Мощные столкновения частиц могут привести к появлению черных дыр рядом с вами
Подумайте о черной дыре. Никто никогда не наблюдал их напрямую, но есть вероятность, что вы представляете себе какое-то гигантское угольно-черное существо, которое находится далеко-далеко и ненасытно поглощает любую материю или свет, которые приближаются к нему. Некоторые физики, чья работа включает в себя размышления о черных дырах, придумали еще одну возможность. Они предполагают, что очень маленькие и легкие версии этих экзотических объектов могут формироваться прямо над нашими головами, когда частицы сверхвысокой энергии, называемые космическими лучами, из космоса сталкиваются с атомами или молекулами в атмосфере. Эти недавно созданные черные дыры затем быстро распадутся, безвредно обрушив субатомные частицы на нашу планету и на нас самих.
«Возникновение черных дыр в небе - очень захватывающая возможность», - говорит теоретик Джонатан Л. Фенг из Калифорнийского университета в Ирвине. Если это окажется правдой, некоторые ученые говорят, что они смогут массово производить черные дыры на коллайдерах частиц.
Если любая из этих перспектив осуществится, мир физики перевернется с ног на голову, говорят многие ученые. Это потому, что открытие крошечных локальных черных дыр подтвердит одну из самых диковинных идей, циркулирующих в сообществе физиков в наши дни, - что мы живем во Вселенной с поддающимися обнаружению измерениями за пределами трех пространственных и одного временного, к которым мы привыкли. (SN: 19.02.00, стр. 122: Охота за высшими измерениями).
По этой и другим причинам шансы на то, что идеи о маленьких локальных черных дырах окажутся верными, очень малы, говорит Фрэнк Уилчек из Массачусетского технологического института (MIT). Он высмеивает предсказания, называя их «крайне спекулятивными».
Не испугавшись перспективного статуса своих идей, некоторые исследователи в настоящее время готовятся зарегистрировать признаки крошечных черных дыр, сначала путем поиска характерных потоков частиц, которые, как они предполагают, являются миниатюрными черными дырами в космосе. атмосфера сработает.
Если эти поиски не увенчаются успехом, физики нового мощного коллайдера, который, как ожидается, начнет работать в 2007 году, будут следующими в очереди на получение приза за то, что они первыми наблюдали черную дыру. В этом случае крошечные черные дыры образовались бы в результате лобовых столкновений сверхвысоких энергий между протонами. Некоторые теоретики считают, что черные дыры могут появиться даже в первый день работы так называемого Большого адронного коллайдера, который сейчас строится недалеко от Женевы. Но если экзотические объекты не появятся тогда или позже, даже их отсутствие может преподать ученым важные уроки о природе Вселенной.
Комната на локтях
Это может звучать как научная фантастика, но представление о том, что мы живем во вселенной с дополнительными невидимыми измерениями, имеет долгую историю в теоретической физике. Почти 90 лет назад финский физик Гуннар Нордстрем ввел понятие пятого измерения как способ лучше понять тогдашнюю новую концепцию четырехмерного пространства-времени. Десять лет спустя шведский физик Оскар Кляйн, опиравшийся на идеи математика Теодора Калуцы из Германии, использовал эту концепцию для объединения сил электромагнетизма и гравитации в рамках единой теории.
Поиски по объединению этих двух взаимодействий усложнились позже в этом столетии, когда ученые открыли еще два - слабое взаимодействие, которое управляет радиоактивным распадом атомов, и сильное взаимодействие, которое соединяет протоны и нейтронов в атомные ядра.
С 1970-х годов научный интерес к дополнительным измерениям резко возрос, когда физики разработали то, что сейчас известно как теория струн. Эта теория, также называемая М-теорией, постулирует, что вся материя и энергия состоят из мучительно мельчайших нитей, называемых струнами, и мембранных сущностей, называемых бранами. Если такие объекты существуют, то каждая точка в нашей кажущейся четырехмерной Вселенной представляет собой крошечный объем с шестью или семью дополнительными измерениями. Теория утверждает, что эти объемы настолько малы, что 10 триллионов триллионов из них могут поместиться в пространстве, занимаемом одним атомом. К сожалению, такая крошечность сделала бы эти размеры необнаружимыми современными методами.
