Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Рэндалл Лиза

Никто не знает наверняка, как решать уравнения, в которых и квантовая механика, и гравитация играют существенную роль. Пока лучшая попытка физиков сделать это — теория струн, но мы до конца не понимаем все ее следствия. Это означает, что в этой картине мира могут еще выявиться белые пятна. Крохотные дыры вряд ли будут вести себя точно так же, как большие черные дыры, свойства которых мы выводим при помощи классической теории гравитации. Может быть, маленькие черные дыры исчезают не с той скоростью, с какой мы ожидаем.

Но даже это — не слишком серьезная прореха в нашей картине. Понятно, что опасность могут представлять только те дыры, которые способны расти. Те же, которые не в состоянии поглотить достаточно вещества, проблем создать не смогут. Единственный потенциальный риск — ситуация, в которой крохотные черные дыры, прежде чем испариться, смогут вырасти

до опасных размеров. Но, даже не зная в точности, что представляют собой квантовые черные дыры, мы можем оценить время их жизни. Оно настолько меньше того, которое требуется черной дыре, чтобы стать опасной, что даже обсуждать всерьез это нельзя. Поведение маленьких черных дыр не должно сильно отличаться от поведения знакомых нам нестабильных тяжелых частиц. Точно так же, как эти частицы, маленькие черные дыры должны очень быстро распадаться.

Однако некоторых по–прежнему беспокоило, что вывод Хокинга, хоть и не противоречит ни одному из известных законов природы, все же может оказаться неверным, а черные дыры—полностью стабильными. В конце концов, излучение Хокинга никто никогда не видел, поскольку известные черные дыры излучают слишком слабо и их излучение невозможно зарегистрировать имеющимися у нас средствами. Физики весьма скептически — и справедливо — относятся к этим возражениям, потому что в противном случае им пришлось бы отказаться не только от излучения Хокинга, но и от множества других доказанных аспектов физических теорий. Более того, рассуждения, на основании которых сделан вывод об излучении Хокинга, предсказывают и другие явления, которые ученым уже приходилось наблюдать, и это дает нам дополнительную уверенность в их обоснованности.

Тем не менее излучение Хокинга никто пока не видел. Поэтому, чтобы стопроцентно застраховаться от ошибок, физики задали себе вопрос: если излучения Хокинга не существует и черные дыры, которые, возможно, возникнут в БАКе, окажутся стабильными, то будут ли они представлять опасность?

К счастью, относительно безопасности черных дыр существует весьма сильное доказательство. Причем рассуждения здесь никак не связаны с вопросом о том, испаряются ли черные дыры; кроме того, эти рассуждения не теоретические, а напротив, основаны исключительно на наблюдениях. В июне 2008 г. два физика, Стив Гиддингс и Микеланджело Мангано, а вслед за ними и Группа оценки безопасности БАКа опубликовали на основании эмпирических данных подробные статьи, в которых убедительно исключили любые катастрофические сценарии, связанные с черными дырами [34] . Гиддингс и Мангано рассчитали частоту, с которой во Вселенной могли бы рождаться черные дыры, и влияние, которое они должны были бы оказать на окружающий нас мир, если бы были стабильными. Авторы заметили, что хотя здесь, на Земле, мы пока не умеем получать энергии, необходимые для возникновения чёрных дыр, в космосе такие энергии наблюдаются довольно часто. Существуют космические лучи — высокоэнергетические частицы, — которые довольно часто сталкиваются с другими объектами. Мы не имеем возможности подробно изучить результаты этих встреч, как изучаем результаты экспериментальных столкновений, но можно с уверенностью сказать, что многие из них происходят с энергией по крайней мере не меньшей, чем в БАКе.

34

http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf.

Таким образом, если теории, связанные с дополнительными измерениями, верны, то черные дыры могут возникать внутри любых астрономических объектов — даже Земли или Солнца. Гиддингс и Мангано рассчитали, что в некоторых системах (частота образования черных дыр зависит от числа дополнительных измерений) черные дыры увеличиваются слишком медленно и не представляют опасности: даже через миллиарды лет развития черные дыры в большинстве своем остаются крохотными. В других моделях черные дыры могут поглотить достаточно вещества и стать крупными, но обычно они несут на себе электрический заряд. Если бы они и в самом деле представляли опасность, то, зародившись внутри Земли или Солнца, оказались бы в ловушке, и оба названных объекта давно исчезли бы. А раз Земля и Солнце вроде бы остаются на месте, то получается, что заряженные черные дыры — даже те, что стремительно поглощают вещество — не могут представлять опасности.

