Квантові чорні діри

1. НАРОДЖЕННЯ І СМЕРТЬ КВАНТОВОЇ ЧОРНОЇ ДІРИ
2. РОБИТИ ДІРИ НЕЛЕГКО
3. Наскільки сильно потрібно стиснути шматочок речовини, щоб він перетворився на чорну діру? Чим легше...
4. Чорні діри різних розмірів могли б проникнути в додаткові виміри, які інакше нам недоступні. Оскільки...

Фізики незабаром зможуть створювати чорні діри в лабораторії. З тих пір як майже 80 років тому винайшли прискорювачі елементарних частинок, їх використовували для вирішення таких завдань, як руйнування атомів, перетворення елементів, створення антиречовини і частинок, які раніше не спостерігалися в природі. Але, можливо, незабаром дослідники зможуть формувати найбільш таємничі об'єкти Всесвіту - чорні діри.

Чорні діри зазвичай представляються масивними монстрами, здатними заковтувати космічні кораблі і навіть зірки. Але діри, які, можливо, будуть створені в прискорювачах високої енергії припадають далекими родичами тим астрофізичним «бегемотам». Це мікроскопічні об'єкти розміром з елементарну частинку. Вони не зможуть розривати зірки, не стануть панувати в галактиках або загрожувати нашій планеті. Але їх властивості вражаючі: вони повинні випаровуватися незабаром після свого народження, висвітлюючи датчики частинок, подібно різдвяній ялинці. Таким чином, вони могли б дати ключ до розуміння зв'язку простору і часу і до вирішення питання про те, чи існують інші виміри.

потужне стиснення

ДВА ТИПУ чорних дір

Астрофізичні чорні діри є залишками масивних зірок, які сколлапсировало під власною вагою. Коли на них падає речовина, вони діють як космічні ГЕС, що перетворюють гравітаційну потенційну енергію - єдине джерело енергії, здатний пояснити потужні потоки рентгена і швидкі газові струмені, які спостерігаються у рентгенівських подвійних систем.

Мікроскопічні чорні діри можуть мати масу, як у великого астероїда. Вони могли виникнути відразу після Великого вибуху при стисненні ущільнень. Якщо простір має приховані вимірювання, то дірки можуть народжуватися і сьогодні при зіткненні швидких частинок. Замість того, щоб заковтувати речовина, вони повинні випускати випромінювання і швидко розпадатися.

Сучасна концепція чорних дір народилася із загальної теорії відносності Ейнштейна, згідно з якою, якщо речовина стиснути, його гравітація може стати настільки сильною, що окреслить область простору, з якої ніщо не зможе вирватися і кордон якої називають горизонтом подій чорної діри. Об'єкти можуть потрапляти всередину неї, але жоден з них не може вийти назовні. У разі, коли простір не має прихованих вимірів або ж ці вимірювання менше діри, її розмір прямо пропорційний її масі. Щоб Сонце стало чорною дірою, його треба стиснути до радіусу в 3 км, тобто в 4 млн. раз, а Землю - до радіуса в 9 мм, т. е. в мільярд разів.

Отже, чим менше діра, тим більше має бути свідченням стиснення. Щільність, до якої має бути стисло речовина, обернено пропорційно квадрату маси. Для діри з масою Сонця потрібна щільність близько $ 10 ^ {19} $ кг / м $ ^ 3 $, що вище щільності атомного ядра. Ймовірно, це найвища щільність, яку гравітаційний колапс може створити в сучасному Всесвіті. Об'єкти менш масивні, ніж Сонце, пручаються колапсу, оскільки їх утримує від стиснення квантова сила відштовхування між субатомними частинками. Спостереження показують, що найлегші кандидати в чорні діри мають масу, рівну шести масам Сонця.

