Светское государство. Ответы на вопросы urokiatheisma denga

 

Если бы да кабы во рту росли грибы,

то это был бы не рот, а целый огород.

Русская поговорка


Черные дыры в теории

Вопреки устоявшемуся мнению, созданному оговорками уче­ных и журналистов вроде «американские ученые установили, что в центре Галактики находится сверхмассивная черная дыра», или «вот телескоп Хаббл сфотографировал, как черная дыра поглощает соседнюю звезду» экспериментально не до­казано существование ни одной черной дыры. Есть лишь кан­дидаты — объекты, обладающие аномально высоким гравита­ционным полем и другими приметами черной дыры (см. «Хи­мию и жизнь», 2005, № 8). Более того, в некоторых теориях, например в релятивистской теории гравитации, разрабатыва­емой академиком А.А.Логуновым и группой его соратников из Протвино, черные дыры вообще отсутствуют (см. «Успехи фи­зических наук», 2006, № 11). Стало быть, это гипотетический объект, существующий в ограниченном числе теорий. Откуда он может взяться в реальном эксперименте на Большом адронном коллайдере?

При ударе разогнанные протоны разлетаются на составляю­щие их партоны — кварки и какие-то другие частицы, пара из которых ввиду малого размера может оказаться в очень силь­ной близости друг от друга. В какой близости? В такой, что их суммарный объем и масса окажутся достаточными для пересе­чения сферы Шварцшильда, после чего вещество коллапсирует в черную дыру. Если большая часть выделившихся при стол­кновении 14 ТэВ энергии передастся этим двум партонам, то их масса будет значительна, ведь она равна энергии, деленной на квадрат скорости света. А вот их объем для такой массы вели­коват. Ведь даже для удвоенной массы разогнанных до 7 ТэВ протонов радиус сферы Шварцшильда составляет всего 10'51 м. Это очень мало, много меньше рассчитываемой из соотноше­ния неопределенности планковской длины (10'35 м), когда вооб­ще имеет смысл говорить о размерах. Никакой партон в такую сферу запихнуть нельзя, так что, казалось бы, историю с черны­ми дырами коллайдера на этом можно закончить. Именно так и обошлись с ней при изучении опасности Коллайдера тяжелых ионов в Брукхейвене (см., например, статью Р.Л.Яффе и его коллег из Массачусетсского технологического института, Йеля и Принстона за 2000 год, ArXiv.org: hep-ph/9910333v3).

Однако за прошедшее время появились новые аргументы, которые связаны с гипотезой о том, что у нашего мира есть дополнительные измерения помимо трех пространственных и одного временного.

Дыра в многомерном пространстве

Гипотеза многомерного мира появилась из-за нарушения гар­монии. Ученые не удовлетворены экспериментально зафик­сированным фактом: сила гравитации в 1034 раз слабее элек­тромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Если у мира есть дополнительные измерения, в которые не могут проникнуть ни материя, ни три взаимодействия, а вот грави­тационное туда уходит, тогда гармония будет восстановле­на. Проявляться эта сильная гравитация будет только на мас­штабах дополнительных измерений, а на больших масштабах будет действовать известный нам четырехмерный закон тя­готения Ньютона.

Чтобы убедиться в безопасности коллайдера в случае тако­го мира, нужно перейти от общих соображений к расчетам. И первый же вопрос: а сколько взять измерений и каков их мас­штаб? Это зависит от принятой модели. Их много, но рассмат­ривают две. В одной, предложенной Нимой Аркани-Хамедом, Савасом Димополусом и Гией Двали из Стэнфордского уни­верситета в 1989 году (см. arXiv:hep-ph/9803315v1), имеется не­сколько компактифицированных, то есть скрученных в цилиндр, скрытых измерений. В этой модели, называемой ADD по ини­циалам авторов, для пятимерного пространства отклонения от ньютоновской гравитации начинаются на масштабах Солнеч­ной системы (такой случай не учитывают, коль скоро считает­ся, что там-то привычный нам закон Ньютона уж точно работа­ет, управляя движением планет и звезд). В шестимерном мире масштаб оказывается между миллиметром и сотней микрон, для восьми измерений — десятки ангстрем, а для одиннадца­ти — порядка размера нуклона.

