Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Адронное сито для черных дыр

Пролетая сквозь Землю, черная дыра размером с протон выделяет сто миллионов джоулей энергии

  
По некоторым теоретическим оценкам черные мини-дыры могут образовываться во время экспериментов на Большом адроном коллайдере. Из-за квантового испарения они должны будут немедленно распасться, а продукты этого распада зарегистрирует один из основных детекторов установки ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS). Иллюстрация: Atlas experiment/CERN 

Как правило, черные дыры относят к сфере интересов физики космоса. Но в последнее время в теоретической физике стали активно обсуждать вопрос о существовании так называемых черных мини-дыр (mini black hole), экспериментально исследовать которые можно будет в земных условиях. Предполагается, в частности, что они могут образовываться в результате столкновения разогнанных до очень высоких энергий массивных частиц и их можно будет наблюдать в ходе экспериментов в Большом адронном коллайдере (LHC). Возможно также, что черные мини-дыры рождались в первые секунды существования Вселенной (их называют «первичными») и вполне могли «дожить» до нашего времени, и тогда их тоже можно будет «увидеть» в эксперименте. 

Польза от дыр

Интерес к микроскопическим черным дырам объясняется, помимо всего прочего, тем, что обнаружение их в наземной установке позволит проверить некоторые весьма неожиданные гипотезы относительно менее экзотических элементарных частиц. Например, идеи Гии Двали (Georgi (Gia) Dvali) — физика-теоретика из Нью-йоркского университета (New York University). На основании своих допущений Двали построил теорию, отвечающую, в частности, на вопрос, почему масса известных нам элементарных частиц столь мала и почему гравитационное взаимодействие слабее электромагнитного в 1032 раз. Объяснить два этих факта в рамках так называемой «стандартной модели» физики элементарных частиц — во многих отношениях весьма успешной — до сих пор не удавалось. 

Ещё три десятилетия назад знаменитый английский астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) показал, что черная дыра не может быть уж совсем «черной». Физический вакуум представляет собой бульон непрерывно рождающихся и исчезающих элементарных частиц. Квантовая механика позволяет им даже нарушать принцип сохранения энергии — нужно только, чтобы флуктуации были очень короткими: энергия словно берется в кредит в банке природы, и чем больше кредит, тем он короче. Однако вблизи черной дыры и гравитационное, и электромагнитное (если дыра имеет электрический заряд) поля настолько сильны, что этот кредит можно взять и оттуда — и тогда его можно не возвращать! Виртуальная пара становится реальной, частица улетает прочь, а античастица падает на дыру, отчего масса дыры уменьшается. Хокинг назвал этот механизм «испарением» черной дыры. 

  
Выпускник Тбилисского университета Георгий (Гия) Двали (в центре) приехал в Нью-Йорк только в 1998 году и почти сразу прославился: в 2001 году его работы по теоретической физике были отмечены премией мэра. На церемонии Двали поздравляли и сам Рудольф Джулиани (справа) и представитель Нью-Йоркского университета Льюис Рудин. Фото: New York University

Важное отличие такого испарения от испарения, например, водяной капли в том, что температура при этом растет, а не уменьшается. А чем выше температура, тем более тяжелые виртуальные пары будут разваливаться, и, соответственно, тем более тяжелые частицы будут улетать от дыры. В какой-то момент дыра должна окончательно исчезнуть, и именно к нему относится первая из гипотез Гии Двали: перед тем, как исчезнуть, дыра становится горячей, маленькой и тяжелой, но её радиус не может быть меньше последней улетающей элементарной частицы. Из этого естественного требования выводится ограничение на массу элементарных частиц.