Але колапс зірок - не єдиний спосіб народження чорних дірок. На початку 1970-х рр. Стівен Хокінг (Stephen W. Hawking) з Кембриджського університету і один з нас (Карр) досліджували механізм формування дірок в ранньому Всесвіті. Їх називають первинними чорними дірами. У міру розширення простору середня щільність речовини зменшується, отже, в минулому вона була набагато вище і досягала ядерного рівня в перші мікросекунди після Великого вибуху. Відомі закони фізики застосовні до щільності речовини, що дорівнює так званої щільності Планка ($ 10 ^ {97} $ кг / м $ ^ 3 $), при якій сила гравітації стає так велика, що квантово флуктуації повинні порвати «тканину» простору-часу. Такої щільності було б достатньо, щоб створити чорні діри діаметром всього лише $ 10 ^ {- 35} $ м (довжина Планка) і масою $ 10 ^ {- 8} $ кг (маса Планка).

Така найлегша чорна діра, яка може сформуватися з точки зору стандартної теорії гравітації. Вона набагато масивніше, але значно менше розміром, ніж елементарна частинка. Поступово, у міру зменшення щільності космічної матерії, могли формуватися все більш масивні первинні чорні діри. Ті, що мали масу менше $ 10 ^ {12} $ кг, були б розміром менше протона, а ті, що з більшою, повинні були володіти параметрами звичайних фізичних об'єктів. Дірки, що народилися в епоху, коли космічна щільність відповідала ядерної, володіли б масою приблизно як у Сонця, тобто були б макроскопическими об'єктами.

Висока щільність ранньому Всесвіті була необхідна для народження первинних чорних дір, але не гарантувала їх появи. Щоб в деякій області простору розширення зупинилося і почався колапс, потрібно, щоб щільність чорної діри виявилася вищою за середню, так що необхідні ще і флуктуації. Астрономи знають, що вони були, принаймні, у великих просторових масштабах, інакше не утворилися б галактики і їх скупчення. Для формування первинних чорних дір ці коливання повинні бути сильними в малих масштабах, що також можливо. Але навіть при відсутності флуктуацій діри могли формуватися спонтанно в різні моменти космологічних фазових переходів: наприклад, коли у Всесвіті закінчився ранній період прискореного розширення, відомий як інфляція, або в епоху ядерної щільності, коли такі частинки, як протони, конденсировались зі складових їх кварків. Зрештою космологи можуть накласти сильні обмеження на моделі раннього Всесвіту, виходячи з того, що в первинних чорних дірах укладено не надто багато речовини.

ОГЛЯД: ФАБРИКИ чорних дір

* Чорні діри можуть мати різноманітні розміри і навіть бути менше субатомних частинок. Крихітні діри повинні руйнуватися квантовими ефектами, а найдрібніші - вибухати відразу після народження

* Малі чорні діри могли залишитися від ранніх стадій Великого вибуху, тому астрономи намагаються виявити вибухи деяких з них.

* Теоретики припускають, що малі чорні діри можуть виникати при зіткненнях в сучасному Всесвіті і навіть на Землі. Правда, для цього буде потрібно гігантська енергія. Але якщо простір має допол- вальні вимірювання, то енергетичний поріг буде набагато нижче, і ди ри могли б народжуватися в Великому адронному колайдері в ЦЕРНі і при зіткненні космічних променів з атмосферою. Фізики могли б викорис заклику діри для дослідження додаткових вимірів простору.

Що впало, те пропало?

Усвідомлення того, що діри можуть бути маленькими, змусило Хокінга задуматися, які квантові ефекти можуть при цьому виникати. У 1974 р він прийшов до висновку, що чорні діри не тільки заковтують частки, але і випльовують їх. Хокінг передбачив, що діра випромінює тепло, як гарячий вугіллячко, з температурою, обернено пропорційній масі діри. У дірки з масою Сонця температура всього мільйонні частки Кельвіна, що дуже мало для нинішньої Всесвіту. Але у чорної діри з масою $ 10 ^ {12} $ кг (це маса середньої гори) температура +1012 К, що вже досить для випускання як безмассових частинок, типу фотонів, так і масивних - електронів і позитронів.