Около 4 лет назад трое теоретиков выступили со смелым предложением. Возможно, некоторые из этих дополнительных измерений не были так тесно ограничены, предположили Савас Димопулос из Стэнфордского университета, Нима Аркани-Хамед, ныне работающий в Калифорнийском университете в Беркли, и Георгий Двали, ныне работающий в Нью-Йоркском университете. Учитывая, что никакие экспериментальные данные не исключают такой возможности, дополнительное измерение может быть даже относительно большим, как миллиметр в радиусе, или размером примерно с маковое зернышко, утверждали они.
В этой новой гипотезе так называемых больших дополнительных измерений содержится возможное решение давней загадки: почему гравитация намного слабее других взаимодействий? В попытке решить этот вопрос гипотеза поднимает замечательную возможность существования крошечных черных дыр прямо по соседству с нами. Все дело в том, насколько тщательно ученые изучают гравитацию.
Хотя электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия сравнимы по силе друг с другом, они настолько же мощнее, чем гравитация, насколько гора больше, чем одно из этих фантастически крошечных дополнительных измерений теории струн.
Чтобы преодолеть этот огромный разрыв, Димопулос и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что существуют не только большие дополнительные измерения, но и гравитация - единственная сила, которая пронизывает все измерения. Следовательно, «гравитация на самом деле не такая уж слабая, - объясняет Грег Ландсберг из Университета Брауна в Провиденсе, Род-Айленд. Скорее, - мы чувствуем ее так слабо, потому что гравитация на самом деле существует во многих измерениях…. Гравитация разбавляется этим огромным дополнительным пространством, которое мы не чувствуем».
Наоборот, на масштабах длины, не намного меньших, чем маковое зернышко предложенных, относительно больших дополнительных измерений, гравитация будет действовать с силой, сравнимой с силой других сил, говорит Фэн, который также из Массачусетского технологического института. Другими словами, гравитация стала бы настоящим зверем в этих очень узких границах дополнительных измерений. Эта чрезвычайно усиленная сила, обычно скрытая от нашего четырехмерного зрения, может сжать материю и энергию в крохотные черные дыры.
Wilczek отмечает, что, экстраполируя то, что уже известно в физике, теоретики показали, что такое увеличение силы гравитации может произойти. Однако это будет происходить только в действительно крошечных масштабах, а не в макроскопических, как предложил Димопулос и его коллеги.
Также беспокоит, говорит Вилчек, то, что существование больших дополнительных измерений не согласуется с некоторыми открытиями в экспериментальной физике и космологии. «Есть различные уловки и уловки, которые вы можете попробовать», чтобы объяснить эти несоответствия, - говорит он, - «но это действительно сложно». Например, экспериментаторы не нашли доказательств того, что протоны могут спонтанно распадаться. Тем не менее, теория больших дополнительных измерений подразумевает, что такие распады уже были бы обнаружены, утверждает он.
Димопулос не согласен. Поскольку дополнительные измерения позволяют частицам взаимодействовать друг с другом новыми способами, распад протона «определенно не является проблемой», утверждает он. Он утверждает, что хотя гипотеза о больших дополнительных измерениях не может точно согласовываться со всем, что известно в физике, она делает примерно то же самое, что и другие передовые теории физики элементарных частиц.
Непростая задача
Как правило, в физике элементарных частиц энергии соответствуют размерам: чем меньше размер, который нужно исследовать, сталкивая частицы, тем выше требуется энергия ускорителя. Но математика гипотезы больших дополнительных измерений не диктует точно, какого размера должны быть дополнительные измерения. Итак, Димопулос и его коллеги выбрали размер, приблизительно соответствующий энергии столкновения - примерно триллион электрон-вольт - которого коллайдеры частиц только начинают достигать.
Без этого выбора возникает дразнящая возможность того, что лишь небольшое повышение чувствительности в одних экспериментах или скромное повышение уровня энергии в других может открыть совершенно другую область физики, чем та, которую мы сейчас наблюдаем. знать. Если да, то «это будет великолепно», - говорит Мария Спиропулу из Чикагского университета. «Мы увидим все, что угодно», включая маленькие черные дыры.
В журнале Physical Review Letters от 15 октября 2001 года Ландсберг и Димопулос предсказали, что Большой адронный коллайдер может создавать черную дыру каждую секунду. Примерно в то же время прошлой осенью другая пара исследователей независимо друг от друга пришла к аналогичным выводам.
