Лиза Рэндалл. «Достучаться до небес»

Мы начнем обсуждение с черных дыр в Большом адронном коллайдере и с того, почему они удостоились куда большего внимания, чем заслуживали.

В настоящее время физики рассматривают множество вариантов того, что сможет в конце концов породить БАК. В 1990-е гг. теоретики и экспериментаторы с особым удовольствием рассматривали новый тип сценариев, по которым при рабочих энергиях БАКа должны изменяться не только свойства частиц, но и сама гравитация. Одно интересное потенциальное следствие из этих теорий привлекло широкое внимание общественности, особенно далекой от физики. Речь идет о возникновении микроскопических низкоэнергетических черных дыр. Такие многомерные черные дыры, действительно, могут возникнуть, если верными окажутся предположения о дополнительных пространственных измерениях, высказанные, в частности, Раманом Сандрамом и мною. Физики оптимистично предполагают, что рождение таких черных дыр станет подтверждением теорий о модифицированной гравитации.

Однако все восприняли подобные предсказания с энтузиазмом! И в США, и в других странах нашлись люди, которых всерьез обеспокоила перспектива того, что появившиеся таким образом черные дыры могут всосать в себя все на Земле. На публичных лекциях меня часто спрашивали о таком сценарии развития событий. Я объясняла, почему такой опасности не существует. К несчастью, не все имели возможность узнать об этом из первых рук.

Сегодня Уолтер Вагнер — директор ботанического сада на Гавайских островах и юрист по образованию. А когда-то ему приходилось заниматься и ядерной безопасностью. Вместе с испанцем Луисом Санчесом, автором альтернативной теории времени, Вагнер стал одним из самых воинствующих алармистов. Эти двое зашли так далеко, что подали в суд штата Гавайи иск против Европейского центра ядерных исследований, Министерства энергетики США, Национального научного фонда и американского ускорительного центра Фермилаб, пытаясь остановить пуск коллайдера. Если бы их целью было всего лишь затягивание пуска БАКа, то, пожалуй, проще было бы пустить голубя, который сбросил бы сверху на коллайдер кусок булки и тем самым причинил массу неприятностей и задержек (такая история, кстати, действительно имела место, но птица, судя по всему, сделала это по собственной инициативе). Но Вагнеру и Санчесу хотелось добиться полного запрета на пуск БАКа.

Вагнер и Санчес были не единственными, кого беспокоили черные дыры. Другой юрист, адвокат Гарри Леманн, написал книгу, в которой всерьез обсуждалось, кто окажется «крайним» на случай, если коллайдер засосет в себя всю Землю. В ней он собрал, кажется, все существующие опасения на этот счет. Блог, посвященный этой теме, сосредоточился в основном на страхах, связанных со взрывом 2008 г., и на вопросе, можно ли вновь пускать эту страшную машину. Опасались авторы блога, правда, не технических неполадок и новой катастрофы, такой же или еще более серьезной, как 19 сентября, а тех реальных физических явлений, которые могли возникнуть в рабочем тоннеле БАКа.

Воображаемые угрозы, которые Леманн и многие другие связывали с БАКом, сосредоточились на черных дырах, которые, как они полагали, могут целиком поглотить нашу планету. Паникеры жаловались на то, что в исследовании Группы оценки безопасности проекта БАКа отсутствует надежная оценка рисков в сфере квантовой механики, и вспоминали высказывание Ричарда Фейнмана и других физиков о том, что «никто до конца не понимает квантовую механику». Алармисты задавались вопросом: можно ли рисковать Землей ради любой, сколь угодно великой цели, даже если риск считается крохотным, и кто должен брать на себя груз ответственности за такое решение.

Хотя, конечно, мгновенная гибель Земли — бесспорный повод для тревоги, на самом деле последний вопрос был бы более уместен в дискуссии, к примеру, о глобальном потеплении. Содержание этой и следующей глав, я надеюсь, полностью убедит вас в том, что лучше озаботиться более насущными проблемами (к примеру, обесцениванием ваших пенсионных накоплений), чем страдать по поводу возможного исчезновения Земли в черной дыре. Хотя нарушение графика работ и бюджетные проблемы породили определенный риск для БАКа, теоретические соображения вкупе с исследованиями продемонстрировали всем, что насчет черных дыр можно не волноваться.

