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

Воображаемые угрозы, которые Леманн и многие другие связывали с БАКом, сосредоточились на черных дырах, которые, как они полагали, могут целиком поглотить нашу планету. Паникеры жаловались на то, что в исследовании Группы оценки безопасности проекта БАКа отсутствует надежная оценка рисков в сфере квантовой механики, и вспоминали высказывание Ричарда Фейнмана и других физиков о том, что «никто до конца не понимает квантовую механику». Алармисты задавались вопросом: можно ли рисковать Землей ради любой, сколь угодно великой цели, даже если риск считается крохотным, и кто должен брать на себя груз ответственности за такое решение.

Хотя, конечно, мгновенная гибель Земли — бесспорный повод для тревоги, на самом деле последний вопрос был бы более уместен в дискуссии, к примеру, о глобальном потеплении. Содержание этой и следующей глав, я надеюсь, полностью убедит вас в том, что лучше озаботиться более насущными проблемами (к примеру, обесцениванием ваших пенсионных накоплений), чем страдать по поводу возможного исчезновения Земли в черной дыре. Хотя нарушение графика работ и бюджетные проблемы породили определенный риск для БАКа, теоретические соображения вкупе с исследованиями продемонстрировали всем, что насчет черных дыр можно не волноваться.

Поясню, чтобы не оставалось недомолвок: все сказанное не означает, что вопрос вообще не следовало задавать. Ученые должны предвидеть возможные опасности, которые могут возникнуть в результате их действий. Но в вопросе о черных дырах физики пришли к выводу, что реальных поводов для тревог нет. Прежде чем перейти к более детальному обсуждению рисков, я хочу поговорить о том, почему люди вообще задумались о черных дырах в коллайдере и почему страхи конца света были в конечном счете беспочвенными. То, о чем пойдет речь в этой главе, несущественно не только для нашей темы в целом, но даже и для следующей главы, в которой я расскажу, что будет исследовать БАК. Но на этом примере можно продемонстрировать, как думают физики, и подготовить почву для последующего более широкого рассмотрения рисков.

Черные дыры — это объекты с таким сильным гравитационным притяжением, что все, что случайно или намеренно к ним приближается, попадает в ловушку. Что бы ни попало в пределы радиуса черной дыры, известного как горизонт событий, захватывается ею и навсегда остается внутри. Даже свет подпадает под действие громадного гравитационного поля черной дыры. Ничто не может выйти из черной дыры наружу. Любой объект, встретившись с черной дырой, становится ее частью, потому что законы гравитации неумолимы и «сопротивление бесполезно».

Черная дыра образуется в том случае, когда в небольшом объеме собирается достаточно вещества, чтобы тяготение стало доминирующей силой. Размеры области, в которую необходимо поместить все вещество для образования черной дыры, зависят от количества вещества, то есть от его массы. Небольшую массу придется собирать в соответствующий небольшой объем, а большую можно распределить по несколько большему пространству. Так или иначе, когда плотность повышается до громадных величин, а критическая масса оказывается внутри соответствующего объема, сила тяготения становится непреодолимой — и формируется черная дыра. В классической теории (то есть в соответствии с расчетами, сделанными без оглядки на квантовую механику) черные дыры растут, поглощая близлежащее вещество. Кроме того, согласно той же классической теории черные дыры никогда не испаряются и не исчезают.

До 1990–х гг. никто не думал о создании черных дыр в лаборатории, ведь минимальная масса, необходимая для этого, громадна по сравнению с массой обычной частицы или с энергией тогдашних коллайдеров. В конце концов, черные дыры воплощают в себе главенство гравитации, тогда как сила тяготения любой известной нам частицы пренебрежимо мала — гораздо меньше, чем связанные с ней другие силы, такие как электромагнетизм. Если сила тяготения такова, какой мы ее считаем, то во Вселенной с тремя пространственными измерениями столкновения частиц не дотягивают до необходимых энергий. Однако черные дыры во Вселенной все же существуют — более того, они, судя по всему, имеются в центрах большинства крупных галактик. Но энергия, необходимая для создания черной дыры, по крайней мере на 15 порядков превосходит все, что мы можем получить в лаборатории.

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.