Кварки, протоны, Вселенная

За неимением более подходящего наглядного образа первоначальную точку расширения Вселенной часто называют Большим взрывом, или, используя звучный английский термин, Биг Бэнгом.

В катаклизме этого первородного Биг Бэнга, в колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило почти полное сворачивание пространства-времени и возникали черные, дыры. Их размеры и массы могли быть самыми различными — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Вот такие черные дыры-малютки и представляют сейчас для нас особый интерес. Для внешнего наблюдателя каждая из них и по размерам и по массе будет выглядеть как микрочастица, хотя может и содержать в себе целую вселенную космических тел. Точь-в-точь гомеомерии Анаксагора — мириады вселенных в пылинке!

Удивительным образом развиваются наши представления о мире. Часто бывает так, что на новом уровне мы вновь возвращаемся к старым, казалось бы, совсем обветшавшим и отброшенным идеям... Но еще больше удивляет другое: как без всяких экспериментов, одними чисто логическими рассуждениями, древние философы сумели угадать то, что современная наука открывает используя всю мощь доступных ей технических средств? Это выглядит каким-то чудом.

На самом деле их идеи, конечно, опирались не на одну «игру ума», но и на анализ повседневного опыта и тех сведений о свойствах физических явлений, которыми уже располагала наука того времени. Например, сохранение свойств веществ при измельчении и горстка семян, в каждом из которых уже заключено все многообразие свойств взрослого растения, наводили древних на мысль, что мир состоит из наипростейших элементов — атомов, и это же подсказывало идею строения мира в виде бесконечного ряда вложенных друг в друга «семян вещей» — гомеомерий. Не последнюю роль сыграло то обстоятельство, что древнегреческая наука с самого своего возникновения была не зависимой от религиозных догм и всегда старалась найти естественное, материалистическое объяснение мира. Ее основой была не вера, а логика. Правда, эмпирического, наблюдательного материала было еще мало, и выводы получались неоднозначными. На них можно было строить самые различные физические и философские системы, поэтому в учениях древних греков можно найти зачатки едва ли не всех позднейших мировоззрений.

В Вавилоне или в Древнем Египте наукой занимались служители культа, жрецы, и это заранее предопределяло ее характер. С точки зрения религии многие научные сведения были «нежелательными», оттого и сохранялись в глубокой тайне. Прикасаться к ним было равнозначно общению с темными силами и разрешалось лишь избранным. В Древней же Греции наука была гражданским, светским делом и развивалась в условиях кипучей политической жизни вольных городов — полисов.

Но вернемся к черным дырам-малюткам в современной теории относительности. Это удивительные по своим свойствам объекты. Физикам они преподнесли немало сюрпризов. Хотя они очень малы, их масса огромна. Черная дыра размером с протон весит в 10⁴⁰ раз больше, чем протон, то есть около миллиарда тонн. Невидимая даже в самый сильный микроскоп пылинка, которую нельзя сдвинуть с места и не удержать ни в одном сосуде! Столкнувшись с нашей планетой, она пронзит ее до самого центра, как тонкая игла кусок теплого масла.

Но и это еще не все. Самое поразительное, что микроскопические черные дыры — неустойчивые объекты: они бурно испаряются в окружающее пространство. И чем легче и меньше они становятся, тем интенсивнее происходит этот процесс.

В это трудно поверить, ведь выше говорилось, что черная дыра в принципе не может ничего испускать, она лишь увеличивает свою массу, захватывая из окружающего пространства и вещество, и излучение. Это действительно так, но... без учета квантовых явлений, которые в мире микродыр становятся настолько важными, что классическая, не учитывающая их теория относительности, так хорошо описывающая все особенности больших черных дыр, здесь просто неприменима.

Английский физик Хоукинг первым обратил внимание на то, что вблизи границы черной дыры могут спонтанно рождаться пары виртуальных частиц — протон и антипротон, электрон и позитрон и так далее. Рождаются на краткий миг и, будучи сделанными из вещества и антивещества, так же быстро исчезают в процессе аннигиляции. Чтобы суммарный импульс оставался равным нулю, компоненты пары рождаются с противоположно направленными скоростями, и если одна из частиц

летит в черную дыру, то другая летит прочь от нее. Может случиться так, что черная дыра захватит летящую к ней частицу прежде, чем она успеет аннигилировать со своей партнершей, и тогда та станет независимой частицей. Если ее энергия достаточно велика, она преодолеет гравитационное притяжение дыры (она намертво держит лишь попавшие внутрь нее частицы) и улетит в пространство. Все это напоминает отделение частичек пара от поверхности кипящей жидкости, поэтому и говорят об испарении черных дыр.