Альтернативную модель предложили Лиза Рэнделл из Принстонского университета и Раман Сандрам из Массачусетсско­го технологического института в 1999 году (см. arXiv:hep-th/ 9906064v1). У них измерение не свернуто, а бесконечно, но при этом скомкано с некоторым характерным радиусом кривизны. Имеющие экспериментальные данные позволяют утверждать, что если наш мир таков, то этот радиус не может быть больше нескольких десятков микрон.

Вот если предположить, что скрытые измерения существу­ют (а Большой адронный коллайдер придуман в том числе для того, чтобы доказать эту гипотезу), тогда силы многомерной гравитации сожмут гораздо больший объем и для черной дыры массой в несколько ТэВ радиус сферы Шварцшильда может оказаться больше планковской длины. Минимальная масса, не­обходимая для создания дыры, будет меняться в зависимости от параметров мира (значения которых неизвестны). Зато мож­но оценить последствия. Так, если эта минимальная масса ока­жется равной 5 ТэВ, тогда Большой адронный коллайдер дол­жен для случая десяти измерений изготавливать по одной дыре ежесекундно, а если 10 ТэВ — то по три штуки в день.

Излучение дыры

Возможное появление черной дыры, известной своей склон­ностью уничтожать материю, потребовало дополнительного обоснования безопасности экспериментов. Для этого снача­ла привлекли идею испарения черных дыр, выдвинутую Сти­веном Хокингом в 1976 году (после консультаций с академи­ком Я.Б.Зельдовичем и А.А. Старобинским). Механизм Хокин-га базируется на представлении о том, что в физическом ваку­уме постоянно рождаются пары всевозможных частиц и анти­частиц и мгновенно исчезают, превращаясь в ничто. В соот­ветствии с принципами квантовой механики, может так слу­читься, что частицы пары родятся по разные стороны горизон­та событий. Тогда одна из них упадет в дыру, а вторая, особен­но если это фотон (не подверженный притяжению дыры), уле­тит прочь, унося часть массы. Скорость испарения дыры, по Хокингу, обратно пропорциональна квадрату ее радиуса, и ма­лая дыра должна испариться почти мгновенно, оставив после себя ливень всевозможных частиц. Дыра, обладающая элект­рическим зарядом, большим некоторого критического значе­ния, или слишком быстро вращаеющаяся, или чрезмерно боль­шая испаряться не будет.

Не все уверены в правоте Хокинга. Вот, например, один из непримиримых противников коллайдера, Отто Рёслер из от­дела теоретической химии Тюбингенского университета, тот самый, который требовал и требует запретить деятельность коллайдера в судебном порядке, однако в 2008 году дело про­играл. Он высказал сомнения в справедливости гипотезы Хо­кинга, исходя из принципов теории относительности. В самом деле, если, по Эйнштейну, на горизонте событий дыры время останавливается, то зародившаяся там частица никогда несможет улететь прочь. На это ему справедливо возразил док­тор Герман Николаэ, директор Института гравитационной фи­зики Макса Планка: если частица не может улететь из-за оста­новившегося времени, то она не может и упасть и никакой дыры не будет, а вообще, этот спор был разрешен еще в 1913 году. У Рёслера в рукаве оказался еще один козырь: если дыра бу­дет расти, то возможен специфический механизм, который со­хранит ее заряд и, стало быть, сделает ее неиспаряемой. Суть его такова. Предположим, что два партона образовали враща­ющуюся черную дыру, которая близко подошла к ядру. За счет своей гравитации она втянет в себя один из кварков и приоб­ретет положительный заряд. За счет вращения этот заряд со­здаст магнитное поле. Увлеченный полем электрон выйдет на орбиту вокруг дыры и придаст ей эффективный отрицатель­ный заряд. Тогда без всяких предположений о многомерных мирах притяжение дыры к ядру увеличится за счет силы Куло­на на три десятка порядков, и она вырвет из него новый нук­лон. Потом новый электрон, еще один нуклон, и так до тех пор, пока вещества не останется. К сожалению, предложенный ме­ханизм роста дыры не обсуждается. Видимо, предполагается, что из-за механизма Швингера (родившаяся из вакуума за пре­делами сферы Шварцшильда частица с тем же зарядом, что и у дыры, оттолкнется от нее и улетит прочь, а с противополож­ным — упадет в дыру и нейтрализует заряд) дыра быстро по­теряет свой заряд, поэтому и обсуждать нечего. Однако для уверенности был проведен расчет роста неиспаряющейся дыры в веществе.