Поясню, чтобы не оставалось недомолвок: все сказанное не означает, что вопрос вообще не следовало задавать. Ученые должны предвидеть возможные опасности, которые могут возникнуть в результате их действий. Но в вопросе о черных дырах физики пришли к выводу, что реальных поводов для тревог нет. Прежде чем перейти к более детальному обсуждению рисков, я хочу поговорить о том, почему люди вообще задумались о черных дырах в коллайдере и почему страхи конца света были в конечном счете беспочвенными. То, о чем пойдет речь в этой главе, несущественно не только для нашей темы в целом, но даже и для следующей главы, в которой я расскажу, что будет исследовать БАК. Но на этом примере можно продемонстрировать, как думают физики, и подготовить почву для последующего более широкого рассмотрения рисков.

Черные дыры — это объекты с таким сильным гравитационным притяжением, что все, что случайно или намеренно к ним приближается, попадает в ловушку. Что бы ни попало в пределы радиуса черной дыры, известного как горизонт событий, захватывается ею и навсегда остается внутри. Даже свет подпадает под действие громадного гравитационного поля черной дыры. Ничто не может выйти из черной дыры наружу. Любой объект, встретившись с черной дырой, становится ее частью, потому что законы гравитации неумолимы и «сопротивление бесполезно».

Черная дыра образуется в том случае, когда в небольшом объеме собирается достаточно вещества, чтобы тяготение стало доминирующей силой. Размеры области, в которую необходимо поместить все вещество для образования черной дыры, зависят от количества вещества, то есть от его массы. Небольшую массу придется собирать в соответствующий небольшой объем, а большую можно распределить по несколько большему пространству. Так или иначе, когда плотность повышается до громадных величин, а критическая масса оказывается внутри соответствующего объема, сила тяготения становится непреодолимой — и формируется черная дыра. В классической теории (то есть в соответствии с расчетами, сделанными без оглядки на квантовую механику) черные дыры растут, поглощая близлежащее вещество. Кроме того, согласно той же классической теории черные дыры никогда не испаряются и не исчезают.

До 1990-х гг. никто не думал о создании черных дыр в лаборатории, ведь минимальная масса, необходимая для этого, громадна по сравнению с массой обычной частицы или с энергией тогдашних коллайдеров. В конце концов, черные дыры воплощают в себе главенство гравитации, тогда как сила тяготения любой известной нам частицы пренебрежимо мала — гораздо меньше, чем связанные 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 дотягивают до необходимых энергий. Однако черные дыры во Вселенной все же существуют — более того, они, судя по всему, имеются в центрах большинства крупных галактик. Но энергия, необходимая 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 гравитация могут оказаться совершенно не такими, как то, что мы до сих пор наблюдали. Так, сила тяготения может распространяться 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 продемонстрировали заметного влияния ни в одном из опытов, сделанных 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 обоснование; мало того, она, возможно, сумеет объяснить необычайную слабость известного нам гравитационного взаимодействия. Не исключено, что в многомерном мире гравитация сильна, а в нашем 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 многомерного пространства слаба. Мы пока не знаем, верны ли подобные 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 проявиться эффекты дополнительных измерений, может проявиться совершенно новая для нас сущность гравитационного взаимодействия. Теории, предусматривающие существование дополнительных измерений, предполагают, что физические свойства Вселенной на больших энергиях и малых расстояниях, которые мы скоро сможем исследовать, должны измениться. Если причина некоторых 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 тяготением, которое мы знаем, но и гораздо более сильным тяготением Вселенной с дополнительными измерениями.

При такой силе тяготения нельзя исключить, что протоны когда-нибудь столкнутся в крохотной области и концентрация энергии в ней достигнет уровня, необходимого для рождения многомерных черных дыр. Если эти черные дыры просуществуют достаточно 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 Эйнштейна — 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 ловушку 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 законам квантовой механики частицы испаряются с ее поверхности 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 возникновения черной дыры, так что образоваться там смогут (если вообще смогут!) только очень маленькие черные дыры. Небольшая по размеру и чрезвычайно горячая черная дыра — а в БАКе могут возникнуть именно такие объекты — скорее всего, исчезнет мгновенно. Дегенерация, вызванная излучением Хокинга, эффективно 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 объектов — угольки, к примеру — остывают по мере излучения. Черные дыры, наоборот, нагреваются, и самые высокие температуры имеют 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 доводе, 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 систему. Хорошо известные и проверенные законы тяготения обеспечивают 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 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 теории гравитации. Может быть, маленькие черные дыры исчезают не с той скоростью, с какой мы ожидаем.

