Конструктор черных дыр

[[smart]]

Автор: Роман Георгиев

...This is the 21st Century
I heard everything you said
The Universe demystified
Astronomy instead...

Marillion, 'This Is the 21st Century'

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider - LHC), он же Большой адронный ускоритель на встречных пучках - амбициознейший проект по созданию гигантского ускорителя частиц, с помощью которого будут проводиться фундаментальные эксперименты, связанные со сверхпроводимостью, высокими энергиями и ещё, бог знает, чем.

Одна из последних статей про чёрные дыры вызвала бурный отклик на форумах на тему "нужна ли нам чёрная дыра на Земле", как раз потому, что в конце статьи приводилась информация об одном из готовящихся экспериментов - моделированию чёрной дыры в этом самом LHC.

Довольно странно полагать, что кто-то сейчас позволил бы проводить решительно непредсказуемые эксперименты с материей и высокими энергиями, если бы существовала сколько-нибудь серьёзная угроза жизни на Земле - времена не те, равно как и технологии.

Впрочем, всё новое имеет обыкновение пугать. А LHC действительно обещает быть чем-то новым.

Строящийся на границе Франции и Швейцарии, к востоку от Женевы, у подножья Юрских гор, Большой адронный коллайдер будет представлять из себя кольцевой ускоритель заряженных частиц на встречных пучках с кольцом длиной в 26,65 км.

"Зачем это нужно?" Дело, прежде всего, в длине кольца, в котором будет осуществляться разгон частиц до сверхвысоких скоростей, и соответственно, сверхвысоких энергий столкновений. Создавая такие условия и изучая процессы, происходящие при них, учёные надеются получить сведения о самых фундаментальных законах физики частиц.

Как гласит уведомление на сайте проекта LHC, "всё указывает на то, что при энергиях в районе 1 ТэВ (тераэлектронвольт) речь идёт о новой физике, и именно там скрываются ответы на некоторые самые фундаментальные вопросы нашего времени".

Строительство Большого адронного коллайдера - международное предприятие, в котором принимает участие и Российская Федерация, осуществляется под эгидой CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - Европейский совет по ядерным исследованиям).

Вторая мировая война в огромной степени помешала развитию физики и других фундаментальных наук в Европе, в то время как в США, державе, от Второй мировой не слишком пострадавшей, наука в изрядной степени продвинулась вперёд. В частности, как написано на сайте LHC, в Америке началось строительство крупных ускорителей частиц, а отдельные эксперименты уступили крупным научным предприятиям, в которые входили десятки и сотни учёных и инженеров (собственно говоря, к 1945 году, как известно, Штаты обладали атомной бомбой, которой и не преминули воспользоваться против Японии и в назидание остальным).

В Европе, что называется, "опомнились" довольно быстро. Стало очевидно, что, несмотря на всю славу и традиции наиболее знаменитых европейских университетов, ни одна европейская держава не сможет добиться реального научного прорыва в одиночку. В 1950 году совет ЮНЕСКО принял постановление-рекомендацию относительно создания общеевропейской организации по научным исследованиям, и спустя менее трёх лет 12 стран подписали конвенцию о создании CERN.

Сейчас CERN ассоциируется, в первую очередь, с ускорителями частиц. Первым был протонный коллайдер Intersecting Storage Rings (ISR), запущенный в действие в 1971 году и протонно-антипротонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron), запущенный в 1981 году. С помощью него удалось доказать объединённую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий.

В 1996 году на электронно-позитронном ускорителе LEP (Large Electron-Positron Collider) удалось достичь энергии столкновения в 90 ГэВ (гигаэлектронвольт), открыв совершенно новую область в науке. Однако строили LEP, что называется, "с запасом". В частности, данные, получаемые с LEP, настолько точны, что они дают представление о явлениях, проходящих при энергиях, превышающих энергию самого ускорителя. Таков "предварительный" взгляд издалека на будущие открытия.

Большой адронный коллайдер (LHC) будет частично использовать уже существующую инфраструктуру того же самого LEP, выключенного в 2000 году: его 27-километровый туннель, а также источники частиц и предускорители. При этом LHC будет снабжён самыми передовыми технологиями ускорения и лучшим в мире сверхпроводящим магнитом (по крайней мере, на момент его запуска, теперь планирующегося на 2006-2007 годы; ранее ожидалось, что запуск будет осуществлён в 2005 году).

Эксперименты, которые собираются проводить на LHC, ориентированы на искусственное воссоздание явлений, которые пока предсказаны лишь теориями. "Впрочем, не стоит упускать из виду и вероятность сюрпризов, так что от физиков и инженеров требуются колоссальное мастерство и изобретательность".

Предполагается, что на LHC удастся достичь энергии столкновения пучков протонов до энергий порядка 7 ТэВ на 7 ТэВ, электронно-протонные пучки будут сталкиваться с энергиями до 1,5 ТэВ, а пучки тяжёлых ионов (например, свинца) сталкиваться с общей энергией свыше 1250 ТэВ, что в 30 раз больше, чем на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider), который сейчас строит у себя Брукхейвенская лаборатория в США.

А теперь самое интересное.

Все эти колоссальные значения энергии, так сказать, "вполне подходят" для проведения одного исключительной важности эксперимента. Точнее, речь идёт о подтверждении теории, согласно которой при тераэлектронновольтных энергиях и в условиях соответствующей гравитации происходит образование чёрных дыр.

Так вот, касательно вопроса их опасности: упомянутый в предыдущей статье Стивен Хокинс, автор чуть ли ни всех ныне существующих концепций чёрных дыр, сделал ключевое для понимания физики этих объектов открытие - чёрные дыры неизбежно испаряются со временем. Даже самые крупные из них.

Крупные - медленно, за миллиарды лет. А вот мелкие...

Мелкие исчезают моментально, за 10-17 секунд, и, соответственно, у них просто нет времени на то, чтобы втянуть в себя хоть сколько-нибудь существенный объём материи.

Зато, испаряясь, они оставят после себя некое излучение, которое можно будет обнаружить с помощью сверхчувствительной аппаратуры LHC.

Ещё несколько лет назад профессор Стивен Джиддингс, профессор физики в Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре вместе со своим коллегой, Скоттом Томасом из Стэнфордского университета, пояснили в своей работе, что при "тэраэлектронновольтной гравитации" возникают чёрные дыры. По словам Джиддингса, единственный известный сценарий появления чёрных дыр связан с возникновением новых измерений в пространстве-времени, а следовательно, в теории, учёные, добившись возникновения чёрных дыр, получат возможность изучать именно эти дополнительные измерения, от чьих характеристик зависят и характеристики чёрных дыр. Звучит фантастично, но это, по-видимому, пока лишь издержки недостаточного знания.


В общем и целом, ожидается, что чёрные дыры в LHC будут возникать приблизительно каждую секунду, исчезая, как уже сказано, за такие короткие сроки, что никакой опасности представлять не будут даже в теории.

Зато с их помощью удастся лучше понять, как между собой соотносятся квантовая механика и гравитация, ведь испарение чёрных дыр является квантовомеханическим процессом. Наблюдать это в космосе не представляется возможным в силу того, что гигантские чёрные дыры испаряются слишком медленно, а микроскопические - пойди поищи. Остаётся лишь создавать их искусственно. Изучение их эволюции очень многое прояснит в области фундаментальных физических процессов в нашей Вселенной.

И последнее. Джиддингс, помимо всего прочего, заявил: "Если природа позволит нам и вправду создавать чёрные дыры в ускорителях, это будет также означать, что они (чёрные дыры) должны возникать и тогда, когда космические лучи бомбардируют земную атмосферу".

Если это так, то, кажется, вопрос "нужна ли нам чёрная дыра на Земле" немного теряет в весе, не так ли?

source: computerra

[CEO]

Пока в Европе только строят этот чудо-коллайдер и собираются экспериментировать с черными дырами в США такие эсперименты уже ведутся. Например, в Брукхэвенской национальной лаборатории США была созданна черная дыра, просуществовавшая 10 в минус 23-й степени секунды. Объект был идентифицирован благодаря свойственной "настоящим" черным дырам способности к поглощению частиц. Микроскопическая черная дыра возникла при столкновении двух ионных пучков золота, проводившемся на ускорителе сверхтяжелых релятивистских ионов RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider). Ученые считают, что при этом образовалась кварк-глюонная плазма -- материя, из которой состояла Вселенная в первые 20-30 миллисекунд после Больщого Взрыва.
Температура внутри кварк-глюонной плазмы была в 300 миллионов раз выше, чем на поверхности Солнца. Черная дыра, истинный радиус которой -- 1,14*10 в минус 14-й степени метра -- оказалась во много раз меньше атомного, поглотила в 10 раз больше частиц, чем было предсказано теоретически. После ее распада "исчезнувшая" материя "вернулась" в виде пи-мезонов, по поведению которых ученые смогли судить о характеристиках странного объекта.