Сейчас даже школьники знают, что всё началось с Большого взрыва. Никто, впрочем, не знает, что было до него, и что именно такое взорвалось, равно как неясна механика этого процесса.

Модель Большого взрыва

Модель Большого взрыва

Зато уже вполне подробно расписано, что было дальше: когда сформировались плазма и газы, зажегшиеся первые звёзды, взрываясь, рассеивали оставшийся водород и образовавшийся в результате термоядерных реакций гелий в окружающем пространстве, которые, в свою очередь, падали на поверхность соседних звёзд (а звёзды в юной вселенной находились друг от друга довольно близко), и снова вступали в реакцию термоядерного синтеза с образованием более тяжёлых элементов.

Так, собственно, всё вещество во Вселенной и возникло (вплоть до самых тяжёлых соединений) и продолжает возникать, даже несмотря на постоянный разлёт галактик.

Разлёт, происходящий под воздействием некоей "тёмной энергии". Астрономам понятно, что она есть, но непонятно, что она такое. Поскольку ничего, кроме оказываемого ею гравитационного воздействия, обнаружить не удалось. Пока её условно именуют "таинственной силой" - Force (надо ли говорить, что разом вспоминаются пояснения Оби Вана в "Эпизоде IV" насчёт Силы, пронизывающей всю Вселенную?).

Но вернёмся пока к Большому взрыву.

… учёным, кажется, удалось воссоздать самые первые мгновения существования Вселенной - "нашей" Вселенной… И результаты получились несколько ошеломляющими.

Речь идёт об эксперименте, проведённом специалистами Брукхейвенской национальной лаборатории США в Аптоне, на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC). По утверждению физиков, занимавшихся этими экспериментами, им с высочайшей вероятностью удалось воссоздать именно те условия, в которых вещество пребывало в первые мгновения после Большого взрыва.

Суть эксперимента заключалась в том, что физики столкнули друг с другом атомные ядра на колоссальной скорости, что привело к распаду самой материи ядер. В результате, по мнению большинства экспертов, образовалась именно та первичная плазма, которая и существовала в первые мгновения после Большого взрыва, чем бы тот ни был вызван – плазма, состоящая из кварков и глюонов.

При этом, к большому удивлению учёных, выяснилось, что природа вещества неразрывно связана с тем вакуумом, в котором оно находится, и что вакуум - явление куда более сложное и многоликое, нежели считалось ранее, и что граница между "чем-то" и "ничем" - ещё зыбче, чем кто-либо мог предположить.

Дело в том, что кварки, являясь составными частями протонов и нейтронов, не могут существовать по отдельности. И чем сильнее какая-либо сила стремится их отделить друг от друга, тем мощнее становятся связующие их силы. Это, собственно, одно из ключевых положений теории квантовой хромодинамики (QCD).

Согласно этой теории, именно вакуум связывает кварки. Хотя и принято полагать, что вакуум - пустота, согласно теории квантовой хромодинамики, вакуум - очень сложное и динамическое явление, в котором буквально кишат, постоянно возникая и аннигилируя, пары "мнимых" частиц. Кроме того, вакуум оказывается весь пронизан сложными узлами и переплетениями пространства, по которым, собственно, и перемещаются глюоны, удерживая кварки вместе.

Эта странная картина имеет право на жизнь, поскольку теория квантовой хромодинамики успешно предсказывает поведение элементарных частиц, а потому заслуживает доверия.

Так вот единственный способ разъединить кварки - это "расплавить" вакуум между ними, а для этого требуется неимоверное количество концентрированной энергии, которая выделяется только при столкновении атомных ядер на огромной скорости. Предположительно такие же энергии наблюдались в том изначальном сгустке вещества, который, собственно и "разошёлся" Большим взрывом. То есть расплавить вакуум - означает достичь ровно того же состояния вещества, которое наличествовало сразу после Большого взрыва.

Брукхейвенский RHIC был построен как раз для этого. С 2000 года два потока ядер атомов золота постоянно направлялись навстречу друг другу, разгоняясь на трассе протяжённостью в 4 км и достигая энергии в 100 млрд. электронвольт. При столкновении возникает плазменный шар с температурой в 300 миллионов раз превосходящей температуру поверхности Солнца, внутри которого высвобождается более тысячи кварков. При случайном лобовом столкновении двух кварков, тех самых "мнимых частиц", колоссальная энергия их столкновения переходит в материю.

"Мнимые" частицы вакуума получают достаточное количество энергии, чтобы стать "реальными", и разлетаются в стороны, собирая из вакуума пары других частиц (а кварки всегда держатся по трое); процесс повторяется циклически, и в результате, образуются расходящиеся в разные стороны парные струи частиц, которые, собственно, и обнаруживают соответствующие сенсоры. Тем самым, демонстрируется присутствие кварк-глюонной плазмы, притом, что время её существования не превышает 10-23 с.