Оскільки випромінювання забирає енергію, маса дірки поступово зменшується. Так що чорна діра досить нестабільна: випромінюючи, вона стискається, в результаті чого нагрівається і починає випромінювати все більш енергійні частинки і при цьому зменшується все швидше і швидше. Коли дірка зменшується до маси близько 1000 тонн, вона протягом секунди вибухає, як мільйон мегатонни ядерних бомб. Час повного випаровування чорної діри пропорційно кубу його початкової маси. У дірки з масою Сонця життя неймовірно довга - $ 10 ^ {64} $ років. Діра з масою $ 10 ^ {12} $ кг живе $ 10 ^ {10} $ років - вік сучасної Всесвіту. Отже, первинні чорні діри такої маси зараз повинні саме закінчувати своє випаровування і вибухати. А всі дірки з меншою масою повинні були випаруватися в більш ранні космологічні епохи.

Робота Хокінга ознаменувала величезний ривок вперед, оскільки об'єднала три різні галузі фізики: загальну теорію відносності, квантову механіку і термодинаміку. Це був також крок до створення квантової теорії гравітації. Навіть якщо первинні чорні діри ніколи не народжувалися, їх теоретичне вивчення привело до значних відкриттів у фізиці, зокрема, виявило парадокс, що виникає при спробі узгодити загальну теорію відносності з квантовою механікою.

ЯК ЗРОБИТИ ЧОРНУ МІНІ-ДІРКУ

Первинні флуктуації щільності
У ранню епоху еволюції Всесвіту простір був заповнений щільною і гарячої плазмою. Її щільність змінювалася, тому там, де щільність була досить високою, плазма могла коллапсировать в чорну діру.

Зіткнення космічних променів
Космічні промені, частинки високої енергії від космічних джерел, потрапляючи в атмосферу Землі, можуть народжувати чорні діри. Вибухаючи, останні будуть випромінювати кванти і вторинні частки, які можна зареєструвати у поверхні Землі.

прискорювач часток
Прискорювач типу ВАК зможе зіштовхнути дві частинки з такою силою, що вони, можливо, сколлапсірует в чорну діру. Датчики могли б зареєструвати подальший розпад діри.

Відповідно до теорії відносності, інформація про те, що потрапило в чорну діру, втрачена назавжди. Однак якщо діра випаровується, то що відбувається з інформацією, що містилася всередині? Згідно з припущенням Хокінга, чорні діри повністю випаровуються, знищуючи при цьому інформацію, що суперечить принципам квантової механіки. Руйнування інформації не узгоджується з законом збереження енергії і робить подібний сценарій неправдоподібним.

Припущення про те, що від чорних дір щось залишається, також неприйнятно. В цьому випадку має бути нескінченна різноманітність типів таких залишків, щоб вони змогли закодувати всю інформацію про вміст чорної діри. Але закони фізики свідчать, що частота народження частинок пропорційна кількості їх типів. Значить, залишки чорної діри повинні були б народжуватися в нескінченній кількості, навіть при включенні звичайної мікрохвильової печі. В такому випадку в природі все стало б нестійким.

Є і третя можливість. Положення про локальність, згідно з яким події в різних точках простору можуть впливати один на одного тільки після того, як світло від одного дійшов до іншого, - невірно. Це до сих пір є каменем спотикання для теоретиків (див. «Сингулярний комп'ютер», «В світі науки», №2, 2005 р.)

