Гарик. Адронный коллайдер и черные дырочки

Про запуск большого адронного коллайдера знает, по-видимому, каждый. Многие не просто знают, но еще и боятся, что полученные там микроскопические "черные дыры" могут не просто разрушить, но целиком поглотить нашу планету вместе со всеми ее обитателями. Я даже видел неплохую анимацию, которая демонстрирует этот процесс во всех деталях. Мне говорили, что эту анимацию показывали по российскому телевидению. Возможно, она была показана и в других странах.

Прежде всего, ни один физик, находящийся в здравом уме и твердой памяти, не мог о такой глупости даже подумать. Впрочем, известно, что "физики любят шутить" и я не могу исключить, что какой-нибудь досужий шутник мог запустить эту "информацию", чтобы поразвлечься реакцией обывателей. Если это так, шутка у него удалась на славу. Впрочем, не могу исключить, что это была не шутка физика, а нелепая фантазия какого-нибудь журналиста, который услышал звон, но не понял где он.

Тем, кто всерьез испугался, советую успокоиться. Здесь нет никакого, даже самого малейшего, риска. Ниже я остановлюсь более подробно на некоторых деталях этой физической кухни, но сначала несколько слов о самом коллайдере, который был сооружен в Церне, большом международном центре, расположенном на границе между Швейцарией и Францией, совсем рядом с Женевой.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР

Если говорить о масштабах этого ускорителя элементарных частиц, то человечество еще никогда не создавало ничего столь грандиозного. Частицы ускоряются, двигаясь по круговой орбите. Чтобы соударения с молекулами воздуха не нарушали их движения, все это происходит в кольцевой трубе, из которой воздух откачан. Так вот, длина этой кольцевой трубы Адронного Коллайдера составляет 27 км, примерно такая же длина, как и у кольцевой линии Московского метро. Представляете масштаб? Сотрудникам приходится использовать мотоциклы, чтобы добираться до своих рабочих постов.

Частицы должны ускоряться в вакууме, но даже просто откачать воздух из трубы такого размера это уже безумно сложная техническая задача. Но одного вакуума недостаточно. Чтобы частицы двигались по кругу, их все время нужно поворачивать, а для этого необходимо сильное магнитное поле. Это магнитное поле обеспечивается множеством сверхпроводящих магнитов, расположенных по всей 27-километровой длине кольца. Могу сказать, что сверхпроводящий магнит, с которым я постоянно работаю, представляет собой (включая источник питания) весьма непростое устройство. Но мой магнит создает магнитное поле на длине около 10 см, а там 27 км. Чувствуете разницу?

Теперь об основной характеристике ускорителя - энергии, до которой он может ускорить частицы. Эту энергию принято измерять в электрон-вольтах. Скажу сначала, что такое электрон-вольт. Все знают, что электрон - это заряженная частица. Если заряженная частица движется в электрическом поле, то она ускоряется, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Так вот, электрон-вольт - эта та энергия, которую приобретает электрон, пролетая разность электрически потенциалов, равную 1 вольту. Я это написал для общего сведения. Для наших дальнейших рассуждений такие детали несущественны. Важно лишь, что существует такая единица измерения энергии.

Итак, новый Адронный Коллайдер является самым большим ускорителем в мире, и его проектная энергия, которую предполагается достичь в 2011 году, составляет 7 тераэлектрон-вольт. Переводя на более человеческий язык, напишу, что это 7 тысяч миллиардов или, если хотите, 7 миллионов миллионов электрон-вольт. Если записывать на научном языке, то получится 7.10¹² электрон-вольт, в 10 раз больше, чем у самого большого ускорителя, созданного до сей поры. Существует теория, которая предполагает, что при таких энергиях могут образовываться так называемые квантовые, или микроскопические черные дыры, которых теперь принято бояться. Об этой теории и о предсказанных ею "черных дырочках" я расскажу ниже, а сначала несколько слов об астрономических объектах с аналогичным названием.

