Posso fare un buco nero con uno o due atomi?

Quindi stavo guardando qualcosa che diceva

se comprimessimo la Terra delle dimensioni di una nocciolina: otterremmo un buco nero;

se comprimessimo l'Everest in pochi nanometri; avremmo un buco nero.

Posso fare un buco nero con uno o due atomi? Se sì, diventerebbe più grande e si trasformerebbe in un buco nero di dimensioni normali?

Ci sono due risposte: sì e no.

Sì perché ogni massa M ha un raggio di Schwarzschild dato da (dove G è la costante gravitazionale (circa ec è la velocità della luce (circa ). Se qualcosa viene compresso nel suo raggio di Schwarzschild, diventa un buco nero. Puoi farlo per un atomo. Un atomo di carbonio (per esempio) ha una massa di quindi il suo raggio di Schwartzschild è 6.7×10-11m/s2×10-26kg2×(6.7×10-11)×(2×10-26$\frac{2GM}{c^2}$$6.7\times10^{-11}$$\mathrm{m/s}$$2\times10^{-26}\mathrm{kg}$

Quindi la risposta effettiva è no in quanto non esiste un modo fattibile per comprimere un atomo di queste dimensioni. Di importanza qui è il fatto che questa dimensione è così piccola che gli oggetti così piccoli non si comportano come piccole sfere ma come oggetti meccanici quantistici. Ma un buco nero è un oggetto gravitazionale modellato dalla relatività generale e la relatività e la meccanica quantistica non funzionano bene insieme. In altre parole, non abbiamo un modello scientifico per descrivere come si comporterebbe un buco nero di massa atomica.

Stephen Hawking ha dimostrato che i piccoli buchi neri sono instabili, quindi un buco nero di massa atomica sarebbe molto instabile, evaporando in un tempo molto breve.

Penso che la risposta è No .

Se proviamo a comprimere questi atomi, finiamo (eventualmente) con i nuclei abbastanza vicini da essere costretti a fondere. La fusione significherebbe che abbiamo formato un singolo nucleo.

Questa fase è inevitabile.

Quindi la tua domanda sui due atomi ora si riduce a se un singolo nucleo può formare un buco nero? .

Un nucleo è una specie di complessa miscela di quark-gluone e se lo comprimiamo di più finiamo con una versione molto densa di ciò che fondamentalmente non abbiamo la fisica da modellare correttamente.

È estremamente improbabile che la relatività generale convenzionale possa essere applicata a qualcosa che sarà così piccolo che in realtà è più piccolo di quanto pensiamo di poter applicare la teoria quantistica. E la densità di energia coinvolta a quel punto sarebbe così alta che le nostre attuali teorie non hanno più senso. Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità per farlo e non ne abbiamo una che funzioni abbastanza bene. In realtà non siamo nemmeno sicuri che una teoria quantistica della gravità ci consentirebbe di andare su scale così piccole e ad alta energia - anche questo è sconosciuto.

Quindi siamo in acque inesplorate.

Allora perché "no"?

Bene, per forzare una tale compressione di un nucleo dovremmo applicare energie a una regione molto piccola dello spazio - più piccola di quanto pensiamo sia possibile fare, a causa delle conseguenze del principio di incertezza. In parole povere, oltre un certo punto non saremmo in grado di dire simultaneamente dove si trova il nucleo e quanto velocemente si sta muovendo. Sarebbe impossibile confinare in una regione più piccola. Ciò accadrebbe molto prima che raggiungessimo il raggio di Schwarzschild, intorno alla lunghezza di Planck .

Come vedrai dalla risposta di @ James-K, il raggio di Schwarzschild è di circa 10 ⁻⁵³  m, ma la lunghezza di Planck è di 18 ordini di grandezza più grande a circa 10 ⁻³⁵  m.

Quindi non siamo riusciti a confinare e comprimere realisticamente il nostro nucleo in uno spazio abbastanza piccolo da raggiungere la sua dimensione del buco nero.

Ora possiamo fare una dichiarazione generica generale secondo cui una nuova teoria potrebbe fornire qualche scappatoia che ci consente di aggirare ciò, ma sembra improbabile poiché ci aspetteremmo che una nuova teoria riproduca la maggior parte di ciò che già sappiamo a quei limiti. È difficile immaginare che il principio di incertezza "vada via", quindi non vedo una soluzione.

C'è una possibilità non dimostrata di un sì.

Una teoria quantistica della gravità che funziona potrebbe (ripetere potrebbe o meno ) che la gravità su quella scala cambi il suo carattere e gli permetta di formare orizzonti di eventi a dimensioni maggiori di quanto ci aspetteremmo attualmente per tali intervalli di energia di massa.

Ma non ci sono prove per supportare quell'idea, e non convertirò un "no" in un "forse sì" semplicemente per lasciare spazio a qualsiasi idea selvaggia. Questa è fantascienza, non scienza.

Una piccola aggiunta alle risposte sopra (mi piace la risposta di lunghezza di Planck). Si pensava che in teoria potesse essere possibile praticare dei buchi neri molto piccoli al CERN, ma quella teoria richiedeva l' esistenza di dimensioni extra . Poiché non sono stati osservati buchi neri, la teoria delle dimensioni extra (su scale molto piccole) ha avuto un colpo.

Anche se si potrebbero creare quei buchi neri, si prevede che evaporeranno molto rapidamente. (miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo), ma anche quel tasso di decadimento dovrebbe essere evidente. Nessuno è stato notato.

Vale anche la pena chiedere se il CERN rompe due protoni molto velocemente e, se ciò crea un buco nero (in teoria), come in, finge che sia possibile. . . Questo buco nero teorico sarebbe davvero composto da due protoni o è composto da due protoni e 14 TeV più energia cinetica? Penso che sia più preciso affermare che un tale buco nero è davvero creato dall'energia cinetica e non dagli atomi stessi.

Alcuni potrebbero chiamare quel pelo di divisione sul gatto di Schrodinger, ma penso che sia un punto importante. L'enorme energia cinetica di una collisione vicino alla velocità della luce, potrebbe essere solo in grado di creare un micro buco nero, e in quel caso, è l'energia cinetica che dovrebbe essere chiamata l'ingrediente principale, non gli atomi.