Похожие рассуждения приводят и к объяснению относительной слабости гравитационного взаимодействия. Допустим, что в природе существует много больше типов «легких» частиц, чем предполагается «стандартной моделью» — а именно, в 1032 раз больше. «Нестандартные» легкие частицы являются точными копиями частиц, доступных нашему наблюдению, а с наблюдаемыми частицами их связывает только сила гравитационного взаимодействия. Тот факт, что «новые» частицы наравне с наблюдаемыми участвуют в гравитационном взаимодействии, приводит, согласно расчетам Двали, к тому, что действующая между наблюдаемыми частицами сила тяготения должна быть крайне незначительной по величине. Представляя свою теорию в октябре 2007 года на конференции «Стрела времени» (Arrow of Time) в Колумбийском университете (Columbia University), Двали заметил, что его теория позволяет «понять, почему элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия имеют именно те характеристики, которые имеют, а не какие-либо другие».

Ещё совсем недавно Двали был сторонником совершенно иной точки зрения и связывал относительно малую интенсивность гравитационного взаимодействия с существованием дополнительных пространственных измерений. Но гипотезы о дополнительных пространственных измерениях имеют гораздо меньше экспериментальных оснований, чем гипотезы относительно внутреннего устройства черных дыр. Принципиальное значение имеет только сам факт их существования, а с этим уже больше почти никто и не спорит. 

  
По современным представлениям вакуум должен быть «поляризован»: в нем непрерывно возникают виртуальные пары частиц и античастиц. Оказавшись вблизи горизонта событий, окружающего черную дыру, пара разрывается: античастица уходит «под горизонт», «съедая» часть скрытой там энергии (массы), а частица точно такое же количество энергию уносит в пространство. 

Важный вопрос — позволит ли эксперимент на LHC проверить гипотезы, на которых основывает свою теорию Двали. Для начала надо обнаружить эти самые мини-дыры. Но в оптимистическом варианте можно надеяться, что их быстрое испарение позволит зарегистрировать образующиеся в больших количествах «нестандартные» частицы Двали. 

Впрочем, LHC — не единственный способ проверки. «Первичные» мини-дыры, родившиеся вместе со Вселенной, теоретически можно зарегистрировать во время их пролета сквозь Землю. Будучи по размерам сопоставимой с протоном, она должна иметь массу в десятки или даже сотни тонн. Естественно, пролетая сквозь Землю, она вызовет заметную сейсмическую волну. Спектр и магнитуду этих волн рассчитала группа Иосифа Хрипловича из Новосибирского государственного университета. В частности, они показали, что если в процессе своего перемещения внутри Земли мини-дыра полностью испарится, то выделится энергия в 100 миллионов джоулей — что приблизительно в десять тысяч раз меньше энергии, высвобождающейся при подземном ядерном испытании. 

Обнаружить такую волну будет проще, если знать диапазон частот возникающих колебаний. Теоретически он рассчитан, и теперь можно утверждать, что имеющиеся сейсмодатчики позволяют в принципе зафиксировать такие колебания. «Я обратился к геофизикам с просьбой подвергнуть тщательному анализу информацию, которой они располагают, — цитирует слова Хрипловича Зея Мерау (Zeya Merau) в ноябрьской статье в журнале New Scientist. — Вполне возможно, что мы, не осознавая этого, уже наблюдали одну из черных мини-дыр». В таком случае её можно будет обнаружить, заново просмотрев показания сейсмодатчиков. Это работа довольно сложная и кропотливая, но коль скоро известно, что именно надо найти, она может привести к положительному результату.

  
Тысячи сейсмографов по всему миру фиксируют малейшие колебания земной поверхности. Как правило, сейсмологов интересуют самые сильные толчки, свидетельствующие о геологических процессах в земных недрах. Но и самые слабые толчки могут оказаться ценными, давая возможность узнать кое-что о микромире. Фото: USGS 

Космические ускорители

Одной из главных теоретических трудностей современной теоретической физики, по общему мнению, надо считать обнаруженное десять лет назад ускорение разлета далеких галактик. Дело в том, что общая теория относительности в том виде, какой она приобрела после работ Фридмана, Гамова и прочих, предсказывает расширение с замедлением. Конечно, она не давала ответа на вопрос, сменится ли расширение сжатием, будет до бесконечности замедляться или постепенно будет приближаться к определенной конечно постоянной скорости, но она со всей определенностью исключала возможность расширения с ускорением.

