Большой Адронный Безопасный: Страшные, но невероятные сценарии
Большой Адронный Коллайдер (или БАК, как его уже принято именовать) поблизости от Женевы уже породил целую бурю эмоций и легенд. Некоторые — то ли самые ретивые, то ли самые безграмотные — активисты даже подали на БАК в суд, заявляя, что работа его может запросто привести к планетарной катастрофе (об этом процессе мы рассказывали в заметке «Суд над частицами»). По счастью, «третья власть» осталась верна духу разума, и 8 августа самый мощный в мире ускоритель частиц начал работу, понемногу «набирая обороты» (в полную силу он войдет только в 2010 г.). Как только пучки протонов в нем разгонятся до полной скорости, ученые со всего мира начнут сбор данных.
Столкновения элементарных частиц на таких скоростях дадут физикам новые ключи к пониманию происхождения Вселенной, позволят найти предсказанные до сих пор лишь теоретически частицы. Главные надежды связывают с почти легендарным бозоном Хиггса — его обнаружение станет настоящим скачком вперед для современной науки (отчего это так, читайте: «Столкнуть и рассмотреть»). Но кроме того, эти миниатюрные искусственные катастрофы будут вовлекать такие колоссальные количества энергии, что, возможно, в таком процессе будут образовываться крохотные количества частиц, сжатых так плотно, что они смогут «поглощать» другие частицы — иначе говоря, формируются микроскопические черные дыры. Именно эти объекты вызывают у публики главные опасения: что, если такая «дырочка», быстро поглощая материю, вырастет до довольно уже взрослой черной дыры, которая моментально поглотит всю нашу планету? По мнению таких персонажей, выглядеть все это может примерно так.
Однако на деле беспокоиться тут не о чем: в ходе экспериментов с БАК действительно будут появляться черные дыры микроскопических (на самом деле — планковских) размеров, а вдобавок — крайне нестабильные (читай, безвредные). Впрочем, недавно физики Стивен Гиддингс (Steven Giddings) и Микеланджело Мангано (Michelangelo Mangano) тщательно изучили и другую возможность — образования в БАКе стабильных микроскопических черных дыр, именно тех, которые имеют достаточно времени и шансов «вырасти» в нечто, о чем действительно стоит беспокоиться. Произойдет ли подобное? Приговорена ли вся наша планета из-за безумного стремления ученых к познанию? Если отвечать коротко, то нет.
«Мы можем с уверенностью отбросить подобные предположения, — говорит Стивен Гиддингс, — Объяснить это несложно: сама природа ставит подобные "эксперименты" уже миллиарды лет, и не только на нашей планете и Солнце, но и на несравненно более плотных объектах вроде нейтронных звезд. И то, что и Земля, и Солнце, и нейтронные звезды благополучно существуют до сих пор, опровергает тот страшный сценарий, которым пугают обывателей противники БАКа».
Первый довод против того, что в ходе экспериментов на БАКе образуются стабильные черные дыры, состоит в том, что черные дыры, как известно испаряются. Да-да, они не совсем «черные», а, как предположил Стивен Хокинг, постоянно излучают, теряя массу. Строго говоря, никакое это не испарение, а сложный квантовый процесс. Попробуем объяснить его в следующем абзаце, а если вам неинтересно — смело пропускайте его.
Говоря упрощенно, квантовая теория поля показывает, что физический вакуум постоянно наполнен парами частица-античастица, которые постоянно возникают и вновь аннигилируют — потому их еще называют «виртуальными». Однако присутствие мощных внешних сил может менять эту ситуацию, и наиболее интересные вещи происходят в окрестностях черной дыры, особенно — на ее горизонте событий. Условно говоря, это «точка невозвращения», воображаемая линия, на которой скорость падения вещества в черную дыру превышает скорость света — а значит, никакой информации о событиях за этой линией получить нельзя. Представим себе, что на горизонте событий черной дыры образовалась виртуальная пара частиц. Здесь частица может успеть умчаться прочь (она-то и видится наблюдателю, как излучение) — а античастица исчезнуть в черной дыре. При этом «ниоткуда» берется излучение (частица), а масса черной дыры, поглотившей античастицу, снижается. Так и происходит это «испарение». Кстати, этот процесс можно показать и используя обычную воду и кран — читайте «Черная дыра в бассейне».
Как показали Гиддингс и Мангано, микроскопическая черная дыра будет испаряться слишком быстро, чтобы успеть за свою короткую жизнь принести какой-то ощутимый вред. Кроме того, ученые напоминают, что столкновения с подобными энергиями (на БАКе это порядки триллионов электрон-вольт) происходят на нашей планете постоянно, многие миллионы лет, когда космическое излучение из глубин Вселенной (по сути, представляющее собой те же протоны, разогнанные до околосветовых скоростей) сталкивается с частицами в верхних слоях нашей атмосферы. Так что если подобный катастрофический сценарий мог бы произойти, он бы давно уже случился.
Впрочем, Гиддингс и Мангано на этом не остановились. Ученые рассмотрели, все же, тот невероятный вариант, если бы в атмосфере нашей планеты появилась стабильная микроскопическая дыра — причем, в двух альтернативах: несущая электрический заряд дыра, и незаряженная. Проведя необходимые расчеты, они показали, что заряженная микроскопическая черная дыра в нашей атмосфере не может существовать долго — причем, в БАКе, скорей всего, могут образовываться именно заряженные дыры, поскольку они будут появляться в результате столкновения заряженных кварков.
Но если представить такой почти невероятный случай, что черная дыра будет стабильной и незаряженной, тогда нас ждут серьезные проблемы. Проанализировав все варианты, ученые показали, что существуют два возможных сценария появления подобных дыр — в зависимости о того, какую из конкурирующих теорий дополнительных измерений использовать.
Первый случай — медленный рост стабильной микроскопической черной дыры, поглощающей все большие объемы материи. Однако расчеты показывают, что это действительно медленный процесс, и наше Солнце успеет погаснуть прежде, чем дыра вырастет до опасных размеров. Второй сценарий более катастрофичен и действительно выглядит опасным. Однако, как указывают Гиддингс и Мангано, если бы он действительно был вероятным, подобные процессы быстро привели бы к гибели многие небесные тела — не только Землю и Солнце, но и, прежде всего, более плотные объекты вроде нейтронных звезд или белых карликов. Однако они благополучно живут на протяжении сотен миллионов лет — а значит, вероятность опасности близка к нулевой.
Подытоживая результаты своей работу, Гиддингс говорит: «Подавляющее большинство ученых соглашается, что, в любом случае, сценарий с появлением стабильной черной дыры — полная чепуха». О том, как устроены современные ускорители элементарных частиц и зачем вообще они нужны, читайте нашу обзорную статью «Лобовое столкновение».
По публикации PhysOrg.Com