27-й Международный семинар по фундаментальным проблемам физики высоких энергий и теории поля

Три дня (23-25 июня) в признанном центре российской физики    на ускорителях – Государственном научном центре РФ «Институт физики высоких энергий» проходила работа традиционного, уже 27-го по счету Международного совещания по фундаментальным проблемам физики высоких энергий и теории поля. Участвовали несколько десятков физиков-теоретиков из университетов и институтов Москвы, Санкт-Петербурга, Йошкар-Олы, подмосковных Дубны, Черноголовки и, естественно, наибольшая по численности «команда хозяев поля» из гостеприимного города физиков Протвино. Международный «колорит» обеспечивали небольшие делегации из Азербайджана, Казахстана, США и Испании. Организаторы предложили участникам для выступлений тему, как нельзя более экзотическую – «Чёрные дыры на Земле и в космосе».

Казалось бы, что общего между физикой микромира, которой занимаются ученые на ускорителях заряженных частиц, и загадочными межзвездными образованиями с этим страшноватым названием – «чёрная дыра»? Но это только на первый взгляд. А для физиков-теоретиков дистанции между микро- и макрокосмосом не существует уже давно. Совершим для понимания небольшой экскурс в историю явления.

В 1916 году немецкий ученый Карл Шварцшильд впервые получил точное решение уравнений недавно появившейся общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна для движения частиц и света в поле тяготения и ввел понятие критического, или «гравитационного» радиуса тела, при котором свет не может выйти за пределы этого радиуса. Это было фактически первое математически сформулированное описание физической ирреальности, получившей затем название «черной дыры». К сожалению, Шварцшильд не смог продолжать работу над темой, поскольку умер в том же 1916 году, не дожив немного до своего 43-летия. Его работу продолжили исследователи 2-й половины 20-го века, а собственно наименование «чёрная дыра» предложил Дж. Уилер в 1968 году, когда начались интенсивные астрофизические исследования с помощью анализа рентгеноскопических наблюдений. К настоящему моменту совместными усилиями создали (в рамках представлений ОТО) следующую картину звездной эволюции.

Все наблюдаемые звезды во Вселенной существуют за счет энергии термоядерных реакций, происходящих в их раскаленных недрах. Но с течением времени вещество звезды вырабатывается, температура снижается, и звезда начинает за счет собственной гравитации «ужиматься». Развитие событий идет по двум вариантам. Если масса сжимающихся звезд до начала охлаждения не превышала трех солнечных масс, они превращается в компактные и сравнительно холодные (тысячи градусов – вместо миллионов) «нейтронные звезды» или «белые карлики». Это вполне наблюдаемые объекты, которые астрономы научились находить еще в 19 веке. Но если масса звезды до начала коллапса превышала три массы Солнца, то оставшееся вещество уходит под «гравитационный радиус» Шварцшильда, образуя нечто вроде сферы, у которой поверхность заменена на «горизонт событий», за пределы которого не может вырваться ни единый квант света – только поглощение всего приходящего извне. Отсюда и название: «дыра» она и есть дыра, а черная – потому что не светится даже отраженным светом.

На современном уровне знаний о составе нашей Галактики ОТО предсказывает, что из 100 млрд. её звезд около 10% - нейтронные звезды и белые карлики, а «чёрных дыр» в 10 раз меньше, но это тоже немало - около 100 миллионов «бывших звезд», самых массивных из всех «состарившихся» светил. Предполагается также, что «чёрные дыры» очень большой массы, в миллионы раз больше массы Солнца, могут образоваться в центральных областях галактик, в том числе и нашей. И вся это «прелесть» - невидима, загадочна и требует для своего обнаружения самых современных изощрений физического эксперимента. Именно поэтому о «чёрных дырах» долгое время говорили лишь как об удивительном возможном физическом казусе, и только с появлением в конце 20-го века спутниковых обсерваторий и рентгеноскопических методик появились данные о параметрах вполне конкретных объектов, которые могут быть интерпретированы, как «чёрные дыры».

