Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Если предположить, что вся энергия от столкновения пучков протонов мощностью 14 ТэВ пойдет на создание черной дыры, она будет иметь массу почти в 14 тысяч раз большую, чем масса протона, или около 2 × 10−20 граммов. Так вот, многочисленные команды физиков и наблюдательных комитетов проанализировали целую гору литературы по этому вопросу, опубликовали свои результаты и пришли к выводу, что нам просто не о чем беспокоиться. Вы хотите знать, почему, не так ли? Справедливо. Хорошо, вот их аргументы.

Во-первых, сценарии, по которым БАК получит достаточно энергии для создания таких крошечных черных дыр (известных как черные микродыры), зависят от теории так называемых дополнительных измерений, которая по сей день считается спекулятивной, если не сказать больше. Эта теория выходит далеко за рамки того, что было когда-либо и как-либо подтверждено экспериментально. Так что начнем с того, что даже вероятность создания черных микродыр исключительно эфемерна.

Очевидно, некоторых людей беспокоит, что эти черные микродыры каким-то образом могут оказаться стабильными «аккреторами» – объектами, которые способны собирать материю, втягивать ее в себя и расти, – и начнут пожирать близлежащую материю, а со временем и Землю. Но если бы стабильные черные микродыры существовали, они бы уже были созданы чрезвычайно высокоэнергетическими космическими лучами (которые действительно существуют), врезающимися в нейтронные звезды и белых карликов, – где они и поселялись бы. А поскольку белые карлики и нейтронные звезды стабильны на временной шкале в сотни миллионов, если не миллиардов лет, то, судя по всему, внутри них никаких крошечных черных дыр нет. Иными словами, стабильные черные микродыры, по всей видимости, не несут для человечества никакой угрозы.

Без теории дополнительных измерений черные дыры с массой менее 2 × 10−5 граммов (масса Планка) вообще не могли бы быть созданы. И (пока) не существует раздела физики, который мог бы заняться изучением черных дыр такой малой массы; для этого необходима теория квантовой гравитации, а ее тоже не существует. Значит, вопрос, каким был бы радиус Шварцшильда черной микродыры массой 2 × 10−20 граммов, также лишен смысла.

Кроме того, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут испаряться, причем чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она испарится. Черные дыры массой в 30 солнечных масс испаряются примерно за 1071 лет. У сверхмассивной черной дыры в один миллиард солнечных масс на это уйдет около 1093 лет! Тут вы можете спросить, а сколько же времени будет испаряться черная микродыра массой 2 × 10−20 граммов? Отличный вопрос, но никто вам не него не ответит: теория Хокинга не работает в отношении черных дыр массой меньше массы Планка. Но, просто чтобы удовлетворить ваше любопытство, скажу, что жизнь черной дыры массой 2 × 10−5 граммов длится около 10−39 секунд. Иными словами, на их испарение уходит меньше времени, чем на создание. Словом, их появление на свет попросту невозможно. Так что у нас действительно нет никаких причин беспокоиться о черных микродырах массой 2 × 10−20 граммов, которые может создать БАК.

Я понимаю, что это не помешало людям обращаться в суд, добиваясь отказа от запуска БАК. Однако меня сильно беспокоит огромная пропасть между учеными и остальной частью человечества, и наше неумение объяснить людям, чем мы на самом деле занимаемся. Даже несмотря на то что некоторые лучшие физики в мире изучили этот вопрос и вполне доходчиво растолковали, почему БАК не угрожает человечеству, журналисты и политики выдумывают новые сценарии и продолжают раздувать общественные страхи на пустом месте. Что ж, на определенном уровне научная фантастика оказывается мощнее и влиятельнее, чем наука.

По-моему, в мире нет ничего более странного и загадочного, чем черная дыра. Нейтронные звезды хотя бы дают о себе знать своей поверхностью. Нейтронная звезда, по сути, говорит: «Я здесь и могу показать вам, что у меня есть поверхность». А у черной дыры нет даже поверхности, и она ничего не излучает (кроме излучения Хокинга, которого никто никогда не наблюдал).

Почему некоторые черные дыры, окруженные плоским кольцом материи, известным как аккреционный диск (см. следующую главу), испускают чрезвычайно высокоэнергетические струи частиц перпендикулярно к плоскости аккреционного диска, хотя и не изнутри горизонта событий, – одна из величайших неразгаданных тайн Вселенной. Посмотрите на изображение этого зрелища: www.wired.com/wiredscience/2009/01/spectacular-new/.

