировавшей антиматерии, и если их включить в общий баланс с нужным знаком, они отразят то соотношение материи и антиматерии, которое было до коллапса.

alex1910 в сообщении #440134 писал(а):

Это кто-то доказал или это констатация факта, что пока такое не обнаружено?

Это констатация факта, что такое искали, очень долго, тщательно, и разными способами, и так и не обнаружили. В результате поисков наложены очень сильные ограничения на возможное присутствие антивещества, такие что в свете них концентрация антивещества в каком-то неисследованном месте выглядит крайне неправдоподобной.

[IgorVital]

myhand в сообщении #440127 писал(а):

IgorVital в сообщении #440123 писал(а):

Описанным выше способом антивещество сжалось, предположительно в черные дыры.

А почему "на взляд программиста" предположительно сжалось именно антивещество? Ведь описанный процесс - совершенно симметричный. Вы не объяснили получившуюся асимметрию - просто ее постулировали.

Я исходил из того, что мне было продемонстрировано на экране. Беспорядочное взаимодействие вещества и антивещества. Возникающая энергия разбрасывает частицы в разные стороны и вполне вероятно собирание некоторого количества антивещества в шары, как впрочем и вещества. Если свойства вещества и антивещества имеют некоторое различие, то симметрии уже не будет и можно опрерировать объяснением: так сложилось, что шаров антивещества было больше.

Я не претендую объяснить теорию возникновения, скорее вбрасываю идеи, которые сам не могу переварить, ввиду скудного образования.

Еще одна бредовая модель (с мышлением на уровне механики, рассматривая атомы как шарики). Невероятно плотное ядро антивещества, с соответствующей силой гравитации, притянуло вещество, которое сомкнулось вокруг ядра, образуя панцырь. Сила гравитации уплотняет его, дойдя до равновесия. Есть ли предпосылки для подобного развития?

[alex1910]

Munin в сообщении #440187 писал(а):

Это констатация факта, что такое искали, очень долго, тщательно, и разными способами, и так и не обнаружили. В результате поисков наложены очень сильные ограничения на возможное присутствие антивещества, такие что в свете них концентрация антивещества в каком-то неисследованном месте выглядит крайне неправдоподобной.

Ну мало ли что не нашли - темную материю с темной энергией, которых чуть ли не 95% по современным представлениям, тоже нашли недавно.

Да что лезть в эмпиреи - даже количество рукавов у Млечного Пути неизвестно.

Кстати, разве теория исключает неоднородность того, что получилось вскоре после большого взрыва? Если нет, то неисключено, что были кластеры с преобладанием вещества - из них получились видимые нами галактики, и кластеры с преобладанием антивещества - из них возникли антигалактики, которые, конечно, не видно, так как они очень далеко.

[myhand]

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

Ну мало ли что не нашли - темную материю с темной энергией, которых чуть ли не 95% по современным представлениям, тоже нашли недавно.

Темная материя, в отличии от темной энергии, это целиком сюрприз из наблюдений (лябмда-член все-таки вполне логичный элемент ОТО). Открытию ее - уже более полувека как...

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

не видно, так как они очень далеко.

Если свет еще до нас не дошел - такое, конечно, не исключено.

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Еще одна бредовая модель (с мышлением на уровне механики, рассматривая атомы как шарики). Невероятно плотное ядро антивещества, с соответствующей силой гравитации, притянуло вещество, которое сомкнулось вокруг ядра, образуя панцырь. Сила гравитации уплотняет его, дойдя до равновесия. Есть ли предпосылки для подобного развития?

Боюсь, это полностью бред.

[Munin]

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Я исходил из того, что мне было продемонстрировано на экране.

Это напрасно. Надо исходить из того, что вы прочитаете в книге. В серьёзной книге.

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Возникающая энергия разбрасывает частицы в разные стороны и вполне вероятно собирание некоторого количества антивещества в шары, как впрочем и вещества.

В науке вместо "вполне вероятно" делают статистические расчёты, и они показывают, что никакие шары не получаются достаточно крупными и изолированными, чтобы сколлапсировать.

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Если свойства вещества и антивещества имеют некоторое различие, то симметрии уже не будет и можно опрерировать объяснением: так сложилось, что шаров антивещества было больше.