АСТРОНОМИЧЕСКИЕ (НАСТОЯЩИЕ) ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Словосочетание "черные дыры", думаю, слышал каждый из вас. Это жуткие астрономические объекты, которые создают громадное гравитационное поле. Это поле втягивает в черную дыру любой объект, оказавшийся достаточно близко. Из себя же черная дыра не выпускает ничего, даже свет. Именно поэтому она и получила такое название. Все, что попадает в черную дыру, будет полностью уничтожено, раздавлено чудовищной силой тяготения. Многие считают, что существование черных дыр возможно только в рамках Теории Относительности. Это неверно. Такие объекты должны с неизбежностью возникать в рамках любой теории тяготения, в том числе, и в рамках классической теории, которая носит имя Ньютона. Как же черные дыры возникают? Что нужно для того, чтобы яркая звездочка превратилась в этого вселенского монстра?

Если говорить о звезде, то у нее есть несколько основных характеристик. Это масса, размер и температура. Эти характеристики не являются независимыми, а, наоборот, сильно между собой связаны. Сила тяжести, которая существует всегда и которая пропорциональна массе, хочет сжать звезду, сделать ее меньше. Но, поскольку звезда очень горяча, тепловое движение составляющих ее частичек создает давление, распирающее звезду изнутри. Это давление и препятствует гравитации сжать звезду слишком сильно. Высокая температура внутри звезды создается за счет термоядерных реакций синтеза водорода и гелия, которые играют роль ядерного горючего. Однако, с течением времени водород и гелий выгорают, и через некоторое число миллиардов лет звезда начинает потихонечку остывать. По мере остывания давление внутри звезды понижается, и она все сильнее сжимается под действием гравитации. Если исходная звезда была достаточно велика (намного больше нашего Солнца) и уже сильно остыла, то гравитация может сжать эту звезду настолько, что она превратится в черную дыру.

Расскажу сначала об этом без всякой теории относительности. В наш космический век, все знают, что покинуть любое небесное тело не так просто. Необходимо преодолеть так называемую вторую космическую скорость. Для нашей Земли, с ее умеренны тяготением, эта скорость равна 11,2 км/сек. А на поверхности большой звезды, сжатой силами тяготения, вторая космическая скорость может быть очень велика и даже превысить скорость света. В этом случае уже ничего, даже свет, не может покинуть пределы звезды, и она, таким образом, превратится в черную дыру. Правда просто?

Однако, если мы будем проводить вычисления, основываясь на обычной теории тяготения, результаты будут неверны. Чтобы получить правильные результаты, необходима теория относительности. С помощью теории относительности можно вычислить, до какого размера должна сжаться та или иная звезда, чтобы превратиться в черную дыру. Такие вычисления первым проделал Карл Шварцшильд, и теперь диаметр той сферы, до которой должна съежиться звезда, чтобы стать черной дырой, называется сферой Шварцшильда. Чем больше звезда, тем больше для нее сфера Шварцшильда. Вот, собственно, и все, что я хотел сказать про настоящие черные дыры.

КВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Среди нас, физиков, есть такие, которые любят шутить, а есть и такие, которые предпочитают фантазировать, даже если для таких фантазий нет никаких специальных оснований. Вот эти физики-фантазеры и стали думать вглубь. С теми черными дырами, которые получаются из звезд, все настолько ясно, что это им уже не интересно. Давайте придумаем что-нибудь этакое - сказали они себе и стали думать над тем, каким может быть самый крохотный объект, размер которого будет меньше его сферы Шварцшильда.

Ситуация тут совсем непростая. Дело в том, что, когда мы переходим к маленьким размерам, надо учитывать законы квантовой механики, в том числе и царящий там принцип неопределенности имени товарища Гейзенберга. Законы квантовой механики говорят о том, что квантовая частица не может занимать места меньше, чем ее длина волны де Бройля:

L = h/mv

h - это постоянная Планка (основная буква квантовой механики), m - масса частицы, а v - ее скорость. В квантовой механике существует еще понятие, которое называется Комптоновская длина волны. Она получается из волны де Бройля, если скорость частицы заменить на скорость света. Эту характеристику иногда называют и Комптоновским радиусом частицы, хотя никакому реальному радиусу этот параметр не соответствует. Но наших фантазеров такая мелочь, разумеется, не смущает. Давайте, говорят они, придумаем объект, Комптоновский радиус которого будет меньше сферы Шварцшильда, и назовем его микроскопической черной дырой.

