25 января 2010 года

   Этот рисунок, выполненный учеными из института Макса Планка, показывает вид на черную дыру крупных, "нормальных" размеров. Те черные дыры, которые возникают прямо сейчас в атмосфере Земли из-за столкновения с атомами космических лучей - меньше одного протона и вдобавок тут же исчезают.

   Возникновение черных дыр при столкновении частиц высоких энергий, в том числе внутри коллайдера или прямо в атмосфере Земли, вполне возможно. Расчеты физиков из Канады и США доказывают, что для этого требуется намного меньше энергии, чем принято было думать ранее.

   Процесс рождения черных дыр, ранее рассматривавшийся как сугубо гипотетический, все-таки возможен в тех условиях, которые будут достигнуты на Большом адронном коллайдере (LHC), говорится в статье двух физиков-теоретиков из Университета Британской Колумбии в Канаде и Принстонского университета в США, которая будет опубликована в журнале Physical Review Letters (препринт, то есть предварительный вариант статьи, уже выложен в открытый доступ).

   Более того, согласно построениям ученых, черные дыры могут возникнуть и вне Большого адронного коллайдера, в ранее построенных установках.

   Апокалипсис? Простите, но это не новость!

   Черные дыры, рождающиеся в ускорителе, стали предметом апокалиптических прогнозов еще до запуска LHC – первый раз подобные опасения высказывались в отношении американской установки RHIC, коллайдера меньших масштабов. В RHIC физики в ходе экспериментов сталкивали друг с другом ядра атомов свинца, и именно тогда, еще в 1999 году, руководство Брукхэвенских лабораторий рассмотрело подобный сценарий.

   Что такое коллайдер?

   "Коллайдер" – это ускоритель, сталкивающий пучки частиц. Название дано от английского глагола to collide, сталкивать.

   Выводы ученых были однозначны – "нормальной" черной дыры, способной легко поглотить Землю, а со временем и Солнце, ни RHIC, ни какое-либо еще созданное на основе современных технологий устройство не может даже гипотетически. А вот создать микроскопическую черную дыру, которая тут же и исчезнет во вспышке излучения, в принципе, возможно – хотя на тот момент и эта гипотеза (о том, что дыра вообще появится) не была подкреплена расчетами.

   Про страшную историю с черными дырами тогда же и забыли бы, но прошло время, аргументы ученых из Брукхэвенских лабораторий стерлись из памяти широкой общественности (хотя в открытом доступе все материалы остались), и тут, к 2008 году, как раз подоспел, после целой серии задержек, запуск LHC!

   В Большом адронном коллайдере энергия частиц намного выше, чем в RHIC, более того, даже предварительные запуски пучков частиц в коллайдер уже поставили мировой рекорд по энергии.– ну как тут было забыть о черных дырах? Никак.

   В сети тут же возникли сайты с отсчетом времени "до конца света" (произвольно выбранная дата где-то после запуска LHC), панические прогнозы неизвестных "экспертов" и даже эффектные ролики, показывающие, как планету пожирает черная дыра. Сейчас, когда появились еще и расчеты, свидетельствующие о реальности черных дыр, вся эпопея со страхами вокруг LHC явно выходит на новый виток. Но вот есть ли в этом какой-то смысл?

   Масса имеет значение

   Изложение статьи ученых необходимо предварить напоминанием: черной дырой называют объект, который из-за своей очень высокой массы не выпускает со своей поверхности даже свет. Радиус черной дыры зависит от ее массы: чем масса больше, тем больше и этот радиус.

   Массы нашей планеты, например, хватит лишь на черную дыру диаметром меньше сантиметра. Если взять массу, к примеру, кирпича, то и полученная черная дыра будет размером много меньше одного протона. А из того вещества, которое есть в разогнанном пучке протонов внутри LHC, и вовсе могут получится черные дыры еще меньшего размера.

   Помимо радиуса, масса черной дыры определяет еще одно ее свойство – время жизни. Чем меньше масса, тем быстрее исчезает черная дыра, оставляя на месте себя лишь вспышку излучения и элементарные частицы: таковы предсказания той же теории, в рамках которой черные дыры малой массы вообще возможны.

   Возможность

   Между "возможно в принципе" и "возможно" есть тонкая грань: "возможно в принципе" означает то, что никаких запретов на событие нет, но нет и расчетов, подтверждающих такую возможность.

   Как утверждают Мэттью Чоптуик и Франс Преториус, авторы исследования, они впервые путем расчетов показали, что столкновения частиц с энергиями около достижимой на LHC, могут привести к рождению черных дыр. Более того, рождение черных дыр может происходить и при намного меньшей энергии столкновении – вплоть до отметки примерно в 2 ГэВ – два гигаэлектронвольта. Такую энергию приобретет электрон, пролетевший между точками с разностью напряжений в два миллиарда вольт.

   Это число ставит жирный крест на всех страшных прогнозах разом: ибо уж чего-чего, а столкновений элементарных частиц с такими энергиями происходит предостаточно и вне LHC. Даже ускорители, построенные в конце 1950-х годов, могли выдать такую энергию, а уж о том, что прилетающие к Земле космические лучи часто по энергии превосходят и частицы из LHC, и говорить нечего.

   Это значит, что рождение черных дыр происходит на Земле постоянно. Прямо сейчас какая-нибудь частица может пересекать границы Солнечной системы затем, чтобы через несколько часов войти в атмосферу над вашим домом и там в столкновении с ядрами атомов породить черную дыру, которая тут же и исчезнет, не успев ничего поглотить и не представляя никакой угрозы.

   Более того, только благодаря расчетам и можно узнать о том, что в какой-то момент времени возникала именно черная дыра, а не просто два протона при столкновении пролетели вплотную друг к другу.

   Небо в черных дырах – как с этим жить дальше?

   С точки зрения экспериментаторов процесс "два протона – черная дыра – два протона или куча частиц" ничем не отличается от простого столкновения и потому не особенно интересен. Но дальнейшие работы в этом направлении могут привести к тому, что физики смогут разработать (не только благодаря LHC, кстати: в физике высоких энергий есть очень много разных экспериментов!) теорию, в которой с единых позиций будут объясняться все фундаментальные силы.

   Фундаментальные силы – это основные взаимодействия, к которым сводятся наблюдаемые нами как в экспериментах, так и просто в обычной жизни силы. Силы трения, силы упругости – это результат электромагнитного взаимодействия между атомами. Силы, удерживающие вместе частицы в ядре атома называют просто "сильными", а те, которые проявляются при некоторых ядерных реакциях, столь же незамысловато названы "слабым" взаимодействием.

   Сила же тяжести – это четвертое по счету, гравитационное, взаимодействие, и вот с ним как раз есть одна проблема. Его пока не удается описать так же, как и электромагнитные, сильные и слабые силы, гравитация остается загадкой. Черные дыры, в том числе и получаемые на ничтожные доли секунды, могут быть ключом к созданию новой теории – а вот чем обернется эта теория, какими технологиями, сказать сложно.

   Алексей Тимошенко