Производство таких черных дыр не представляет опасности, утверждает Андреас Рингвальд из Немецкой лаборатории электронного синхротрона в Гамбурге, Германия. Если черные дыры действительно будут образовываться в будущих коллайдерах, это будет означать, что они также неустанно появляются и исчезают в атмосфере на протяжении миллиардов лет. Люди «не должны бояться», - призывает Рингвальд. Фэн также отмечает, что маленькие черные дыры слишком быстротечны, чтобы что-то поглотить.
Поражены возможностью создания черных дыр в коллайдере, который скоро будет запущен, и соблазнены возможностью того, что детекторы космических лучей смогут превзойти Большой адронный коллайдер в разы - Фенг и Альфред Д. Шапер из Университета Кентукки в Лексингтоне рассчитал скорость образования атмосферных черных дыр из космических лучей. Космические лучи будут создавать несколько атмосферных черных дыр где-то в атмосфере Земли каждую минуту, сообщают Фенг и Шапер в журнале Physical Review Letters от 14 января.
Этого достаточно, говорят они, для огромного нового детектора космических лучей под названием Обсерватория Пьера Оже, которая сейчас строится в Аргентине, чтобы обнаруживать десятки черных дыр каждый год. Другие исследования, проведенные учеными, в том числе Фенгом и Рингвальдом, показывают, что некоторые существующие нейтринные обсерватории также могут служить детекторами атмосферных черных дыр.
В поисках
Непосредственное обнаружение любой черной дыры было бы важной вехой. Хотя большинство астрофизиков убеждены в существовании космических черных дыр, они могут сделать вывод о существовании объектов только на основании таких свидетельств, как движение ближайших звезд и газа и наличие струй материи или излучения. Однако вырисовывается вероятность того, что гравитационная рябь в самой ткани пространства-времени, вызванная огромными астрономическими черными дырами, может быть зарегистрирована в ближайшие несколько лет детекторами гравитационных волн (SN: 08.01.00, стр. 26)..
Микроскопические черные дыры выдают свое присутствие по-другому. Ученые говорят, что несмотря на репутацию черных дыр, которые не пропускают даже свет (отсюда и их чернота), причуда квантовой механики заставляет их излучать так называемое излучение Хокинга, которое заставляет их испаряться. Более того, это излучение усиливается по мере того, как испаряющаяся черная дыра сжимается.
В то время как типичная астрономическая черная дыра будет излучать мало света и лишь медленно испаряться, появится микроскопическая черная дыра примерно в 1000 раз тяжелее протона, которая затем взорвется всего за 10 -27seconds - это одна миллиардная одной миллиардной одной наносекунды.
На Большом адронном коллайдере каждый взрыв новой рукотворной черной дыры должен «освещать детектор, как рождественская елка», - говорит Ландсберг. Всплеск будет выделяться отчасти потому, что микрочерные дыры будут одними из самых высокоэнергетических объектов, которые когда-либо наблюдались на коллайдере. Их гибель также была бы примечательной из-за необычного созвездия частиц, которые вылетели бы наружу, добавляет он. Некоторые другие исследователи, однако, подозревают, что распад черных дыр может оказаться труднее выделить из обломков менее экзотических столкновений, которые происходят в миллион раз чаще.
Фэн ожидает, что микрочерные дыры легко обнаружить в атмосфере. Признаком, который нужно искать, будут потоки частиц, которые распространяются меньше, чем потоки обычных космических лучей. Это связано с тем, что удары, которые, скорее всего, приведут к появлению черных дыр, будут вызваны нейтрино сверхвысоких энергий - предсказанным, но еще не обнаруженным типом космических лучей, - которые очень мало взаимодействуют с другим веществом и, следовательно, проникают в атмосферу глубже, чем другие космические лучи.. По словам Фэна, черные дыры будут формироваться так же низко, как траектории коммерческих самолетов. Таким образом, образующиеся потоки частиц будут распространяться менее интенсивно, чем типичные потоки.
В ближайшие несколько лет ученые настроятся на эти и другие возможные сигналы как местных, так и далеких черных дыр. Если им действительно повезет, они обнаружат тонкую рябь от далеких черных дыр, встроенных в известное нам пространство-время, возможно, даже предательские выбросы частиц из микрочерных дыр, скрытых в скрытых измерениях прямо над их головами.