Пошук дірок

Для розвитку фізики потрібні експериментальні дані, тому, щоб зрозуміти природу мікроскопічних чорних дір, їх слід перш за все знайти. Одна з можливостей полягає в тому, що астрономи могли б виявити первинні чорні діри з початковій масою $ 10 ^ {12} $ кг, вибухають в сучасному Всесвіті. Велика частина маси цих дірок повинна перетворюватися в гамма-промені. У 1976 р Хокінг і Дон Педжа (Don Page) з Каліфорнійського технологічного інституту довели, що спостереження фонового гамма-випромінювання істотно обмежують можливу кількість таких дірок. Наприклад, в них не може бути укладена помітна частка темної речовини Всесвіту, і їх вибухи поблизу нас повинні бути настільки рідкісними, що їх практично неможливо виявити. Однак в середині 1990-х рр. Девід Клайн (David Cline) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі і його колеги припустили, що найкоротші гамма-спалахи можуть мати відношення до первинних чорних дірок. Вважається, що більш довгі спалахи можуть бути пов'язані з вибухами або злиттями зірок, проте короткі можуть мати й інше пояснення. Майбутні астрономічні спостереження допоможуть дослідити заключний етап випаровування чорної діри.

Ще більш захоплююча можливість - створення чорних дір за допомогою прискорювачів частинок. Коли потрібно домогтися високої щільності, немає інструментів краще, ніж прискорювачі ВАК і «Теватрон» Національної прискорювальної лабораторії ім. Фермі недалеко від Чикаго. Агрегати розганяють субатомні частинки, такі як протони, до швидкостей, гранично близьких до швидкості світла. При цьому частинки набувають величезну кінетичну енергію. У БАК енергія протона досягає семи тераелектронвольт (ТеВ). За формулою Ейнштейна $ E = mc ^ 2 $ ця енергія еквівалентна масі $ 10 ^ {- 23} $ кг, що в 7 тис. Разів більше маси спокою протона. Коли дві такі частинки стикаються, їх енергія концентрується в крихітній області простору. Тому можна припустити, що час від часу стикаються частинки притискаються так тісно, ​​що може утворитися чорна діра.

НАРОДЖЕННЯ І СМЕРТЬ КВАНТОВОЇ ЧОРНОЇ ДІРИ

Але маса $ 10 ^ {- 23} $ кг набагато менше маси Планка в $ 10 ^ {- 8} $ кг, яку звичайна теорія гравітації пропонує для найлегшою діри. Цей нижня межа є наслідок квантовомеханічного принципу невизначеності. Оскільки частки поводяться ще й як хвилі, вони «розмазуються» в деякому просторі, яке зменшується з ростом енергії: при енергіях БАК його розмір $ 10 ^ {- 19} $ м. Це найменша область, в яку можна упакувати енергію частинки. Виходить щільність $ 10 ^ {23} $ кг / м $ ^ 3 $ - досить висока, але недостатня для створення чорної діри. Щоб частка була як енергійної, так і компактної, вона повинна мати енергію Планка, що в $ 10 ^ {15} $ разів більше енергії ВАК. Незважаючи на те що прискорювачі могли б створити об'єкти, математично подібні чорних дірок (і деякі теоретики думають, що це вже зроблено), самі дірки, схоже, лежать поза досяжністю.

До іншим вимірам!

За минуле десятиліття фізики зрозуміли, що немає необхідності в досягненні планковской щільності. Теорія струн, одна з основних суперниць квантової теорії гравітації, пророкує, що простір має більше трьох вимірів. Гравітація, на відміну від інших сил, повинна поширюватися по всіх цих вимірів і тому надзвичайно посилюватися на коротких відстанях. У тривимірному просторі сила гравітації учетверяется при зменшенні відстані між об'єктами вдвічі. Але в девятімерном просторі гравітація стала б в 256 разів сильніше. Даний ефект міг би бути істотним, якби додаткові виміри простору були досить великими. Але можлива і більш складна конфігурація додаткових вимірів - компактификацією (т. Е. Згортання додаткових вимірів), яка дає той же ефект посилення гравітації і найбільш імовірна, якщо теорія струн вірна.

