Научный взгляд на устройство вселенной

218 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
них коллайдеров. В конце концов, черные дыры воплощают в себе 
главенство гравитации, тогда как сила тяготения любой известной 
нам частицы пренебрежимо мала — гораздо меньше, чем связан-
ные 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 дотя-
гивают до необходимых энергий. Однако черные дыры во Вселен-
ной все же существуют — более того, они, судя по всему, имеются 
в центрах большинства крупных галактик. Но энергия, необходи-
мая 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 гра-
витация могут оказаться совершенно не такими, как то, что мы 
до сих пор наблюдали. Так, сила тяготения может распространять-
ся 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 про-
демонстрировали заметного влияния ни в одном из опытов, сде-
ланных 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 обо-
снование; мало того, она, возможно, сумеет объяснить необычай-
ную слабость известного нам гравитационного взаимодействия. 
Не исключено, что в многомерном мире гравитация сильна, а в на-
шем 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 много-
мерного пространства слаба. Мы пока не знаем, верны ли подоб-

О ЧЕРНЫХ ДЫРАХ, КОТОРЫЕ ПОГЛОТЯТ ВЕСЬ МИР 219
ные теории. С ними пока далеко не все ясно, но они принадлежат 
к числу тех, в которые эксперименты на БАКе, возможно, внесут 
определенность.
В сценариях, связанных с этими теориями, подразумевается, 
что при исследовании малых расстояний, на которых могут про-
явиться эффекты дополнительных измерений, может проявиться 
совершенно новая для нас сущность гравитационного взаимодей-
ствия. Теории, предусматривающие существование дополнитель-
ных измерений, предполагают, что физические свойства Вселен-
ной на больших энергиях и малых расстояниях, которые мы скоро 
сможем исследовать, должны измениться. Если причина некото-
рых наблюдаемых явлений кроется в многомерности Вселенной, 
то гравитационные эффекты на энергиях БАКа должны оказаться 
намного сильнее, чем считалось ранее. Если так, то и результаты 
экспериментов на БАКе будут определяться не только тем тяготе-
нием, которое мы знаем, но и гораздо более сильным тяготением 
Вселенной с дополнительными измерениями.
При такой силе тяготения нельзя исключить, что протоны ког-
да-нибудь столкнутся в крохотной области и концентрация энер-
гии в ней достигнет уровня, необходимого для рождения много-
мерных черных дыр. Если эти черные дыры просуществуют до-
статочно долго, они начнут всасывать в себя вещество и энергию. 
А черная дыра, занимающаяся этим бесконечно, действительно 
опасна. Именно такой катастрофический сценарий предлагали 
алармисты.
К счастью, однако, классический расчет черных дыр — тот, 
что опирается исключительно на теорию гравитации Эйнштей-
на — не последнее слово в науке. На счету Стивена Хокинга много 
достижений, но одно из прославивших его открытий заключается 
в том, что квантовая механика дает веществу, попавшему в ло-
вушку черной дыры, надежду на избавление. Квантовая механика 
допускает дегенерацию и гибель черных дыр.
Поверхность черной дыры горяча, причем ее температура 
зависит от массы дыры. И черные дыры излучают, как горячие 
угольки, посылая энергию во всех направлениях. При этом дыра 
продолжает поглощать все, что к ней приближается, но согласно 

220 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
законам квантовой механики частицы испаряются с ее поверх-
ности и уносят энергию прочь, то есть потихоньку отнимают ее 
у черной дыры. Благодаря этому процессу даже крупная черная 
дыра может со временем излучить всю свою энергию и исчезнуть.
Энергии БАКа в лучшем случае еле-еле хватит для возникно-
вения черной дыры, так что образоваться там смогут (если во-
обще смогут!) только очень маленькие черные дыры. Небольшая 
по размеру и чрезвычайно горячая черная дыра — а в БАКе мо-
гут возникнуть именно такие объекты — скорее всего, исчезнет 
мгновенно. Дегенерация, вызванная излучением Хокинга, эффек-
тивно и полностью истощит ее. Поэтому, даже если черные дыры 
действительно возникнут в БАКе, они просуществуют слишком 
мало, чтобы нанести какой бы то ни было вред. Большие черные 
дыры испаряются медленно, но крохотные черные дыры теряют 
всю свою энергию почти мгновенно. В этом отношении, кстати 
говоря, они ведут себя достаточно странно. Большинство объек-
тов — угольки, к примеру — остывают по мере излучения. Черные 
дыры, наоборот, нагреваются, и самые высокие температуры име-
ют самые маленькие дыры, поэтому и излучают они эффективнее 
других.
Я принадлежу к племени ученых, поэтому все в моем рассказе 
должно быть безупречно. Технически в приведенном мною дово-
де, основанном на излучении Хокинга и дегенерации черных дыр, 
существует лазейка. Мы до конца понимаем устройство только 
достаточно больших черных дыр — в этом случае нам известны 
в точности все уравнения, описывающие их гравитационную си-
стему. Хорошо известные и проверенные законы тяготения обе-
спечивают черным дырам надежное математическое описание. 
Однако у нас нет настолько же достоверной информации о том, 
что представляют собой очень маленькие черные дыры. В этом 
случае в игру уже вступает квантовая механика — не только 
при описании испарения черных дыр, но и при описании самой 
природы этих объектов.
Никто не знает наверняка, как решать уравнения, в которых 
и квантовая механика, и гравитация играют существенную роль. 
Пока лучшая попытка физиков сделать это — теория струн, но мы 

