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

Вагнер и Санчес были не единственными, кого беспокоили черные дыры. Другой юрист, адвокат Гарри Леманн, написал книгу, в которой всерьез обсуждалось, кто окажется «крайним» на случай, если коллайдер засосет в себя всю Землю. В ней он собрал, кажется, все существующие опасения на этот счет. Блог, посвященный этой теме, сосредоточился в основном на страхах, связанных со взрывом 2008 г., и на вопросе, можно ли вновь пускать эту страшную машину. Опасались авторы блога, правда, не технических неполадок и новой катастрофы, такой же или еще более серьезной, как 19 сентября, а тех реальных физических явлений, которые могли возникнуть в рабочем тоннеле БАКа.

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.