РОБИТИ ДІРИ НЕЛЕГКО

Наскільки сильно потрібно стиснути шматочок речовини, щоб він перетворився на чорну діру? Чим легше тіло, тим сильніше потрібно на нього впливати, перш ніж його власна гравітація стане достатньою для створення діри. Планети і люди набагато далі від цієї межі, ніж зірки (див. Графік). Хвильова природа речовини перешкоджає стисненню, частинки не можуть бути зменшені до розміру меншого, ніж характерна довжина їх хвилі (див. Малюнок), тому діра не може мати масу менш $ 10 ^ {- 8} $ кг. Але якщо у простору є додаткові виміри, гравітація може істотно посилюватися на малих відстанях, і об'єкт не доведеться так сильно стискати.

Додаткове зростання гравітації означає, що істинний масштаб енергії, при якій закони квантової механіки і гравітації змикаються (і може народитися чорна діра), виявиться набагато менше, ніж передбачалося. Незважаючи на те що поки немає експериментальних підтверджень такої можливості, подібна ідея проливає світло на багато теоретичні загадки. І якщо припущення вірне, то щільність, необхідна для народження чорної діри, може лежати в межах можливостей ВАК.

Теоретичні дослідження освіти чорних дір при високоенергічних зіткненнях повертають нас до робіт Роджера Пенроуза (Roger Penrose) з Оксфордського університету середини 1970-х рр., А також Пітера Д'Іза (Peter D'Eath) і Філіпа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) з Кембриджа початку 1990-х рр. Можливість існування великих додаткових вимірів може вдихнути нове життя в ці дослідження, що і спонукало Тома Бенкса (Tom Banks) з Каліфорнійського університету в Санта-Круз і Віллі Фішлера (Willy Fischler) з Техаського університету приступити до обговорення проблеми в 1999 р

У 2001 р на конференции две групи вчених: один з авторів статті Стівен Гіддінгс и Скотт Томас (Scott Thomas) зі Стенфордського університету, а такоже Савас Дімопулос (Savas Dimopoulos) зі Стенфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) з Університету Брауна Незалежності описали те, что можна Побачити в коллайдерах частінок типу ВАК. Чи не занадто складні обчислення буквально приголомшили нас: оцінки показали, що при оптимістичному сценарії, відповідному найнижчого можливого значенням масштабу Планка, чорні діри можуть народжуватися з частотою одна дірка в секунду. Прискорювач, що виробляє частинки з такою частотою, фізики називають фабрикою, так що ВАК може стати фабрикою чорних дір, випаровування яких не могло б залишитися непоміченим.

Типові зіткнення дають помірне кількість енергійних частинок, але розпадається чорна діра - інше справу. Згідно Хокингу, вона випромінює в усіх напрямках безліч частинок з дуже високими енергіями. Продукти її розпаду включають всі існуючі в природі типи частинок. Кілька груп вчених детально розрахували характерні ознаки, за якими детектори БАК можуть помітити чорні діри.

Водоспад з чорних дір?

Перспектива створення чорних дір на Землі може здатися божевільною. Звідки ми знаємо, що вони благополучно розпадуться, як пророкує Хокінг, а не продовжать своє зростання і, зрештою, не проковтнуть нашу планету? На перший погляд, досить обґрунтована тривога, особливо якщо врахувати, що деякі деталі вихідної теорії Хокінга можуть бути невірні: скажімо, твердження, що інформація руйнується в чорних дірах. Проте загальні принципи квантової механіки вказують, що мікроскопічні чорні діри не можуть бути стійкі, а значить, вони безпечні. Концентрації енергії і маси, типу елементарних частинок, постійні, тільки якщо якийсь закон збереження забороняє їх розпад. Прикладами служать збереження електричного заряду і баріонів числа. Але немає такого закону, який стабілізував би маленьку чорну діру. У квантовій теорії все, що не заборонено, обов'язково відбувається, тому відповідно до другого закону термодинаміки маленькі чорні діри швидко розпадуться.