Конкретному анализу мировых поисковых работ по поиску космических «чёрных дыр» был посвящен уже самый первый, и, пожалуй, один из самых интересных докладов Совещания. С ним выступил далеко не случайный человек – директор Государственного астрономического института им.П.К .Штернберга, заведующий кафедрой астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ член-корреспондент РАН А.М. Черепащук. Надо сказать, что он сразу оговорил, что считает «чёрные дыры» не совсем, а «почти» открытыми, поскольку окончательных доказательств их реального существования во Вселенной нет. И главная задача, которую надо решить в ближайшие годы – найти достаточно надежные критерии того, что найденные «кандидаты в чёрные дыры» являются таковыми. Для этого надо «лишь» выполнить три условия – измерить массу «кандидата», доказать, что его размеры не превышают его гравитационный радиус, и получить доказательства того, что у объекта нет наблюдаемой поверхности. Лишь первая задача решается довольно надежно по поведению видимых астрофизических объектов вблизи «чёрной дыры», остальные задачки - не из простых. Не случайно на сегодня более-менее надежные, признаваемые астрофизиками данные имеются приблизительно лишь на пару сотен кандидатов в «чёрные дыры» из того огромного количества, которое «обещает» ОТО даже только по нашей Галактике («Млечный путь»). Но и в этом случае все указания на их существование носят довольно косвенный характер, поскольку судить приходится по мощным выбросам рентгеновского излучения, которое интерпретируется как выброс энергии вещества, падающего в невидимое жерло всепоглощающей «дыры».

Могут быть и иные объяснения.

В частности, в Протвино давно и плодотворно работает теоретическая школа академика А.А. Логунова, предложившая другой сценарий звездной эволюции. Вкратце он сводится к тому, что большие коллапсирующие звезды вовсе не обязаны «уходить под свой «гравитационный радиус», оставаясь объектами большой массы и с наличием поверхности, которая может быть либо достаточно «рыхлой», либо подобной абсолютно отражающему зеркалу. Такие супер -отражающие объекты уже получили название «коллапсары», и именно их наличие может объяснить, при дальнейшей разработке математического и понятийного аппарата, все новые наблюдения мощных потоков энергии в рентгеновском спектре. Понятие «чёрных дыр» при этом подходе становится излишним.

В разрабатываемой школой Логунова релятивистской теории гравитации многое выглядит не так, как в ОТО. Понятие «Большого взрыва», породившего Вселенную, заменяется представлением о циклическом изменении плотности вещества в бесконечной и «плоской» (а не «криволинейной» – по Эйнштейну) Вселенной. Этот подход воспринимается в научном мире сейчас не как «подрыв основ», а как альтернативная теория, имеющая право на существование. Но почему же именно здесь, в ИФВЭ, со всей серьезностью обсуждались «чёрные дыры» в космосе и даже «на Земле» - объяснил заместитель председателя Оргкомитета Совещания доктор физико-математических наук В.А. Петров.

С его слов, протвинский форум ученых никак не мог обойти молчанием тему «чёрных дыр», поскольку за всю свою 27-летнюю историю никогда не был чужд рассмотрению астрофизических и гравитационных проблем. Более того – ИФВЭ и «материально» - в виде аппаратуры, и интеллектуально активно участвует в создании самого мощного ускорителя начала 21-го века – «большого адронного коллайдера» (LHC) в Женеве. Физические исследования на этом ускорителе будут оперировать с такими энергиями взаимодействия, при которых можно будет создать условия для эффектов, сопоставимых с рождением пусть «мини», но «чёрных дыр». Следовательно, физики уже находятся в процессе подхода к рождению «чёрных дыр» на Земле, а значит – должны к этому готовиться, изучать все «нюансы». По мнению профессора Петрова, включение в планы исследований на LHC работ по изучению «мини-дыр» может дать значительный стимул всей экспериментальной физике, поскольку открытие такого рода может по своему значению и последствиям превзойти все то, ради чего и было задумано строительство LHC.

Что же касается уже возникающих на эту тему «страшилок» вроде того, что рожденная в ускорителе «чёрная дыра» может поглотить и ускоритель, и всю планету, о чем не преминул спросить автор этого материала, то ничего подобного произойти не может. Энергия ускорителя, даже будь он много большего размера, чем реально возможно построить, все же будет микроскопически мала по сравнению с энергиями межзвездных процессов, а посему гипотетическая «мини-дыра» в силу квантовых эффектов тут же испарится, преобразовавшись в вспышку излучения и частиц. Воссоздать условия «большого космоса» на Земле невозможно, а посему надо внимательно изучать новейшие астрофизические наблюдения и готовиться к самым экзотическим исследованиям на женевском ускорителе.

Чем, собственно, здесь и занимались.

Опубликовано: Атом-Пресса" - 16 июля 2004 г.; "Поиск" №30/31, 2004 г.