Но даже это — не слишком серьезная прореха в нашей картине. 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 размеров. Но, даже не зная в точности, что представляют собой квантовые 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 поведения 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 Хокинга, хоть и не противоречит ни одному из известных законов природы, 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 имеющимися у нас средствами. Физики весьма скептически — и справедливо — относятся к этим возражениям, потому что в противном случае им пришлось бы отказаться не только от излучения Хокинга, 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 дополнительную уверенность в их обоснованности.

Тем не менее излучение Хокинга никто пока не видел. Поэтому, чтобы стопроцентно застраховаться от ошибок, физики задали себе вопрос: если излучения Хокинга не существует и черные дыры, которые, возможно, возникнут в БАКе, окажутся стабильными, то будут ли они представлять опасность?

К счастью, относительно безопасности черных дыр существует весьма сильное доказательство. Причем рассуждения здесь никак не связаны с вопросом о том, испаряются ли черные дыры; кроме того, эти рассуждения не теоретические, а напротив, основаны исключительно на наблюдениях. В июне 2008 г. два физика, 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 черными дырами*. Гиддингс и Мангано рассчитали частоту, с которой 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 наблюдаются довольно часто. Существуют космические лучи — высокоэнергетические частицы, — которые довольно часто сталкиваются с другими объектами. Мы не имеем возможности подробно изучить результаты этих встреч, как изучаем результаты экспериментальных столкновений, но можно с уверенностью сказать, 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 (частота 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 других моделях черные дыры могут поглотить достаточно вещества 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 черные дыры — даже те, что стремительно поглощают вещество — не могут представлять опасности.

Таким образом, единственным потенциально опасным сценарием остается тот, в котором черные дыры не несут заряда, но могут расти достаточно быстро, чтобы представлять угрозу. В этом случае гравитационное притяжение Земли — единственная сила, способная замедлить их экспансию — оказалось бы недостаточно 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 опасности. Однако Гиддингс и Мангано исключили и эту возможность, потому что другие, гораздо более плотные астрономические объекты — а именно нейтронные звезды и белые карлики — обладают достаточным гравитационным притяжением, чтобы захватить и остановить черные дыры.

Космические лучи со сверхвысокой энергией при столкновении с веществом плотных звезд с сильным гравитационным полем давно уже породили бы черные дыры именно того типа, которые потенциально могут возникнуть в коллайдере. Нейтронные звезды и белые карлики намного тяжелее Земли — их плотность настолько велика, что одной силы тяжести хватило бы, чтобы остановить 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 объекты — 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 мгновенно — или в худшем случае оставляли после себя крохотные безобидные стабильные следы. У них просто не хватило бы времени нанести какой-либо вред.

В дополнение к сказанному следует заметить, что в процессе 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 сигналов, свидетельствующих о разрушении белых карликов, — это, на мой взгляд, весьма убедительное доказательство того, что черные 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 — точки зрения человека, который работает в близкой области и занимается, 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 коллайдере. У меня во Франции есть друг и коллега, работавший прежде в Европейском центре ядерных исследований. Теперь он занят в проекте под названием Auger* и изучает космические лучи при их прохождении через атмосферу в направлении земной поверхности. 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 космическими лучами намного менее управляемы и точны, чем эксперименты в искусственной среде, то единственными событиями, которые там можно зафиксировать, были бы те, что оставляют после себя автограф: к примеру, испаряющиеся черные дыры.

Вместе с Патриком Мидом, работавшим тогда в Гарварде, мы решили вычислить число подобных событий, которые им, возможно, удастся зарегистрировать. Тщательные расчеты показали, что их намного меньше, чем в первоначальном прогнозе физиков. Нас не тревожила перспектива катастрофических событий ни на Земле, ни в космосе, и вы, я надеюсь, согласитесь, что реальной угрозы с этой стороны не существует.