Чорні діри різних розмірів могли б проникнути в додаткові виміри, які інакше нам недоступні. Оскільки гравітація, на відміну від інших сил, простягається в ті вимірювання, чорні діри теж їх відчувають. Фізики могли б змінювати розмір дірок, налаштовуючи прискорювач частинок на різну енергію. Якщо діра перетне паралельну Всесвіт, то стане розпадатися швидше і виділяти менше енергії (оскільки її частина буде йти в іншу Всесвіт).

Та й досвід підказує, що фабрика чорних дір не представляє небезпеки. Адже зіткнення з високою енергією, такі як в БАК, вже мали місце, наприклад, в ранньому Всесвіті. Зрідка вони відбуваються і тепер, коли швидкі частинки космічних променів влітають в нашу атмосферу: природа сама створює чорні діри. Уже перші оцінки Гиддингса і Томаса показали, що космічні промені високої енергії (протони або важчі атомні ядра з енергіями до 109 ТеВ) можуть народжувати в атмосфері близько 100 чорних дір в рік.

Крім того, обидва вищевказаних вчених разом з Девідом Дорфаном (David Dorfan) з Каліфорнійського університету в Санта-Круз і Томом Ріццо (Tom Rizzo) зі Стенфордського центру лінійного прискорювача, а також, незалежно, Джонатан Фенг (Jonathan L. Feng) з Каліфорнійського університету в Ірвіні і Альфред Шейпер (Alfred D. Shapere) з Університету штату Кентуккі довели, що зіткнення космічних нейтрино можуть бути навіть більш ефективні. Якщо це так, то нова Обсерваторія космічних променів ім. Оже в Аргентині, яка вже вступила в лад, і модернізована Обсерваторія Fly's Eye ( «Око мухи») в штаті Юта зможуть спостерігати за кілька дірок в рік. Однак такі дослідження не скасовують необхідність в експериментах на прискорювачах, де при контрольованих умовах може формуватися безліч дірок.
Наявність чорних дір довело б існування прихованих вимірів простору, а спостерігаючи їх властивості, фізики могли б досліджувати «географію» вимірювань. Наприклад, якщо створювати на прискорювачі діри все більшої маси, вони стануть проникати все глибше в додаткові виміри і порівнюватися за розміром з одним або декількома з них, демонструючи при цьому характерні зміни залежно своєї температури від маси. До того ж якщо чорна діра стає досить великою, щоб перетнутися з паралельної тривимірної Всесвіту в додаткових вимірах, характеристики її розпаду повинні несподівано змінитися.

Створення чорних дір в прискорювачах дозволило б проникнути в глибини матерії. У минулому столітті фізики завзято просувалися до кордонів мікросвіту: від найдрібніших пилинок - до атомам, потім до протонів, нейтронів і, нарешті, до кварків. Якщо вони зможуть створювати чорні діри, то досягнутий масштабу Планка, який, як вважають, є межею відстані, менше якого самі поняття простору і довжини, мабуть, перестають існувати. Будь-яка спроба дослідити існування більш коротких відстаней, здійснюючи зіткнення при більш високих енергіях, неминуче закінчилася б народженням чорної діри. Зіткнення при високих енергіях, замість того, щоб дробити речовину на дрібні шматочки, приведуть до народження чорних дірок все більшого розміру. Таким чином, їх поява ознаменує кінець важливого напрямку науки. І виникне нове завдання - дослідження додаткових вимірів простору.

ПРО АВТОРІВ:
Бернард Карр, Стівен Гіддінгс (Bernard Carr, Steven Giddings). Карр - професор Лондонського університету королеви Марії. Він зацікавився астрофізикою після відомого документального фільму Найджела Колдера (Nigel Calder) «Шалена Всесвіт», показаного в 1969 р Пізніше він став аспірантом Хокінга і одним з перших теоретично вивчив маленькі чорні діри. Гіддінгс - професор Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, фахівець з квантової гравітації і космології. Він одним з перших досліджував можливість створення чорних дір в прискорювачах частинок.