В науке подобным "объяснением" не оперируют. Это не объяснение, а отсутствие объяснения. В популярной литературе подобные высказывания встречаются и в тех ситуациях, когда объяснение в науке есть, но популярно изложить его невозможно. Но в науке никто объяснение с отсутствием объяснения не путает. Отсутствие объяснения - повод для дальнейших исследований.

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Я не претендую объяснить теорию возникновения, скорее вбрасываю идеи, которые сам не могу переварить, ввиду скудного образования.

Ввиду скудного образования, вам более уместно не вбрасывать идеи, а наоборот, поглощать их.

IgorVital в сообщении #440214 писал(а):

Еще одна бредовая модель (с мышлением на уровне механики, рассматривая атомы как шарики). Невероятно плотное ядро антивещества, с соответствующей силой гравитации, притянуло вещество, которое сомкнулось вокруг ядра, образуя панцырь. Сила гравитации уплотняет его, дойдя до равновесия. Есть ли предпосылки для подобного развития?

Нет. Дело в том, что вещество при больших температурах и давлениях никогда не ведёт себя как "панцирь". Напротив, оно допускает сколь угодно большое сжатие. Именно поэтому неизбежны коллапс вещества и Большой Взрыв.

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

Ну мало ли что не нашли

Нет, не "мало ли". Были сформулированы чёткие критерии поиска, сигнатуры, которые антиматерия должна неизбежно демонстрировать. И они не найдены.

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

темную материю с темной энергией, которых чуть ли не 95% по современным представлениям, тоже нашли недавно.

Их не обнаруживали раньше, поскольку критериев поиска не было. Их обнаружение связано как раз со срабатыванием тех критериев, которые были предложены наудачу, и сегодня являются именно критериями их присутствия.

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

Да что лезть в эмпиреи - даже количество рукавов у Млечного Пути неизвестно.

Известно. Неизвестно другое: что считать рукавом, а что нет. Уплотнения есть более сильные и чёткие, и более слабые. Но карта уплотнений составлена, и по газу, и по звёздной компоненте (они не совпадают один в один, естественно).

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

Кстати, разве теория исключает неоднородность того, что получилось вскоре после большого взрыва?

Нет, но она накладывает на неё достаточно сильные ограничения. Более того, теория напрямую предсказывает неоднородность, и эта неоднородность сравнивается с наблюдаемой структурой галактик и реликтового фона, и с моделями образования галактик и скоплений в ранней Вселенной. То есть теоретически предсказанная неоднородность подтверждается вместе с именно теми параметрами, с которыми она теоретически предсказана.

alex1910 в сообщении #440225 писал(а):

Если нет, то неисключено, что были кластеры с преобладанием вещества - из них получились видимые нами галактики, и кластеры с преобладанием антивещества - из них возникли антигалактики, которые, конечно, не видно, так как они очень далеко.

Галактики - не настолько изолированные объекты, как рисуется в популярной литературе. Между ними есть межгалактический газ, с достаточно большой для современных инструментов плотностью. Так что все галактики погружены в единую среду (хоть и с переменной плотностью). Если бы некоторые галактики были из антивещества, они, или их области, были бы окружены непрерывной аннигиляцией с очень чёткой спектроскопической подписью, и довольно существенной интенсивностью, обнаруживаемой современными приборами. Этого нигде нет.

Если считать, что "очень далеко" подразумевает космологические масштабы, то для этого необходимо было бы постепенное спадание избытка вещества в сторону границы, чтобы за границей в ненаблюдаемой области этот избыток мог принимать отрицательные значения. Но такого спадания не наблюдается, напротив, на космологических масштабах Вселенная хорошо однородна, и имеет постоянную плотность светящихся объектов и газа. Крупномасштабные неоднородности хорошо укладываются в вышеупомянутую теорию, и их размах спадает с увеличением масштаба.

[obar]

Munin в сообщении #440187 писал(а):

при образовании чёрной дыры она "сохраняет информацию" только о полной массе, угловом моменте и электрическом заряде сколлапсировавшей материи.

Это утверждение известно как теорема об «отсутствии волос» у чёрной дыры. В связи с этим вопрос: а как быть с магнитным моментом? почему его нет в списке величин, характеризующих ЧД? В общем случае мангитный момент не сводится к орбитальному моменту и заряду (не выражается через них). И вообще, что происходит с магнитным полем звезды при коллапсе?