Когда мы убедились, что проект Auger не обнаружит никаких черных дыр, даже если объяснение определенных явлений в физике частиц посредством дополнительных измерений верно, нам захотелось проверить предсказания некоторых физиков о том, что в БАКе черные дыры будут появляться регулярно и в большом количестве. Мы выяснили, что и эти предположения ошибочны. Хотя при приблизительных оценках действительно получалось, что в таких сценариях БАК будет порождать многочисленные черные дыры, наши расчеты показали, что на самом деле все обстоит иначе.

Нас с Патриком не тревожила перспектива образования опасных черных дыр. Мы хотели понять, смогут ли в БАКе образоваться маленькие, безобидные, стремительно испаряющиеся многомерные черные дыры (по которым можно было бы судить о существовании гравитации высших измерений). У нас получилось, что это будет происходить очень редко, если вообще будет. Разумеется, возникновение крохотных черных дыр, если оно возможно, стало бы фантастическим подтверждением теории, которую предложили мы с Раманом. Но я как ученый обязана уважать научные расчеты. Наши результаты не позволяли нам ожидать слишком многого. Мы с Патриком (как и большинство остальных физиков) не надеемся, что в коллайдере будут формироваться даже совсем маленькие черные дыры.

Именно так устроена наука. У кого-то возникает идея, он прорабатывает ее грубо и приближенно, а затем через какое-то время сам он или кто-то другой возвращается к этой идее вновь и проверяет детали. Тот факт, что первоначальную гипотезу после дополнительной проверки пришлось переработать, не свидетельствует о ее несовершенстве — это всего лишь признак того, что наука — дело сложное, а прогресс в ней часто достигается небольшими шажками. На промежуточных этапах иногда делаются самые разные поправки, и лишь потом мы окончательно останавливаемся на лучшем варианте — теоретически и экспериментально. Как ни печально, мы с Патриком не успели закончить вычисления вовремя и предотвратить тем самым шумиху в прессе, связанную с черными дырами, а также упомянутый в начале главы судебный иск.

Мы понимали, однако, что в коллайдере — вне зависимости от того, появятся ли там черные дыры — будут появляться другие интересные свидетельства высокоэнергетического взаимодействия частиц, которые сообщат нам что-то важное о фундаментальной природе взаимодействий и гравитации. И, возможно, мы сумеем при достаточно низких энергиях получить свидетельства в пользу существования высших измерений. До тех пор, пока мы не увидим этих экзотических явлений, нечего и надеяться на появление черных дыр. Но не исключено, что эти другие сигналы сами по себе смогут прояснить для нас некоторые аспекты гравитации.

Эта работа поясняет еще одну важную особенность науки. Хотя при переходе от одного масштаба к другому парадигмы иногда сдвигаются достаточно резко, в экспериментальных данных подобных сдвигов не наблюдается практически никогда. Иногда уже полученные данные предваряют сдвиг парадигмы (к примеру, когда квантовая механика в конце концов объяснила давно известные спектральные линии). Но часто небольшие отклонения данных, полученных в ходе активных экспериментов, от предсказанных величин служит лишь прелюдией к появлению куда более впечатляющих свидетельств. Даже опасные приложения научных знаний появляются постепенно. В каком-то смысле ученых действительно можно обвинить в наступлении эры ядерного оружия, но нельзя сказать, что кто-то из них вдруг, неожиданно, открыл атомную бомбу. Для ее создания недостаточно было понять, что масса эквивалентна энергии. Физикам пришлось много работать, чтобы привести вещество во взрывоопасную форму.

Черные дыры вызывали бы тревогу, если бы могли вырасти до гигантских размеров, а расчеты и наблюдения показывают, что этого не произойдет. Но даже если бы это было возможно, сначала о гравитационном сдвиге ученым сказали бы крохотные черные дыры или по крайней мере то гравитационное воздействие на столкновение частиц, о котором только что говорилось.

В качестве итога повторю еще раз: черные дыры не представляют никакой опасности. Но на всякий случай имейте в виду: я готова взять на себя полную ответственность, если черная дыра, возникшая в Большом адронном коллайдере, поглотит нашу планету. А пока вы можете последовать примеру моих первокурсников и заглянуть на сайт Has the Large Hadron Collider destroyed the earth yet?