Сможет ли Большой адронный коллайдер породить, наконец, черную дыру? (5 фото)
Категория: IT-технологии
11 января 2021
Черные дыры
Черные дыры - это не только космические объекты с устрашающими характеристиками. На самом фундаментальном уровне они являются следствием общей теории относительности Эйнштейна, которая постулирует, что вещество деформирует пространственно-временной континуум. Чем больше материи находится в той или иной области пространства, тем сильнее она искривляет его и притягивает к себе близлежащие объекты. В какой-то момент всё становится настолько «кривым», что уже ничто не может вырваться из этого района. Это и есть черная дыра.
Мы привыкли называть так объекты, которые формируются после смерти массивных звёзд, однако чисто теоретически они могут образоваться где и когда угодно. Требование здесь простое - концентрация достаточного количества вещества в ограниченном пространстве. Легче всего этого, естественно, достичь на микроскопическом уровне. При этом материя, из которой образуется черная дыра, не обязательно должна быть массивной. Как в случае с Большим адронным коллайдером, который разгоняет до околосветовой скорости и сталкивает чрезвычайно легкие частицы - протоны. В результате учёные становятся свидетелями зрелищных спецэффектов квантового уровня, но нам важнее то, что для своего размера сверхбыстрые протоны обладают просто-таки неимоверной энергией. Это крайне важно в контексте разговора о черных дырах.
Е=mС2
Дело в том, что, оперируя понятием массы, мы почти всегда забываем об энергии. Но в тех столкновениях, которые «организует» БАК, масса и энергия становятся фактически взаимозаменяемыми. Это напрямую вытекает из знаменитой эйнштейновской формулы Е=mС2. Теоретически, если несколько сверхбыстрых частиц окажутся очень близко друг к другу, их энергия может стать равнозначна огромной массе. Этого будет достаточно для образования черной дыры. Крошечной, но всё же... Загвоздка в том, что именно на Большом адронном коллайдере добиться этого, как кажется, невозможно. Чтобы создать самую легкую черную дыру, каждая из сталкивающихся частиц должна обладать приблизительно 10 квинтиллионами электрон-вольт энергии. В БАКе же это значение составляет 14 триллионов электрон-вольт, что на несколько порядков меньше.
Однако тут есть одно «но». Эти расчёты предполагают абсолютную верность общей теории относительности. А она, как известно, в некоторых частностях подводит, выдавая невозможные результаты. Так, например, согласно ей некоторые объекты должны иметь бесконечную плотность. Исследователи уже давно осознали, что если в физических расчётах начинает появляться «бесконечность», то, скорее всего, с ними что-то нечисто. То есть общая теория относительности может быть верна лишь до какой-то степени, и есть нечто такое, о чём мы пока просто не знаем. Более точная и совершенная теория показала бы другие результаты и, возможно, решила бы проблему с бесконечной плотностью. Сегодня многие ученые считают, что она, по всей видимости, будет неким синтезом квантовой механики и теории относительности. Работы над её созданием активно ведутся, пока же исследователи проводят расчёты, изучая математическую составляющую различных гипотез. В частности, они пытаются нащупать такие предположения, которые можно было бы проверить посредством тех или иных формул.
Многомерное пространство и гравитация
Одно из подобных «предсказаний» заключается в том, что Вселенная, в которой нам выпало счастье существовать, имеет более трех пространственных измерений. Это означало бы, что мы можем двигаться не только в трех привычных направлениях, но и одновременно под прямым углом к каждому из них. Если вам трудно представить это визуально, не переживайте - это действительно невозможное занятие. Если такие измерения и существуют, они должны быть очень тонкими. Здесь можно взять за образец бумажный лист. Он кажется абсолютно двухмерным, но если очень сильно увеличить его масштаб, он в какой-то момент станет 3D-объектом - надо только увидеть третье его измерение.