Таким образом, единственным потенциально опасным сценарием остается тот, в котором черные дыры не несут заряда,

но могут расти достаточно быстро, чтобы представлять угрозу. В этом случае гравитационное притяжение Земли — единственная сила, способная замедлить их экспансию — оказалось бы недостаточно сильным и не смогло бы их остановить. Такие черные дыры могли бы пройти Землю насквозь, и мы уже не можем ссылаться на существование Земли, делая выводы об их потенциальной опасности. Однако Гиддингс и Мангано исключили и эту возможность, потому что другие, гораздо более плотные астрономические объекты — а именно нейтронные звезды и белые карлики — обладают достаточным гравитационным притяжением, чтобы захватить и остановить черные дыры.

Космические лучи со сверхвысокой энергией при столкновении с веществом плотных звезд с сильным гравитационным полем давно уже породили бы черные дыры именно того типа, которые потенциально могут возникнуть в коллайдере. Нейтронные звезды и белые карлики намного тяжелее Земли — их плотность настолько велика, что одной силы тяжести хватило бы, чтобы остановить черную дыру и удержать ее внутри. Если бы черные дыры действительно рождались при таких столкновениях и к тому же представляли бы опасность, они давно уничтожили бы эти объекты — а мы достоверно знаем, что они существуют миллиарды лет. К тому же на небе их много — а значит, черные дыры, если и существуют, то опасности определенно не представляют. Даже если они появлялись, то, должно быть, исчезали почти мгновенно — или в худшем случае оставляли после себя крохотные безобидные стабильные следы. У них просто не хватило бы времени нанести какой-либо вред.

В дополнение к сказанному следует заметить, что в процессе поглощения вещества и уничтожения космических объектов черные дыры испускали бы большое количество видимого света, который никто никогда не видел. Существование Вселенной в том виде, какой мы ее знаем, и отсутствие каких бы то ни было сигналов, свидетельствующих о разрушении белых карликов, — это, на мой взгляд, весьма убедительное доказательство того, что черные дыры, родившиеся в БАКе, безопасны. Состояние Вселенной позволяет нам сделать вывод о том, что Земле от родившихся в БАКе черных дыр ничего не угрожает.

Можете вздохнуть с облегчением. А я тем не менее продолжу тему черных дыр — на этот раз с собственной точки зрения — точки зрения человека, который работает в близкой области и занимается, в частности, темой дополнительных пространственных измерений, необходимых для рождения низкоэнергетических черных дыр.

Я заинтересовалась этим вопросом давно, еще до того, как пресса раздула тему черных дыр в Большом адронном коллайдере. У меня во Франции есть друг и коллега, работавший прежде в Европейском центре ядерных исследований. Теперь он занят в проекте под названием Auger [35] и изучает космические лучи при их прохождении через атмосферу в направлении земной поверхности. Он жаловался мне на то, что БАК отнимает у других исследователей ресурсы, которые позволили бы изучать те же энергетические диапазоны не в коллайдере, а непосредственно в составе космических лучей. Но, поскольку эксперименты с космическими лучами намного менее управляемы и точны, чем эксперименты в искусственной среде, то единственными событиями, которые там можно зафиксировать, были бы те, что оставляют после себя автограф: к примеру, испаряющиеся черные дыры.

35

Назван в честь французского физика Пьера Виктора Оже. — Прим. пер.

Вместе с Патриком Мидом, работавшим тогда в Гарварде, мы решили вычислить число подобных событий, которые им, возможно, удастся зарегистрировать. Тщательные расчеты показали, что их намного меньше, чем в первоначальном прогнозе физиков. Нас не тревожила перспектива катастрофических событий ни на Земле, ни в космосе, и вы, я надеюсь, согласитесь, что реальной угрозы с этой стороны не существует.

Когда мы убедились, что проект Auger не обнаружит никаких черных дыр, даже если объяснение определенных явлений в физике частиц посредством дополнительных измерений верно, нам захотелось проверить предсказания некоторых физиков о том, что в БАКе черные дыры будут появляться регулярно и в большом количестве. Мы выяснили, что и эти предположения ошибочны. Хотя при приблизительных оценках действительно получалось, что в таких сценариях БАК будет порождать многочисленные черные дыры, наши расчеты показали, что на самом деле все обстоит иначе.