Будущее физики элементарных частиц связано не со все более мощными ускорителями, а с исследованием космических процессов, как это и предполагал академик, лауреат Нобелевской премии мира Андрей Сахаров.
Фото: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF/NASA
Фото: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF/NASA
XX век справедливо называют веком физики. Неслучайно американский физик Ричард Фейнман сказал, что «знание физики сегодня так же необходимо современному культурному человеку, как знание латыни было необходимо культурному человеку Средневековья».
Открытия физики ХХ века грандиозны. Открыты два мира, непохожие на наш макромир: микромир молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц и мегамир галактик и расширяющейся Вселенной с началом в сингулярности 13 с половиной миллиардов лет тому назад. Дарами этих миров являются атомные электростанции и атомные бомбы, лазеры, гравитационные волны, частицы Хиггса и многое другое.
Новые источники энергии таковы, что это позволило секретарю ЮНЕСКО при открытии в 2005 году конференции, посвященной столетию открытия Эйнштейном теории относительности, сказать: «Сегодня развитие науки привело к тому, что каждый житель Земли может жить так, как жил представитель французской аристократии в середине XVIII века, а если это не так, то причины этому социально-политические!»
Мы уже более 20 лет живем в XXI веке. Что происходит с физикой сейчас?
Построен и работает на границе Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (БАК) и на нем экспериментально открыт предсказанный в конце 60-х годов ХХ века бозон Хиггса. Зарегистрированы гравитационные волны, которые до этого безрезультатно искали более чем сто лет. Они испущены при столкновении и слиянии черных дыр, а также нейтронных звезд. Обнаружена тень от черной дыры, так что наши представления об этих необычных объектах исходя из общей теории относительности Эйнштейна оказываются правильными.
В то же время многие вполне серьезно говорят, что БАК (по-английски LHC) — LAST — последний адронный коллайдер. Связано это как со стоимостью, так и со сложностью самой установки. Максимальные энергии, достижимые в столкновениях частиц в БАК,— примерно 10^13 электрон-вольт.
Наблюдаются ли где-либо частицы с большей, чем в БАК, энергией? Да, наблюдаются! В космических лучах присутствуют частицы с энергией 10^20 электрон-вольт. Вся беда, однако, в том, что в год их прилетает штук пять—девять, в то время как в БАК имеются миллионы частиц!
Откуда к нам прилетают в космических лучах частицы со столь большой энергией? Общим мнением является то, что они прилетают к нам из других галактик. Многие галактики имеют активные вращающиеся ядра с массами порядка миллионов солнечных масс. Эти ядра всасывают в себя вещество, которое начинает светиться, и все вместе выглядит как пылающий факел.
Более десяти лет в Англии астрофизики Банадос, Силк и Вест показали, что если на вращающуюся черную дыру (активное ядро галактики) летят две частицы так, что одна из них, называемая критической (у нее специальное значение момента количества движения), при приближении к горизонту черной дыры начинает вращаться в ту же сторону, что и черная дыра, а другая приближенно сохраняет радиальное движение, то возникает аналогия с ускорителем. Некритическая частица с большой скоростью налетает на неподвижную мишень (критическую частицу). При этом выделяемая энергия стремится к бесконечности при приближении к горизонту (из области под горизонтом черной дыры уже ничто не может вылететь наружу).
Однако эти же авторы показали, что эффект возникает только у критических быстро вращающихся черных дыр. Но многие (хотя и не все) считают, что критических черных дыр в природе не бывает. Дело в том, что на поверхности таких дыр имеются замкнутые линии времени. Время имеет форму круга. Такой объект называется «машиной времени». Отметим, что этот круг очень напоминает один из кругов ада в «Божественной комедии» Данте. Во всяком случае сегодня мы не имеем наблюдений, говорящих о критических черных дырах.
В научной группе «Лаборатория им. А. А. Фридмана» на кафедре теоретической физики и астрономии в Санкт Петербурге в РГПУ им. А. И. Герцена было показано, что эффект Банадоса—Силка—Веста имеется и для некритических черных дыр, которых наблюдается много. Но для них надо рассмотреть не двойные, но тройные и более столкновения частиц (эффект Гриба—Павлова).
Действительно ли энергия в этих столкновениях может расти до бесконечности? Теми же авторами было показано, что при приближении энергии к планковскому значению (на 16 порядков больше, чем энергия в БАК) в игру вступает новый агент — резко возрастает интенсивность гравитационного излучения, которое уносит добавочную энергию. Впрочем, остается большая (но не бесконечная!) область энергии столкновений, недоступная на Земле, но доступная в этой самой мощной в природе лаборатории.
Окрестность вращающейся черной дыры, где она находится, называется эргосферой. Теория позволяет высказать некоторые гипотезы о том, что там происходит. Прежде всего, как было показано в наших вычислениях, это превращение частиц темной материи (не взаимодействующей с электромагнитным полем) в видимое вещество. Наша гипотеза состоит в том, что темная материя, составляющая 27% всей материи Вселенной (видимое вещество — всего 3%, 70% — темная энергия, или космологическая постоянная),— это сверхтяжелые нейтральные частицы с массой порядка Великого объединения — 10^15 ГэВ. Эти частицы стабильны при малых энергиях, но распадаются на частицы видимой материи при больших энергиях. Продукты этих распадов и долетают к нам на Землю в космических лучах. Конечно, они обладают и большими энергиями, но, как было показано ранее Грейзеном, Зацепиным и Кузьминым, при полете к Земле частицы с большой энергией теряли часть своей энергии за счет взаимодействия с реликтовым фотонным излучением, заполняющим Вселенную, так что на Землю прилетают частицы не больше той, которая наблюдается (10^20 электрон-вольт).
Подобный же процесс, исследованный в работах в той же группе российских ученых, шел в ранней Вселенной вблизи ее начала: сначала из вакуума за счет гравитации возникли частицы темной материи, затем часть из них распалась на видимое вещество, часть осталась до сих пор как темная материя, став стабильной.
Тем самым физика черных дыр соединяется с физикой ранней Вселенной, и обе теории поддерживают друг друга. Это соединение физики элементарных частиц и космологии Андрей Сахаров назвал космомикрофизикой, и то, что мы здесь обсуждаем, есть пример рассуждений новой науки. Итак, будущее физики элементарных частиц связано с астрофизикой, процессов уже не в земных, но в небесных ускорителях. Новый импульс таким исследованиям даст создание постоянных обсерваторий на Луне, где в отличие от Земли нет атмосферы, поглощающей космические лучи, что позволяет получить новую информацию о физике высоких энергий во Вселенной.