Лиза Рэндалл - Достучаться до небес - Научный взгляд на устройство Вселенной

Так почему же мысль о возникновении черных дыр в Большом адронном коллайдере вообще пришла кому‑то в голову? Причина в том, что физики в какой‑то момент поняли: пространство и гравитация могут оказаться совершенно не такими, как то, что мы до сих пор наблюдали. Так, сила тяготения может распространяться не только на три известные нам пространственные измерения, но и на пока невидимые дополнительные измерения, которые до сих пор никому не удалось обнаружить. Эти измерения не продемонстрировали заметного влияния ни в одном из опытов, сделанных до сих пор учеными. Но не исключено, что на энергиях БАКа гравитация, связанная с дополнительными измерениями, — если она, конечно, существует — проявит себя так, что этот факт можно будет зарегистрировать.

В главе 17 мы поговорим об этом подробнее, пока же скажу только, что существование дополнительных пространственных измерений, упомянутое в главе 7, — это довольно экзотическая идея. Тем не менее у этой теории есть разумное теоретическое обоснование; мало того, она, возможно, сумеет объяснить необычайную слабость известного нам гравитационного взаимодействия. Не исключено, что в многомерном мире гравитация сильна, а в нашем наблюдаемом трехмерном мире чрезвычайно слаба. Или — согласно теории Рамана Сандрама и моей — в дополнительном измерении она может быть переменной, так что где‑то в другом месте гравитация сильна, а в нашей конкретной области многомерного пространства слаба. Мы пока не знаем, верны ли подобные теории. С ними пока далеко не все ясно, но они принадлежат к числу тех, в которые эксперименты на БАКе, возможно, внесут определенность.

В сценариях, связанных с этими теориями, подразумевается, что при исследовании малых расстояний, на которых могут проявиться эффекты дополнительных измерений, может проявиться совершенно новая для нас сущность гравитационного взаимодействия. Теории, предусматривающие существование дополнительных измерений, предполагают, что физические свойства Вселенной на больших энергиях и малых расстояниях, которые мы скоро сможем исследовать, должны измениться. Если причина некоторых наблюдаемых явлений кроется в многомерности Вселенной, то гравитационные эффекты на энергиях БАКа должны оказаться намного сильнее, чем считалось ранее. Если так, то и результаты экспериментов на БАКе будут определяться не только тем тяготением, которое мы знаем, но и гораздо более сильным тяготением Вселенной с дополнительными измерениями.

При такой силе тяготения нельзя исключить, что протоны когда‑нибудь столкнутся в крохотной области и концентрация энергии в ней достигнет уровня, необходимого для рождения многомерных черных дыр. Если эти черные дыры просуществуют достаточно долго, они начнут всасывать в себя вещество и энергию. А черная дыра, занимающаяся этим бесконечно, действительно опасна. Именно такой катастрофический сценарий предлагали алармисты.

К счастью, однако, классический расчет черных дыр — тот, что опирается исключительно на теорию гравитации Эйнштейна — не последнее слово в науке. На счету Стивена Хокинга много достижений, но одно из прославивших его открытий заключается в том, что квантовая механика дает веществу, попавшему в ловушку черной дыры, надежду на избавление. Квантовая механика допускает дегенерацию и гибель черных дыр.

Поверхность черной дыры горяча, причем ее температура зависит от массы дыры. И черные дыры излучают, как горячие угольки, посылая энергию во всех направлениях. При этом дыра продолжает поглощать все, что к ней приближается, но согласно законам квантовой механики частицы испаряются с ее поверхности и уносят энергию прочь, то есть потихоньку отнимают ее у черной дыры. Благодаря этому процессу даже крупная черная дыра может со временем излучить всю свою энергию и исчезнуть.

Энергии БАКа в лучшем случае еле–еле хватит для возникновения черной дыры, так что образоваться там смогут (если вообще смогут!) только очень маленькие черные дыры. Небольшая по размеру и чрезвычайно горячая черная дыра — а в БАКе могут возникнуть именно такие объекты — скорее всего, исчезнет мгновенно. Дегенерация, вызванная излучением Хокинга, эффективно и полностью истощит ее. Поэтому, даже если черные дыры действительно возникнут в БАКе, они просуществуют слишком мало, чтобы нанести какой бы то ни было вред. Большие черные дыры испаряются медленно, но крохотные черные дыры теряют всю свою энергию почти мгновенно. В этом отношении, кстати говоря, они ведут себя достаточно странно. Большинство объектов — угольки, к примеру— остывают по мере излучения. Черные дыры, наоборот, нагреваются, и самые высокие температуры имеют самые маленькие дыры, поэтому и излучают они эффективнее других.