Ранее считалось, что при "расплавлении" вакуума (а для этого нужна энергия порядка 170 млн. электронвольт) плазма будет вести себя как газ со слабым взаимодействием. Однако проведённые измерения указывают, что абсорбция парных струй частиц плазмой в 10 раз выше, чем предполагалось, а значит и плотность кварк-глюонной плазмы в 30-50 раз выше предсказанной. То есть она ведёт себя не как газ, а как жидкость, причём жидкость "идеальная". А следовательно, в первые мгновения своего существования наша Вселенная вся была жидкой.

Исходя из всего этого, нам, простым смертным, остаётся, по-видимому, лишь продолжать пытаться представить себе бесконечность этого процесса, зная, впрочем, что мы в любом случае обречены всегда знать, что ничего не знаем. Ибо даже те крохи знания об устройстве Вселенной, которыми человечество обладает сейчас, в сущности, ничтожны. Что, впрочем, не остановит учёных, стремящихся узнать как можно больше.

Сократ с его принципом не-знания был кругом прав: чем больше человечество пытается узнать о той Вселенной, в которой ему суждено обретаться (а сколько их было, никто никогда не узнает, по-видимому), тем больше мировая наука понимает, что ничего не понимает.

Точно так же дело обстоит с чёрными дырами, например. Вспоминается сразу Джонатан Свифт: "Для тех, кто наслышан о Божьем суде, // Ад, ведомо, есть, но неведомо, где". Теоретическая данность под названием "чёрная дыра", для которой сравнение с адом напрашивается само, в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.

В сущности говоря, чёрной дырой астрономы называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу – за "горизонт событий".

Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в этой области начинает втягивать в себя окружающую материю.

Астрономы считают также, что сверхмассивные чёрные дыры присутствуют в центре большинства (если не всех) галактик, и гравитационное воздействие центровых чёрных дыр оказывает значительное влияние на их – галактик – целостность.

Однако и эти представления пошатнулись в свете недавних открытий. С помощью рентгеновского телескопа Chandra сотрудники Смитсоновского института астрофизики обнаружили свидетельства существования в центре квазара SDSSp J1306 полноценной (и очень-очень крупной) чёрной дыры. Всё дело в том, что расстояние до этого квазара составляет приблизительно 12,7 млрд. световых лет. Учитывая, что возраст нашей Вселенной равен около 13,7 млрд. лет, то получается, что мы видим этот квазар таким, каким он был спустя всего лишь миллиард лет после Большого взрыва.

Для образования чёрной дыры, которая выделяет больше энергии, чем двадцать триллионов Солнц, миллиард лет после образования Вселенной – это как-то рановато.

Однако это не ошибка в расчётах: немногим ранее американские и британские астрофизики с помощью рентгеновского спутника XMM-Newton наблюдали квазар SDSSp J1030, располагающийся на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от нас, и также обнаружили признаки существования гигантской чёрной дыры; спектры рентгеновского излучения, наблюдаемого в обоих квазарах, очень похожи, так что существование таких вот "реликтовых" чёрных дыр – это тоже данность, похоже.

Наблюдать чёрную дыру напрямую невозможно: за горизонт событий, как уже сказано, не проникает даже свет, стало быть, остаются только косвенные признаки.

А именно, аккреционные диски. Диском аккреции называют газовый диск, вращающийся вокруг чёрной дыры. Он образуется при падении вещества на эту самую чёрную дыру. Температура вещества в таком диске может достигать миллиардов градусов, и именно эти диски и являются источниками мощного рентгеновского излучения, по которому и вычисляют чёрные дыры.

Механика образования чёрных дыр неразрывно связана со взрывами сверхновых. Весь процесс приблизительно выглядит следующим образом.

При "выгорании" звезды внутри неё прекращается термоядерная реакция, и происходит взрыв с выбрасыванием части поверхностных слоёв звёздного материала в окружающее пространство. Эти "ошмётки" разлетаются со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, сдавливая, сжимая межзвёздное вещество (пыль и газы), вследствие чего, с одной стороны, разлёт тормозится, а с другой, столкновение расширяющейся оболочки с неподвижным межзвёздным газом порождает ударную волну, в которой газ нагревается до миллионов кельвинов и становится источником рентгеновского излучения.

В "выгоревшей" звезде, с прекращением термоядерной реакции исчезает и радиационное давление. Под воздействием собственной гравитации и при отсутствии радиационного давления, "надувающего" звезду, остатки мёртвой звезды сжимаются, в результате чего возникает сгусток исключительно плотного вещества с сильнейшей гравитацией.