Как бы то ни было, в некоторых теориях квантовой гравитации, пытающихся объединить квантовую механику и теорию относительности, дополнительные измерения имеют размер меньше миллиметра, и взаимодействовать с ними может только гравитация. Так как если бы с ними могло «общаться» что-то другое, они давно были бы обнаружены. Все остальные силы природы на этом микроуровне работают так, как им положено законами физики, и лишь гравитация в силу своей слабости не может быть проверена в достаточной мере. Но если бы она взаимодействовала с другими измерениями, это можно бы было увидеть относительно легко.
Дело в том, что в нашем трехмерном мире гравитация подчиняется закону обратных квадратов. Если уменьшить расстояние между двумя объектами наполовину, притяжение между ними увеличится в четыре раза. Но если пространственных измерений во Вселенной больше, упомянутый закон придётся пересмотреть. Например, в девятимерном мире двукратное сокращение дистанции означало бы увеличение гравитации в 256 раз. То есть если существуют измерения толщиной меньше миллиметра, то в этих пределах сила притяжения между сталкивающимися объектами очень быстро становится невероятно сильной. Что означает резкое увеличение вероятности появления чёрной дыры уже в Большом адронном коллайдере. При некотором количестве дополнительных измерений для их получения может хватить энергии сталкивающихся протонов «всего» в 10 триллионов электрон-вольт.
Насколько это реально
Впрочем, поиски в описанном направлении пока ничего не принесли и не выглядят особенно многообещающими. В 2016 году была опубликована статья, описывающая столкновения с энергией до 13 триллионов электрон-вольт. Никаких признаков чёрных дыр исследователи тогда не обнаружили. Через два года в продолжение анализа тех же самых данных было установлено, что поведение гравитации ни разу не указало на возможность существования дополнительных пространственных измерений. Но это совершенно новые, малоизученные теории и гипотезы. Вполне возможно, что энергия, требующаяся для создания чёрной дыры, лишь немного выше имеющейся сейчас, и либо сам БАК, либо его ближайший сменщик смогут достичь её. В этом случае наука получит первое экспериментальное доказательство квантовой гравитации.
В качестве приятного бонуса мы сможем немного больше узнать о природе черных дыр. В семидесятых годах Стивен Хокинг предположил, что эти объекты, как большие, так и микроскопические, должны выделять излучение, названное впоследствии в честь этого великого учёного. Большинство физиков не сомневаются в том, что это действительно так, однако наблюдать его возможности пока так и не представилось. По той причине, что излучение космических черных дыр слишком слабо, и в объективы телескопов не попадает. Но, если верить всё тому же Хокингу, небольшие черные дыры должны испускать более горячее излучение, и если бы одна из них родилась в ускорителе частиц, его можно бы было засечь. Если бы это произошло в БАКе, она бы испарилась всего за одну октиллионную наносекунды. Но приборы всё равно смогли бы увидеть это, предоставив первое убедительное доказательство реальности излучения Хокинга.
Справедливости ради стоит отметить, что наука накапливает всё больше свидетельств того, что это невозможный процесс, даже со всеми дополнительными измерениями. Некоторые доказательства предоставляются самой природой. Атмосфера Земли подвергается непрерывной бомбардировке высокоэнергичных космических лучей. Энергии у них больше, чем у тех протонов, которые сталкиваются в БАКе. Так что если черные дыры способны генерироваться в результате подобных коллизий, это беспрерывно происходило бы в верхних слоях воздушной оболочки нашей планеты. Но ничего подобного мы там не видим.
Основываясь на имеющихся данных и компьютерных симуляциях, в 2019 году группа учёных выдвинула предположение, что наличия дополнительных пространственных измерений не следует искать вплоть до диапазона эксаэлектроновольт. Это почти в миллион раз больше той энергии, с которой работает Большой адронный коллайдер, то есть перспектива увидеть интересующие нас черные дыры становится совсем уж призрачной. Как бы то ни было, БАК, после модернизации и работ по обслуживанию оборудования, должен вновь заработать в 2021 году. Хочется надеяться, что он подарит науке множество потрясающих открытий. Даже если среди них не будет микроскопических, моментально испаряющихся черных дыр и новых пространственных измерений.