О ЧЕРНЫХ ДЫРАХ, КОТОРЫЕ ПОГЛОТЯТ ВЕСЬ МИР 221
до конца не понимаем все ее следствия. Это означает, что в этой 
картине мира могут еще выявиться белые пятна. Крохотные дыры 
вряд ли будут вести себя точно так же, как большие черные дыры, 
свойства которых мы выводим при помощи классической тео-
рии гравитации. Может быть, маленькие черные дыры исчезают 
не с той скоростью, с какой мы ожидаем.
Но даже это — не слишком серьезная прореха в нашей карти-
не. Понятно, что опасность могут представлять только те дыры, 
которые способны расти. Те же, которые не в состоянии поглотить 
достаточно вещества, проблем создать не смогут. Единственный 
потенциальный риск — ситуация, в которой крохотные черные 
дыры, прежде чем испариться, смогут вырасти до опасных раз-
меров. Но, даже не зная в точности, что представляют собой кван-
товые черные дыры, мы можем оценить время их жизни. Оно 
настолько меньше того, которое требуется черной дыре, чтобы 
стать опасной, что даже обсуждать всерьез это нельзя. Поведение 
маленьких черных дыр не должно сильно отличаться от поведе-
ния знакомых нам нестабильных тяжелых частиц. Точно так же, 
как эти частицы, маленькие черные дыры должны очень быстро 
распадаться.
Однако некоторых по-прежнему беспокоило, что вывод Хокин-
га, хоть и не противоречит ни одному из известных законов приро-
ды, все же может оказаться неверным, а черные дыры — полностью 
стабильными. В конце концов, излучение Хокинга никто никогда 
не видел, поскольку известные черные дыры излучают слишком 
слабо и их излучение невозможно зарегистрировать имеющими-
ся у нас средствами. Физики весьма скептически — и справед-
ливо — относятся к этим возражениям, потому что в противном 
случае им пришлось бы отказаться не только от излучения Хокин-
га, но и от множества других доказанных аспектов физических 
теорий. Более того, рассуждения, на основании которых сделан 
вывод об излучении Хокинга, предсказывают и другие явления, 
которые ученым уже приходилось наблюдать, и это дает нам до-
полнительную уверенность в их обоснованности.
Тем не менее излучение Хокинга никто пока не видел. Поэто-
му, чтобы стопроцентно застраховаться от ошибок, физики зада-

222 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
ли себе вопрос: если излучения Хокинга не существует и черные 
дыры, которые, возможно, возникнут в БАКе, окажутся стабиль-
ными, то будут ли они представлять опасность?
К счастью, относительно безопасности черных дыр существу-
ет весьма сильное доказательство. Причем рассуждения здесь ни-
как не связаны с вопросом о том, испаряются ли черные дыры; 
кроме того, эти рассуждения не теоретические, а напротив, ос-
нованы исключительно на наблюдениях. В июне 2008 г. два фи-
зика, Стив Гиддингс и Микеланджело Мангано, а вслед за ними 
и Группа оценки безопасности БАКа опубликовали на основании 
эмпирических данных подробные статьи, в которых убедительно 
исключили любые катастрофические сценарии, связанные с чер-
ными дырами*. Гиддингс и Мангано рассчитали частоту, с кото-
рой во Вселенной могли бы рождаться черные дыры, и влияние, 
которое они должны были бы оказать на окружающий нас мир, 
если бы были стабильными. Авторы заметили, что хотя здесь, 
на Земле, мы пока не умеем получать энергии, необходимые 
для возникновения черных дыр, в космосе такие энергии наблю-
даются довольно часто. Существуют космические лучи — высо-
коэнергетические частицы, — которые довольно часто сталкива-
ются с другими объектами. Мы не имеем возможности подробно 
изучить результаты этих встреч, как изучаем результаты экс-
периментальных столкновений, но можно с уверенностью ска-
зать, что многие из них происходят с энергией по крайней мере 
не меньшей, чем в БАКе.
Таким образом, если теории, связанные с дополнительными 
измерениями, верны, то черные дыры могут возникать внутри 
любых астрономических объектов — даже Земли или Солнца. 
Гиддингс и Мангано рассчитали, что в некоторых системах (ча-
стота образования черных дыр зависит от числа дополнительных 
измерений) черные дыры увеличиваются слишком медленно 
и не представляют опасности: даже через миллиарды лет развития 
черные дыры в большинстве своем остаются крохотными. В дру-
гих моделях черные дыры могут поглотить достаточно вещества 
* http://lsag.web.cern.ch / lsag / LSAG-Report.pdf. 