Все сведения о внутренности черной дыры в рамках горизонта событий нам приходится получать исключительно благодаря математическим вычислениям. Поскольку ничто не может выйти из черной дыры, мы не получаем об ее «интерьере» никакой фактической информации – некоторые физики с юмором называют это «космической цензурой». Черная дыра спрятана внутри собственной пещеры. После того как вы переваливаете через горизонт событий, вам оттуда уже никогда не выбраться – вы даже не можете послать оттуда сигнал. Оказавшись за горизонтом событий сверхмассивной черной дыры, вы бы даже не знали, что уже там. Там нет ни границы, ни рва, ни стены, ни уступа, через который надо переступить, чтобы оказаться внутри. Когда вы пересекаете этот горизонт, ничто в вашем локальном окружении резко не меняется. Несмотря на всю релятивистскую физику, посмотрев на часы, вы не увидите, что они остановились либо начали идти быстрее или медленнее.

Но для кого-то, кто смотрит на вас с расстояния, ситуация будет совершенно иной. Он видит не вас, его глаза принимают ваше изображение, уносимое светом, которое покидает ваше тело и поднимается вверх, к выходу из гравитационного колодца черной дыры. По мере приближения к горизонту колодец становится все глубже. Свет должен затрачивать все больше энергии, чтобы выбраться из колодца, и испытывает все большее и большее гравитационное красное смещение. Все испускаемое электромагнитное излучение смещается в сторону все более длинных волн (более низких частот). Вы кажетесь все краснее и краснее, а потом и вовсе исчезаете, поскольку излучение смещается ко все более и более длинным волнам, таким как инфракрасный свет, а затем к все удлиняющимся радиоволнам, и как только вы пересекаете горизонт событий, длины всех волн становятся бесконечностью. Таким образом, еще до того, как вы переступите порог черной дыры, для удаленного наблюдателя вы, по сути, уже исчезли.

Он видит также нечто совершенно непредвиденное: свет распространяется медленнее, когда выходит из области, близкой к черной дыре! Однако это не нарушает постулатов относительности: локальные наблюдатели вблизи черной дыры всегда видят свет, распространяющийся с одной и той же скоростью с (300 тысяч километров в секунду). Но удаленные наблюдатели оценивают скорость света как меньшую, чем с. Вашему изображению, уносимому светом, который вы излучаете (или отражаете) в сторону удаленного наблюдателя, требуется больше времени, чтобы до него добраться, чем если были бы вы находились не вблизи черной дыры. Это приводит к одному весьма любопытному последствию: наблюдатель видит, как по мере приближения к горизонту вы замедляетесь! По сути, ваше изображение добирается до него все больше и больше времени, поэтому все связанное с вами видится в замедленном движении. Для наблюдателя на Земле ваша скорость, ваши движения, ваши наручные часы, даже ваш пульс замедляются по мере приближения к горизонту событий и полностью останавливаются к моменту, когда вы его достигаете. Если бы не тот факт, что свет, который покидает вас вблизи горизонта, становится невидимым из-за гравитационного красного смещения, наблюдатель увидел бы вас «застывшим» на поверхности горизонта навеки.

Для простоты я не учитываю тут доплеровский сдвиг, который будет огромным из-за вашей постоянно увеличивающейся скорости по мере приближения к горизонту событий. В сущности, как только вы его пересекаете, вы начинаете двигаться со скоростью света. (Для наблюдателя на Земле эффект этого доплеровского сдвига будет похож на эффект гравитационного красного смещения.)

После того как вы пересечете горизонт событий и больше не сможете общаться с внешним миром, вы все равно будете видеть, что происходит там, снаружи. Световые лучи, поступающие из-за пределов горизонта событий, из-за гравитации будут сдвигаться к более высоким частотам и более коротким длинам волн, так что вы увидите Вселенную, смещенную в фиолетовую область. (То же самое и по той же причине случилось бы, если бы вы могли стоять на поверхности нейтронной звезды.) Тем не менее, поскольку вы падаете с огромной скоростью, внешний мир будет двигаться от вас и, следовательно, одновременно будет наблюдаться и красное смещение (как следствие эффекта Доплера). И что же получится в результате? Что победит – фиолетовое смещение или красное? Или победителей не будет?