Дыра в веществе

После образования дыры из партонов можно насчитать пять этапов ее роста. Они связаны с изменением размера так на­зываемого эффективного радиуса взаимодействия. На первом этапе он определяется равенством силы многомерной грави­тации и сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри нуклона, а нуклоны — внутри ядра: если черная дыра оказывается так близко к нуклону, что тот попадает в пределы радиуса взаимодействия, из него будет выдернут кварк или целый нуклон и поглощен дырой.

На втором этапе дыра уже поглощает целые атомы, а радиус взаимодействи я определяется равенством силы многомерной гравитации и электрического взаимодействия ядра атома со своим окружением. На третьем этапе радиус взаимодействия превышает атомный размер: теперь дыра поглощает вещество целыми кусками (этот механизм Херман Бонди и сэр Фред Хойл из Кембриджа описали в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society», 1944, т. 104, с. 273, отчего он и получил название Бонди-аккреция). Если дыра растет в земной коре, то вещество на этом этапе течет к дыре со скоростью звука — около 5000 метров в секунду. Как это получается в реальнос­ти, не очень понятно: все-таки размер дыры измеряется нано­метрами и падающие в нее кубометры вещества в секунду чем-то напоминают верблюда, пытающегося пройти сквозь иголь­ное ушко, однако формулы дают именно такую безрадостную картину. На четвертом этапе дыра выходит за размер скрытых измерений, после чего ее величина перестает увеличиваться до тех пор, пока масса не станет достаточной, чтобы выполня­лось четырехмерное условие Шварцшильда. Затем следует от­носительно медленный рост под действием гравитации Нью­тона. Для разного числа измерений эта последовательность может изменяться, но не принципиально.

«Конечно, Бонди-аккреция — страшная штука. Но ведь дыра изначально такая маленькая, едва за планковскую длину пере­шагнула. Пройдут миллионы, а то и миллиарды лет, пока она дорастет до размера атома. Бояться нечего», — говорили не­которые исследователи, рассмотрев этот результат. Однако они поторопились. Стивен Гиддингс с Микеланджело Мангано из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в сентяб­ре 2008 года на сотне страниц (см. arXiv:0806.3381v2 [hep-ph]) подробно расписали, как будут себя вести неиспаряющиеся черные дыры в многомерном пространстве. Их расчет пока-

зал, что только для 11-мерного пространства радиус взаимо­действия дыры оказывается меньше размера нуклона, а для меньших размерностей он сразу же будет порядка ядра ато­ма. Поэтому возможны только два механизма роста — суба­томный и Бонди-аккреция. Впрочем, для 8—10-мерных про­странств черная дыра достигает атомного размера за сотни миллиардов лет и, стало быть, опасности не представляет.

Для шести и семи измерений ситуация иная: Бонди-аккре­ция для них начинается соответственно спустя несколько ча­сов и 10 тысяч лет после образования дыры. Это уже опасно. Для семи измерений масса по достижении предела Бонди со­ставляет 10 кг, для шести — гораздо меньше. Затем начнется переход к этапу ньютоновской гравитации, который закончит­ся поглощением планеты соответственно через сотни тысяч и десятки миллиардов лет. То есть если наш мир содержит пару дополнительных измерений, скрученных в цилиндры стомик­ронного диаметра, дыра будет опасной.

Иная картина получается при одном скомканном измере­нии. Если характерный размер кривизны этой скомканности оказывается на уровне 200 мкм, то всего за 5 миллисекунд будет достигнут предел Бонди, а спустя сто тысяч лет Земля исчезнет совсем. Уменьшение радиуса кривизны измерения в десять тысяч раз увеличивает этот срок до безопасных мил­лиардов лет.

Получив такой результат, теоретики перешли к обсуждению экспериментальных данных по космическим лучам. Ведь это те же самые потоки быстрых заряженных частиц, энергия ко­торых может быть и много меньше, и много больше, чем в кол-лайдере. Поэтому все возможные последствия столкновений уже давным-давно случились. А значит, само существование Земли, Солнца и звезд доказывает: образование опасных чер­ных дыр, а равно и других гипотетических объектов в столкно­вениях протонов и ядер химических элементов невозможно. Подробности этой аргументации отложим на конец статьи, а пока вернемся к черным дырам.