О ЧЕРНЫХ ДЫРАХ, КОТОРЫЕ ПОГЛОТЯТ ВЕСЬ МИР 223
и стать крупными, но обычно они несут на себе электрический 
заряд. Если бы они и в самом деле представляли опасность, то, 
зародившись внутри Земли или Солнца, оказались бы в ловушке, 
и оба названных объекта давно исчезли бы. А раз Земля и Солнце 
вроде бы остаются на месте, то получается, что заряженные чер-
ные дыры — даже те, что стремительно поглощают вещество — 
не могут представлять опасности.
Таким образом, единственным потенциально опасным сцена-
рием остается тот, в котором черные дыры не несут заряда, но мо-
гут расти достаточно быстро, чтобы представлять угрозу. В этом 
случае гравитационное притяжение Земли — единственная сила, 
способная замедлить их экспансию — оказалось бы недостаточ-
но сильным и не смогло бы их остановить. Такие черные дыры 
могли бы пройти Землю насквозь, и мы уже не можем ссылаться 
на существование Земли, делая выводы об их потенциальной опас-
ности. Однако Гиддингс и Мангано исключили и эту возможность, 
потому что другие, гораздо более плотные астрономические объ-
екты — а именно нейтронные звезды и белые карлики — облада-
ют достаточным гравитационным притяжением, чтобы захватить 
и остановить черные дыры.
Космические лучи со сверхвысокой энергией при столкнове-
нии с веществом плотных звезд с сильным гравитационным полем 
давно уже породили бы черные дыры именно того типа, которые 
потенциально могут возникнуть в коллайдере. Нейтронные звез-
ды и белые карлики намного тяжелее Земли — их плотность на-
столько велика, что одной силы тяжести хватило бы, чтобы оста-
новить черную дыру и удержать ее внутри. Если бы черные дыры 
действительно рождались при таких столкновениях и к тому же 
представляли бы опасность, они давно уничтожили бы эти объ-
екты — а мы достоверно знаем, что они существуют миллиарды 
лет. К тому же на небе их много — а значит, черные дыры, если 
и существуют, то опасности определенно не представляют. Даже 
если они появлялись, то, должно быть, исчезали почти мгновен-
но — или в худшем случае оставляли после себя крохотные безо-
бидные стабильные следы. У них просто не хватило бы времени 
нанести какой-либо вред.

224 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
В дополнение к сказанному следует заметить, что в процес-
се поглощения вещества и уничтожения космических объектов 
черные дыры испускали бы большое количество видимого света, 
который никто никогда не видел. Существование Вселенной в том 
виде, какой мы ее знаем, и отсутствие каких бы то ни было сиг-
налов, свидетельствующих о разрушении белых карликов, — это, 
на мой взгляд, весьма убедительное доказательство того, что чер-
ные дыры, родившиеся в БАКе, безопасны. Состояние Вселенной 
позволяет нам сделать вывод о том, что Земле от родившихся 
в БАКе черных дыр ничего не угрожает.
Можете вздохнуть с облегчением. А я тем не менее продолжу 
тему черных дыр — на этот раз с собственной точки зрения — точ-
ки зрения человека, который работает в близкой области и зани-
мается, в частности, темой дополнительных пространственных 
измерений, необходимых для рождения низкоэнергетических 
черных дыр.
Я заинтересовалась этим вопросом давно, еще до того, 
как пресса раздула тему черных дыр в Большом адронном коллай-
дере. У меня во Франции есть друг и коллега, работавший пре-
жде в Европейском центре ядерных исследований. Теперь он за-
нят в проекте под названием Auger* и изучает космические лучи 
при их прохождении через атмосферу в направлении земной по-
верхности. Он жаловался мне на то, что БАК отнимает у других 
исследователей ресурсы, которые позволили бы изучать те же 
энергетические диапазоны не в коллайдере, а непосредственно 
в составе космических лучей. Но, поскольку эксперименты с кос-
мическими лучами намного менее управляемы и точны, чем экс-
перименты в искусственной среде, то единственными событиями, 
которые там можно зафиксировать, были бы те, что оставляют по-
сле себя автограф: к примеру, испаряющиеся черные дыры.
Вместе с Патриком Мидом, работавшим тогда в Гарварде, мы 
решили вычислить число подобных событий, которые им, воз-
можно, удастся зарегистрировать. Тщательные расчеты показали, 
что их намного меньше, чем в первоначальном прогнозе физи-
* Назван в честь французского физика Пьера Виктора Оже. — 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: