Может ли БАК создать губительную для Земли черную дыру?

Одним из мест, олицетворяющих все это, является Большой адронный коллайдер (БАК) при ЦЕРН, на котором мы начали сталкивать протоны при самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых в ускорителе элементарных частиц. Пару лет назад мы побили старый рекорд — 2 ТэВ , который был установлен Лабораторией Ферми — разогнав частицы до 3,5 ТэВ и столкнув их между собой, достигнув 7 ТэВ общей энергии. Это открытие не только позволило нам не только создать огромное число неуловимых фундаментальных частиц (топ-кварка, W- и Z-бозонов), но и открыть совершенно новую фундаментальную частицу, последнюю из неоткрытых частиц Стандартной модели: бозон Хиггса.

Обновленный БАК позволяет нам набрать порядка 13-14 ТэВ общей энергии. Если нам повезет, внушительное число столкновений на таких энергиях, в сочетании с невероятными детекторами, позволит нам создать и открыть никогда ранее не виденные частицы в этой лаборатории. И, конечно, это открывает целый простор для невероятных (и совершенно несуразных) заявлений, как то:

«Ученые на Большом адронном коллайдере надеются скоро войти в контакт с ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ВСЕЛЕННОЙ».

«Большой адронный коллайдер бросает вызов теории Большого Взрыва».

«Игры со Вселенной могут уничтожить нас: созданные на БАК черные дыры нас поглотят».

И если первые два — это совсем чушь, неверно переданная научная информация, третье заявление сеет страх среди населения, поднимая свою уродливую голову всякий раз, когда БАК начинает работать.

Откуда же ноги растут у этой чуши? Давайте выясним.

Существует ряд теорий, которые предсказывают существование дополнительных измерений. Не только трех пространственных и одного временного, которые, как мы знаем, присущи нашему четырехмерному пространству-времени, но и как минимум еще одного пространственного измерения в нашей Вселенной. И хотя мы не можем получить доступ к этим измерениям при доступных нам энергиях, считается, что в масштабах, которые меньше тех, с которыми мы имели дело — и соответствуют более высоким энергиям — эти дополнительные измерения существуют.

И если эти дополнительные измерения существуют, есть также теоретическая возможность, что можно создать крошечные, миниатюрные, микроскопические черные дыры!

Сделай мы это, мы бы совершили невероятный технологический и научный подвиг, который навсегда изменил бы наше представление о Вселенной. Но когда вы говорите «черная дыра», люди мгновенно (и не зря) представляют себе катастрофическую картину чего-то, засасывающего материю любого рода, пожирая протоны, нейтроны, электроны нашего мира и уничтожая все и вся.

Но это невозможно по трем причинам. Давайте разберемся.

1. Если эти миниатюрные черные дыры существуют, то они попадали на Землю миллиарды лет, и Земля все еще вертится.

Конечно, мы никогда не создавали частиц с такой энергией в лабораторных условиях прежде. Но на самых высоких уровнях энергий — энергиях более чем в сто миллионов раз (100 000 000) выше, чем те, с которыми мы работаем на БАК — частицы постоянно сталкиваются с Землей: это космические лучи, которые бомбардируют нас со всех космических направлений.

Эти черные дыры, если бы они существовали, бомбардировали бы Землю (и все планеты) на протяжении всей истории нашей Солнечной системы, а также Солнце, и нет ничего, что указывало бы на то, что хоть какое-либо тело в Солнечной системе стало черной дырой или было ею съедено.

И тут вы можете возразить, мол, эти объекты движутся слишком быстро и поэтому просто пролетают через Землю, съедая слишком мало материи, чтобы оставаться внутри, и вылетают в межгалактическое пространство. В таком случае вас должна успокоить вторая причина.

2. Если вы действительно создадите миниатюрную черную дыру, она распадется вследствие излучения Хокинга, причем очень и очень быстро.

Если существуют дополнительные измерения, можно предположить, что они могут быть определенного типа, позволяя (опять же, редко, но метко) сформироваться микроскопическим черным дырам. Такая черная дыра будет обладать в лучшем случае массой, эквивалентной энергии протон-протонного столкновения, до 13-14 ТэВ. По формуле E=mc2 это соответствует массе в 5 х 10-20 граммов, и, вероятнее всего, еще меньше.

Но даже если у вас будут дополнительные измерения нужных масштабов, а также правильного типа, и вы сделаете эту черную дыру, останется проблема: она будет нестабильной. Благодаря законам квантовой механики, эта черная дыра распадется в процессе излучения Хокинга. Для черной дыры массой в 5 х 10-20 граммов, время распада в трех измерениях составит порядка 10-83 секунд, это даже существованием назвать сложно. Чтобы физика имела смысл, нужно время хотя бы в 10-43 секунд или дольше. Переводя в массу черной дыры, она должна весить хотя бы 0,00002 грамма, чтобы получить шанс на существование.

В четырех измерениях, впрочем, особенно если одно «дополнительное» будет большим, время распада будет 10-23 секунд. Но чтобы воспрепятствовать ожидаемому распаду этой миниатюрной черной дыры, вам нужно выбросить известные законы физики. А эти законы так хорошо установлены, что нет ни малейшей вероятности их опровергнуть — это как проснуться с утра и увидеть солнце встающим на западе.

Но допустим, что есть новые законы физики, которых мы пока не знаем, и эти черные дыры внезапно станут стабильными. Вы делаете черную дыру — крошечную такую — в центре Земли, и она не распадается. Поглотит ли она Землю? И если да, то как быстро? Это приводит нас к третьему и последнему условию, и не забывайте: мы уже дважды отринули известные законы физики ради того, чтобы сделать этот бред возможным.

3. Вы можете рассчитать, с какой скоростью черная дыра поглощает материю, и даже близко не подберетесь к сроку существования нашей планеты.

Мы привыкли считать, что черные дыры «засасывают» материю, но, по правде говоря, они могут взаимодействовать с ней лишь гравитационно. При массе в 5 х 10-20 граммов, эта гравитационная сила будет чрезвычайно малой: все, что она сможет сделать, это проходить через центр Земли снова и снова, ожидая столкновения с элементарной частицей. Поскольку поперечное сечение нашей черной дыры очень маленькое, а поперечное сечение протона (или нейтрона) очень большое, можно предположить — чтобы спасти аргумент, — что всякий раз при столкновении черная дыра будет поглощать протон или нейтрон.

Если допустить, что она поглощает каждый протон, нейтрон или электрон, с которым вступает в контакт — и принимать во внимание ее гравитацию, чтобы понять, что она притягивает, — она будет поглощать порядка 66 000 протонов и нейтронов в секунду. Конечно, 66 000 протонов и нейтронов — это мелочи с точки зрения массы: 1,1 х 10-25 граммов. Такой темп роста будет постоянным, пока черная дыра не станет довольно большой; только при массе в миллиард метрических тонн черная дыра будет расти быстрее, поскольку ее поперечное сечение увеличится. Захватывая 66 000 нуклонов в секунду, как долго, думаете, черная дыра будет набирать килограмм? Три триллиона лет. За это время погаснет Солнце — даже Вселенная столько не существует.

Так что, даже если вы сделаете черную дыру и даже если законы физики неверны, а черная дыра будет жить вечно, она будет безвредной. Независимо от того, сколько законов физики мы отбросим, пересмотрим или изменим, Земля все равно будет в порядке.

Поэтому не бойтесь. Мы стараемся исследовать мир совершенно безопасным способом. Любые опасения могут быть развеяны — достаточно обратиться к ученым и спросить. Они ведь тоже не безумные.


Илья Хель