Munin в сообщении #440187 писал(а):

В любом случае, получается, что после коллапса, но до испарения, чёрная дыра должна нести не только электрический, но и барионный и лептонный заряд.

По крайней мере Хокинг придерживался другого мнения. И не только он. Черная дыра является одним из механизмов нарушения барионного и лептонного зарядов: до коллапса звезда в основном (по массе) состоит из барионов, а после коллапса ЧД излучает преимущественно лептоны (нейтрино и антинейтрино) и фотоны. Хокинг даже рассматривал процессы с нарушением барионного заряда на микроуровне. Например, адрон виртуально переходит в микро-ЧД, которая затем "испаряется" на электрон (позитрон) и фотон.

[Munin]

obar в сообщении #440311 писал(а):

Это утверждение известно как теорема об «отсутствии волос» у чёрной дыры.

Да.

obar в сообщении #440311 писал(а):

В связи с этим вопрос: а как быть с магнитным моментом? почему его нет в списке величин, характеризующих ЧД? В общем случае мангитный момент не сводится к орбитальному моменту и заряду (не выражается через них).

Для ЧД магнитный момент к произведению углового момента на заряд сводится. Это связано с тем, что внешняя часть ЧД, вплоть до горизонта - чистый вакуум, и локально приводится к системе отсчёта с чистым электрическим полем. Магнитно-монопольные аналоги Райсснера-Нордстрёма и Керра-Ньюмена, которые могли бы не удовлетворять этому свойству, исключаются из соображений отсутствия магнитных зарядов в природе.

obar в сообщении #440311 писал(а):

И вообще, что происходит с магнитным полем звезды при коллапсе?

Это как раз никто толком не знает, и актуальная проблема астрофизики. Например, одна из моделей при коллапсе двух НЗ в ЧД: http://science.compulenta.ru/604371/ . Для коллапса звезды в НЗ магнитное поле может давать разные варианты, которые считаются ответственными за зоопарк НЗ-объектов с разными магнитными полями, и разных типов остатков сброшенного вещества (планетарные туманности и родственные им источники). В этой области идёт поток новых наблюдательных открытий и теоретических моделей и идей, до надёжного моделирования пока ещё очень далеко.

obar в сообщении #440311 писал(а):

По крайней мере Хокинг придерживался другого мнения.

Дайте точную ссылку. Дело в том, что по некоторым вопросам Хокинг недавно сменил мнение и привёл сопутствующие соображения (спор с К. Торном).

obar в сообщении #440311 писал(а):

Черная дыра является одним из механизмов нарушения барионного и лептонного зарядов: до коллапса звезда в основном (по массе) состоит из барионов, а после коллапса ЧД излучает преимущественно лептоны (нейтрино и антинейтрино) и фотоны.

В моделях Великого Объединения (GUT) барионный и лептонный заряды сохраняются не по отдельности, а вместе: $B-L=\mathrm{const}.$ В современных идеях насчёт тёмной материи появляется приписываемый ей барионный и/или лептонный заряд: $B+B_{DM}=\mathrm{const},$ причём постулируются процессы, в которых несимметрично образуются частицы обычной материи с положительным $B$ и частицы тёмной материи с отрицательным $B_{DM}.$ И тому подобный мешок вариантов. Я не стал про них про всех рассказывать, а попытался очертить в общем варианты со строгим и нестрогим сохранением. Если в микротеории сохранение строгое, то в испаряющейся ЧД оно должно отразиться на её спектре. Наконец, то, что ЧД испаряется в основном лептонами, не означает, что она сбрасывает избыток заряда тоже именно лептонами: разность между лептонами и антилептонами может быть такой же, как между барионами и антибарионами, хотя сумма лептонов больше.

obar в сообщении #440311 писал(а):

Хокинг даже рассматривал процессы с нарушением барионного заряда на микроуровне. Например, адрон виртуально переходит в микро-ЧД, которая затем "испаряется" на электрон (позитрон) и фотон.

Угу, но такие процессы всё равно не должны нарушать законы сохранения, заложенные в модель элементарных частиц.

-- 30.04.2011 18:53:00 --

P. S.

Munin в сообщении #440347 писал(а):

Если в микротеории сохранение строгое, то в испаряющейся ЧД оно должно отразиться на её спектре.