Метастабильная дыра

Так что же, расчет в сопровождении экспериментальных дан­ных позволяет закрыть тему черных дыр в коллайдере? Не по­зволяет. Изощренный ум исследователя способен предложить еще немало хитростей. Вот одна из них. Если в расчетах испа­ряющейся дыры использовать, как это принято в термодинами­ке, канонический ансамбль Гиббса, то есть систему, которая обменивается энергией с окружающей средой и пребывает с ней в тепловом равновесии, то дыра должна испаряться быст­ро. А что, если применить другой проверенный метод — микро­канонический ансамбль, когда система со средой теплом не обменивается? Тогда закон испарения черной дыры изменит­ся. Этот вариант рассмотрели Роберто Касадио и Бенджамин Хармс соответственно из университетов Болоньи и Алабамы в статье от 2002 года (arXiv:hep-th/0110255v2). У них получилось, что, до тех пор пока дыра не достигнет размера скрытого изме­рения, она испаряется слабо, а потом начинает работать в пол­ную мощность. Ну, испаряется — и хорошо, какая от этого мо­жет быть опасность, если дыра гарантированно исчезнет?

Опасность обнаружил отставной немецкий астрофизик Рай-нер Плага. Он взял экстремальное значение параметра теории многомерного мира — одно дополнительное скомканное из­мерение с радиусом кривизны 44 мкм, что, по мнению Каса­дио и Хармса, представляет собой наибольший эксперимен­тально разрешенный радиус, и провел расчет. Получилось, что изначально дыра будет иметь размер порядка диаметра ядра атома и очень скоро, за доли миллисекунды, дорастет до пре­дела Бонди. Затем пойдет, в соответствии с формулами Гид-дингса и Мангано, рост со скоростью в десятки тонн за секун­ду, и за 2,2 миллисекунды дыра дорастет до килограмма. При этом ее размер превысит радиус кривизны и дыра начнет ис­паряться, испуская излучение Хокинга. Предполагается, что набор составляющих его частиц зависит от размера дыры, но никто пока что экспериментально эту догадку проверить несмог. Поскольку дырой все еще управляют законы многомер­ной гравитации, скорость ее испарения огромна — полкило материи в секунду. Поток излучения Хокинга сталкивается с набегающим на дыру потоком вещества, и может так получить­ся, что давление обоих потоков сравняется. Это так называе­мый предел Эддингтона, и, по расчетам Плаги, он наступает для принятых параметров мира при весе дыры примерно в один килограмм. В результате дыра переходит в метастабильное состояние и может пребывать в нем миллионы миллиардов лет. Если опять вспомнить формулу Эйнштейна Е = тс2, то полки­лограмма в секунду превратятся в десятки миллионов милли­ардов ватт энергии, что сопоставимо с общим потоком сол­нечного тепла, падающего на Землю, и в тысячу раз больше потока тепла, идущего из глубины Земли. Конечно, так полу­чится при условии, что вся масса, испаренная дырой, превра­тится в безмассовые кванты энергии, а не в частицы вещества. В противном случае выделение чистой энергии будет меньше. Меньше оно (равно как и время жизни дыры) станет и при мень­шем радиусе гипотетического пятого измерения. В космосе такую дыру, если она возникла из столкновения космических лучей, заметить на фоне звезд очень трудно, а на Земле она может наделать немало бед, первой из которых станет взрыв самого коллайдера вместе с Женевой.

К сожалению, ответ Гиддингса и Мангано (см. arXiv: 0808.4087v1) Плаге в августе 2008 года получился не очень убе­дительным, поскольку они взяли формулу Хокинга для испа­рения четырехмерной дыры и получили для дыры Плаги выде­ление энергии порядка одного милливатта. Плага же настаи­вает, что рассчитанная им дыра излучает по пятимерному за­кону Касадио и Хармса, который дает скорость испарения на много порядков большую, и советует работникам ЦЕРНа очень осторожно увеличивать мощность ускорителя, внимательно анализируя все странные события, которые в нем происходят.



-------------------------

Нередко даже в больших магазинах наподобие Техносилы и учреждениях, покупатели сталкиваются с несправедливостью и даже мошенничеством, последствия которых приходится преодолевать в судебном порядке. Избежать этого можно узнав от людей, которые прошли уже в том или ином месте обслуживание. На сайте "Книга жалоб" создается уникальная база данных отзывов. Здесь можно узнать Техносила отзывы http://knigazhalob.ru/, билайн отзывы и отзывы из других известных учреждений. Учавствуйте  - ведь от вашего голоса успех этого предприятия зависит не меньше чем от остальных людей.

 

aD