Сказано - сделано. Тут все формулы известны, надо только числа подставить. Оказалось, что масса такого объекта должна быть больше 0.02 мг. Вроде, немного, но по масштабам квантовой механики совершенно грандиозная масса. Нетрудно было вычислить и то, какая энергия необходима для создания такого объекта. Оказалось, что эта энергия в миллион раз больше энергии Церновского коллайдера. Расстроились наши фантазеры. Но на то они и фантазеры, чтобы не отступать перед неприятной им реальностью. Хорошо - сказали они. По тем законам природы, которые известны, нужного результата не получается. Давайте теперь думать, какими должны быть законы природы, чтобы такие черные дырочки могли получиться на коллайдере. Для этого нужно очень прилично увеличить силу гравитации. Стали они думать, как это можно сделать и, разумеется, придумали. Эврика! Давайте будем считать, что наше пространство девятимерное. В девятимерном пространстве гравитация значительно сильнее, и все будет в порядке. В этом случае, церновский коллайдер сможет печь квантовые черные дыры в агромадных количествах.

Рассуждения, стоящие за подобными спекулятивными фантазиями предельно просты. Если ничего такого не окажется, ничего страшного. Они ведь и не утверждали, что такое должно случиться обязательно. А представьте себе, что будет обнаружено что-нибудь подобное? Они же станут знамениты на весь мир. Нобелевская премия, считай, уже в кармане.

ОПАСНЫ ЛИ КВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

А вдруг - скажут те из вас, кто любит бояться - фантазеры все правильно угадали. Что же, наша Земля со всеми нами сгинет в такой черной дыре?

Прежде, чем так пугаться, давайте немного подумаем. Сначала давайте вспомним, что наша Земля непрерывно бомбардируется элементарными частицами, которые называются космическими лучами. Энергия некоторых из них во многие миллионы раз превышает энергии, достижимые в коллайдере. Если бы в таких условиях могло родиться что-нибудь, способное сожрать нашу Землю, это бы уже случилось.

А теперь давайте подумаем об опасности таких черных дырочек с точки зрения фантазеров, которые их придумали. Давайте подумаем, сможет ли квантовая черная дыра что-нибудь заглотить. Не будем сразу пытаться засунуть в нее целую планету, а предложим ей какой-нибудь совсем небольшой атом.

Чтобы такой атом в нее провалился, он, естественно, должен оказаться в непосредственной близости, а это означает, что скорость их движения друг относительно друга невелика. В этом случае, наш атом увидит не черную дыру, а некоторый незначительный по своей массе объект, размеры которого значительно превышают размеры соответствующей сферы Шварцшильда. Посмотрите на формулу, приведенную выше. Там, как видите, скорость стоит в знаменателе и, если она меньше скорости света, то это уже и не черная дыра.

Даже самые фантазийные фантазеры не предполагают, что у квантовых черных дыр есть способность хоть что-нибудь поглощать. Более того, они предсказывают, что такие объекты не могут жить дольше, чем ничтожная доля секунды. Как только их скорость относительно окружающих атомов чуть замедлится, их размер становится заметно больше Комптоновского радиуса и больше соответствующей сферы Шварцшильда. Теперь уже нечему удерживать составные части этой частицы вместе, и она разваливается, выбрасывая из себя целый веер обычных элементарных частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммируя вышесказанное, подчеркну, что нет никаких особых оснований думать, что квантовые черные дыры могут существовать в природе. Более того, даже если они и существуют, они не имеют никаких общих свойств с одноименными астрономическими объектами. Название же выбрано исключительно для привлечения внимания и, по сути, притянуто за уши. Уцепились за то, что Комптоновский радиус, который абсолютно ничему реальному не соответствует, меньше радиуса соответствующей сферы Шварцшильда.

Наверное, я убедил не всех. Те, кто особенно любят бояться и любят списывать человеческие беды на исследователей природы, будут, по-прежнему, ждать запуска коллайдера на полную мощность со сладострастным ужасом, выискивая в средствах массовой информации и интернете самый ужасные ужастики на этот счет. Впрочем, я и не хотел лишать этих людей одной из немногих радостей, которая еще осталась в их жизни.

Комментарии: 152, последний от 06/11/2011. © Copyright Гарик (igor_L70@hotmail.com) Размещен: 29/10/2009, изменен: 16/01/2011. 13k. Статистика. Статья: Естествознание Посиделки по физике Скачать FB2		Оценка: *6.537** Ваша оценка:

Гарик: другие произведения.

Адронный коллайдер и черные дырочки