Преодолевая гравитационное поле дыры, улетающие частицы уменьшают ее энергию и массу. Дыра постепенно сжимается, квантовые эффекты вокруг нее становятся более интенсивными, процесс испарения все ускоряется и, наконец, завершается взрывом, энергия которого эквивалентна взрыву миллиарда крупных водородных бомб! Удивляться нечему: ведь сама невидимая черная «дырочка» весит миллиарды тонн.

Расчеты показывают, что процесс интенсивного испарения черных дыр размером с протон продолжается один или два десятка миллиардов лет. Дыры меньших размеров испаряются быстрее. За 15—20 миллиард лет жизни нашей Вселенной большинство их уже распалось. Мы живем в эпоху, когда подходит к концу испарение микродыр, начальные размеры которых составляли около 10^{– 13} сантиметров.

Вообще говоря, испаряются не только маленькие, и большие черные дыры, образующиеся при гравитационном коллапсе. Только время, необходимое для их испарения, чудовищно велико: 10⁶⁰—10⁷⁰ лет. Чтобы хоть как-то почувствовать, что это означает, представим себе, что интервал времени, прошедший с начала расширения нашей Вселенной, сжался настолько, что стал равным времени жизни самой короткоживущей элементарной частицы. В таком неимоверно быстро текущем времени наш реальный день будет длиться приблизительно 10³⁰ лет. Но и при таком умопомрачительно быстром темпе для испарения больших черных дыр потребуется около 10³⁵ лет.

Эти числа так велики, что их просто трудно воспринять. Никакие наглядные сравнения здесь почти не помогают.

Правда, при всех этих рассуждениях не следует забывать, что строгой теории, которая могла бы одновременно рассматривать гравитационные и квантовые явления, еще не создано. Квантовая теория гравитации — дело будущего. Пока можно заниматься лишь приближенными оценками. Будем надеяться, что они дают нам правильные представления о начальной стадии испарения черных дыр и о времени их жизни. Но вот расчет вероятности образования черных дыр в хаосе Большого взрыва, распределения их по размерам и массе, картина заключительной фазы распада микродыр — это пока за пределами наших возможностей. Неизвестно, чем заканчивается взрыв микроскопической черной дыры. Может статься, например, что в мире чрезвычайно малых масштабов, где под действием сильных квантовых флуктуаций начинают меняться свойства самого пространства и оно самопроизвольно изгибается, образует пузыри и поры, испарение прекращается и образуется устойчивый микрообъект.

Расчеты, выполненные академиком М. А. Марковым, показали, что такой исход весьма вероятен. Может испариться вся масса черной дыры, за исключением той части, которая связана с энергией нулевых, квантовых колебаний ее вещества. Такие колебания возникают вследствие того, что положение микрочастицы всегда несколько размазано — ведь она подчиняется волновым законам. Частица как бы колеблется, дрожит вокруг точки идеального равновесия. Энергию такого дрожания у нее отнять нельзя, во всяком случае там, где действуют квантовые законы. А раз так, остается неиспарившаяся масса, и она составляет около миллионной доли грамма независимо от того, какова была начальная масса черной дыры и какова масса полузамкнутого «внутреннего мира».

Но это опять всего лишь «оценки». Возможно, существуют еще неизвестные нам «заквантовые явления», которые продолжают процесс испарения до еще меньших остаточных масс.

Как бы там ни было, современная теория гравитации (общая теория относительности Эйнштейна) вполне определенно указывает на возможность существования устойчивых объектов, обладающих снаружи субмикроскопическими, а внутри вселенскими свойствами. М.А. Марков называет их в честь Фридмана — фридмонами, а другой советский физик, К.П. Станюкович, — планкеонами, в честь основоположника квантовой физики Макса Планка, подчеркивая тем самым квантовую природу этих удивительных объектов.

Вполне возможно, что фридмонами (мы будем называть их так) являются какие-то уже известные нам частицы, тот же, например, протон или кварки. А может быть, это частицы совершенно нового типа, которые еще только предстоит открыть. Теория пока не в состоянии ответить на этот вопрос. Правда, расчеты показывают, что радиус фридмона — узких «черных ворот» в другой мир — не превышает 10^{– 32} сантиметров. Это во столько же раз меньше размеров известных как элементарных частиц, во сколько сами эти частицы меньше шара с диаметром в 100 световых лет. Но расчеты не запрещают того, чтобы фридмоном могла оказаться и известная нам частица. В принципе, как мы уже сказали и протон может быть фридмоном. Точнее, не он сам, а его сердцевина — крошечное ядрышко, вокруг которого в результате квантовых флуктуаций образуются облака виртуальных частиц — гипотетических пракварков, просто кварков и состоящих из них частиц. Эти сложные по своей структуре многоэтажные облака и определяют свойства элементарной частицы, в том числе характер ее взаимодействий с другими частицами. Фридмон самая глубинная часть элементарной частицы, как бы ее затравочное ядро. Но в этом крошечном, исчезающе малом ядре как раз и может скрываться новая вселенная.