Это либо нейтронная звезда (обыкновенно, это пульсар), либо чёрная дыра.

По словам Дэниела Шварца, одного из астрономов, изучавших квазар SDSSp J1306, полученные им и его коллегами результаты ясно свидетельствуют о том, что механизм испускания чёрными дырами рентгеновских лучей не менялся с самых древнейших времён.

Вопрос в том, откуда взялась настолько массивная чёрная дыра в столь молодом звёздном скоплении.

Надо сказать, что самые первые звёзды, ещё лишённые "металлов" (т.е. веществ с большей атомной массой, нежели водород и гелий), по выкладкам астрономов должны были иметь колоссальные размеры. Однако неизвестно, могла ли из одной "неметаллической" звезды, пусть даже очень крупной и массивной, получиться столь гигантская и активная чёрная дыра, как в SDSSp J1306.

Учёные предполагают, что она могла образоваться в результате слияния миллионов среднекалиберных или даже малых чёрных дыр, образовавшихся вследствие коллапсов массивных звёзд в молодой галактике. В результате возникла чёрная дыра с массой, в миллиарды раз превышающей массу Солнца.

Чёрная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в её привычной форме... Что это такое? Да и существуют ли они? Как материя может обладать "бесконечной плотностью"?

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры (чем бы они ни являлись) с их колоссальной гравитацией "держат" целые галактики, в некоторой степени предохраняя их от разлёта. Наша Галактика также содержит в центре чёрную дыру (если не наоборот – дыра "содержит" всю Галактику)… .

Война теорий

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после "выгорания" звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии "бесконечной плотности". Сингулярность окружает так называемый "горизонт событий", гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они "втягиваются" в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

Это-то "навсегда" и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно истаивают. В соответствии с законами квантовой механики, пары "виртуальных" частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться "виртуальным" частицам у самого горизонта событий. В этом случае "виртуальные" частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме "излучения Хокинга". Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Однако такой взгляд приводит к "информационному парадоксу". Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура "излучения Хокинга" означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в прошлом году он изменил своё мнение - и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются "примерить" на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) популярную теорию струн. New Scientist пишет, что теория струн сейчас - это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В середине девяностых Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, - просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн - это ещё не всё. В прошлом году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую - большую и очень гибкую - струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких "струнных" чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs - "пуховыми шариками", или stringy stars - "струнными звёздами"). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами "горизонта событий" в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. "горизонт событий" на самом деле представляет собой "пенящуюся массу струн", а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация - путём квантовой телепортации - отпечатывается на излучении Хокинга.

Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

В любом случае, всё это лишь теоретические выкладки, и ничего более.

Однако в Женеве уже строится Большой адронный коллайдер, самый мощный на Земле ускоритель частиц, который планируется ввести в действие уже в 2007 году. В этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией до 14 на 10 в 12 степени эВ, чего, по мнению учёных, будет достаточно для того, чтобы создавать несколько микроскопических чёрных дыр каждую секунду, если некоторые нынешние теоретические выкладки окажутся верными.

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.

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.

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).

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).

Приведено с сокращениями – источник

ЕЩЁ МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ:

1. ПЕРВЫЕ ТРИ МИНУТЫ

2. О сингулярности Большого взрыва

Информация о Большом андронном коллайдере, приведенная на момент написания статьи, несколько устарела. Для справки:

Большой адронный коллайдер, представляющий собой 27-километровое "кольцо", сооруженное в туннеле под землей на территории Швейцарии и Франции, был снова запущен 5 апреля 2015 года после продолжавшейся двух лет модернизации, цель которой состояла в повышении энергии столкновения пучков. Если раньше она составляла 8 ТэВ (по 4 ТэВ на каждый пучок), то теперь - 13 ТэВ (по 6,5 ТэВ на пучок). Физики надеются, что более мощные пучки позволят получить представление о новой физике, лежащей за пределами так называемой Стандартной Модели.

Стандартная модель: группа из 17 элементарных частиц и правила их взаимодействия. До открытия Хиггса физики наблюдали 16 из этих частиц. Питер Хиггс предположил существование своего бозона в 1964 году.

Главным достижением коллайдера до его модернизации стало открытие бозона Хиггса - частицы, которая ответственна за наличие у частиц массы.

Специалисты Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) после анализа полученных на Большом адроном коллайдере данных пришли к выводу, что открытая ими в 2012 году частица, действительно является бозоном Хиггса.

Видео: Большой Адронный Коллайдер – как устроен и зачем он нужен