Совсем незначительное изменение теории позволило привести теорию в соответствие с наблюдениями. В уравнения Эйнштейна надо было добавить только одно слагаемое (причем то самое, которое сам Эйнштейн когда-то счел излишним), чтобы замедляющееся расширение превратилось в ускоряющееся. Однако это слагаемое потребовалось как-то физически объяснить. А свойства соответствующего ему физического объекта значительно отличаются от всего, что мы знаем в природе. В отличие от, например, электростатических или магнитостатических сил, их гравитационным силам всегда полагалось притягивать тела друг к другу. Даже исторически теория гравитации произошла от теории всемирного тяготения. Неизвестному физическому агенту, соответствующему новому слагаемому, надлежало служить переносчиком гравитационного не притяжения, а отталкивания. За исключением обнаруженной аномалии в поведении далеких галактик, никаких указаний на существование такого агента нет.

Строго говоря, в этом нет ничего страшного. Из всех четырех фундаментальных взаимодействий гравитационное — самое слабое. Космологическая постоянная, характеризующая антигравитацию, должна быть на много порядков меньше гравитационной постоянной. Нет ничего удивительного, что такое слабое взаимодействие почти невозможно заметить. Но озадачивает другое: если все сделано правильно, то та физическая субстанция, о которой шла речь выше и которая ответственна за антигравитацию — её с полным правом нарекли «темной энергией» — должна аккумулировать в себе 70% всей энергии Вселенной. Существует ли эта субстанция? «Есть все основания считать её иллюзией, — любит повторять один из ведущих космологов знаменитой Фермиевской лаборатории (Fermi National Accelerator Laboratory) Рокки Кольб (Edward W. Kolb). — Тем более открытым остается вопрос о её физической природе. Ведь придумать название — далеко не то же самое, что дать объяснение».

  
Природа сверхновых звезд достаточно хорошо понятна, и поэтому они могу служить почти идеальными «маяками» во Вселенной, по которым можно определить скорость и ускорение ее расширения. Фото: NASA, ESA, and A. Riess (STScI) 

В усилиях Двали явно просматривается их главный мотив: построить такую «нестандартную модель» элементарных частиц, чтобы объяснить наблюдающееся поведение Вселенной в космологических масштабах, не прибегая к гипотезе темной энергии. И надо сказать, что многим эта интенция близка. Лаура Мерсини-Хоктон (Laura Mersini-Houghton), космолог из Северо-каролинского университета в Чэпел-Хилл (University of North Carolina at Chapel Hill), считает, что Двали нашел «интригующее решение гигантской проблемы современной физики». Хотя цена этого решения ей понятна: о процессах, протекающих внутри черной дыры, мы знаем не больше, чем о темной энергии. Однако предложенная идея позволяет диверсифицировать поиски: объяснение космологических аномалий теперь можно искать внутри черных дыр. 

Близкое суждение высказал в цитированном выше ноябрьском номере журнала New Scientist и Поль Дэвис (Paul Davies) из университета штата Аризона (Arizona State University). По его мнению, идеи Двали весьма привлекательны — главным образом тем, что их можно попытаться проверить экспериментально, хотя в то же время они экстравагантны настолько, что надежды уговорить экспериментаторов из ЦЕРНа заняться такой проверкой на практике почти нет. Да и немногих теоретиков порадует мысль о существовании ещё 1032 неизвестных элементарных частиц. 

Экспериментальная проверка гипотез стала самым тонким местом в работе теоретиков в ХХ веке. В большинстве случаев речь идет либо об очень высоких энергиях, либо об очень далеких расстояниях, либо, наоборот, очень маленьких расстояниях — то есть опять об очень высоких энергиях. Пока LHC только строится, теоретики уже выстраиваются в очередь со своими предложениями относительно того, какие гипотезы с его помощью можно будет проверить. И можно не сомневаться — от большей части теорий тех счастливчиков, на кого обратят внимание, придется отказаться!

Борис Булюбаш, 24.01.2008

 

Новости партнёров