Например, так: на ранних стадиях испарения, когда температура излучения меньше массы протона, ЧД излучает в основном лептоны, но в последней стадии испарения появляется преимущество в излучении барионов, достаточное, чтобы выправить баланс.

В любом случае, поток барионного и лептонного заряда через сингулярность должен быть нулевой, как и поток электрического заряда.

[obar]

Munin в сообщении #440347 писал(а):

На ранних стадиях испарения, когда температура излучения меньше массы протона, ЧД излучает в основном лептоны, но в последней стадии испарения появляется преимущество в излучении барионов, достаточное, чтобы выправить баланс.

Испарение незаряженных ЧД - процесс симметричный по отношению к частицам и античастицам (это следует хотя бы из той же теоремы об отсутствии волос у ЧД). Суммарный заряд родившихся частиц (барионный или лептонный) равен нулю. В то же время протозвезда имеет избыток барионов (из-за нейтронов). Баланс выправить не удастся.

[Munin]

obar в сообщении #440428 писал(а):

Испарение незаряженных ЧД - процесс симметричный по отношению к частицам и античастицам (это следует хотя бы из той же теоремы об отсутствии волос у ЧД).

Симметричный, если в ЧД нет других сохраняющихся зарядов. Теорема об отсутствии волос доказана в классической теории, где кроме электрического других зарядов нет. Кроме того, она вообще посвящена другому: поведению флуктуаций при коллапсе.

obar в сообщении #440428 писал(а):

Суммарный заряд родившихся частиц (барионный или лептонный) равен нулю.

Или нет.

obar в сообщении #440428 писал(а):

Баланс выправить не удастся.

Вы хотите выяснять истину методом кто громче крикнет? Давайте я попробую: удастся!

[obar]

Munin в сообщении #440486 писал(а):

Вы хотите выяснять истину методом кто громче крикнет? Давайте я попробую: удастся!

Кто тут кричит - решайте сами, замечу лишь, что я свои выводы стараюсь аргументировать физическими доводами, а не знаками восклицания.

Если рассматривать испарение ЧД следуя подходу Хокинга 1974г (подробное изложение можно найти в сборнике "Черные дыры", Новости фундаментальной физики, №9, 1978, или в более поздних учебниках: Чандрасекар "Математическая теория ЧД", 1983г, Новиков, Фролов "Физика ЧД", 1986г), то испарение незаряженной ЧД - процесс совершенно симметричный по отношению к частицам и античастицам. В этом подходе излучение обусловлено трансформацией вакуумного волнового пакета, прошедшего через область коллапсирующего тела из $\mathcal{J}^-$ в $\mathcal{J}^+$. Поскольку, как сам вакуум, так и гравитационное воздействие на него, являются зарядово симметричными, то и возникающее излучение также зарядово симметрично. Именно на эти работы я опирался, когда говорил о "невозможности баланса" и о мнении Хокинга.

Я просмотрел в интернете свежие статьи по эффекту Хокинга и обнаружил, что в последнее десятилетие наметился устойчивый скепсис в правильности предыдущего подхода. Основное возражение - неунитарность преобразования исходного (чистого состояния) в конечное (смешанное), что и приводит к потере "информации". В то же время, из гипотезы о AdS/CFT-дуальности следует, что квантовая гравитация является унитарной теорией, т.е. информация в ЧД не теряется. Подробнее об этом и о позиции Хокинга можно прочитать в википедии
http://ru.wikipedia.org/wiki/Исчезновение_информации_в_чёрной_дыре
Таким образом, создалась следующая ситуация:

существуют правдоподобные (но не доказанные) аргументы против вывода об исчезновении информации в ЧД;

последовательной и математически строгой теории образования и испарения ЧД с сохранением унитарности еще не создано;

делать сейчас выводы о правильности (или неправильности) того или иного продхода пока преждевременно.

Или уже есть прогресс в этом вопросе? Если так, то пожалуйста укажите ссылку, дабы не "выяснять истину методом кто громче крикнет".

Munin в сообщении #440347 писал(а):

Для ЧД магнитный момент к произведению углового момента на заряд сводится.

Хотелось бы знать как именно. Для конкретности - на примере нейтронной звезды, у которой нулевой заряд, но отличный от нуля магнитный момент. Однозначной связи между магнитным и орбитальным моментом не существует. Как же подобная связь возникает при коллапсе?