Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

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.

Размышляя о бесконечности мира, мы нередко представляем себе ее чем-то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых интервалов, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой. Гипотеза фридмонов подсказывает еще одну возможность: в природе может существовать своеобразный круг мироздания, когда в микромире мы снова встречаемся с явлениями и объектами космического масштаба.

Но было бы неверно думать, что «круг мироздания» замыкается только благодаря фридмонам. К тому же выводу приводят и другие соображения. Представим себе, что мы вместе с двухмерными существами находимся на поверхности шара и измеряем длину окружности постепенно увеличивая ее радиус. Эти существа ничего не знают об искривленности их мира, поэтому увеличение окружности с ростом ее радиуса им кажется вполне естественным. Однако, начиная с определенного радиуса, окружность, к их удивлению, начнет вдруг уменьшаться и, наконец, стянется в точку. В трехмерном мире аналогичная ситуация: уходя в космические просторы, мы опять попадаем в микромир. Современная теория с разных точек зрения настойчиво подсказывает нам самозамыкающуюся картину мироздания.

Впрочем, картина бесконечной последовательности вложенных друг в друга миров тоже весьма приблизительна. Весь наш опыт свидетельствует о том, что любой процесс, любая последовательность рано или поздно претерпевают качественное изменение. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку. Другими словами, развитие происходит не по кругу, а вдоль витков бесконечной спирали. Первый виток рисует нам общая теория относительности Эйнштейна, но каким будет следующий?

Ну а наша Вселенная, может ли она сама быть фридмоном? Ведь если теоретические предсказания верны, они верны, так сказать, в обе стороны —и «внутрь» и «наружу». Почему модель «вложенных миров» должна быть справедливой лишь в одном направлении — только вглубь?

Скажем прямо: ничего здесь пока неизвестно. Из формул Фридмана вытекает, что в замкнутых и очень близких к ним по внутренним свойствам полузамкнутых мирах имеется вполне определенное количественное соотношение между радиусом мира, то есть измеренным в астрономических наблюдениях размером Вселенной, и плотностью распределенного в ней вещества. Согласно последним вычислениям, средняя плотность вещества в нашей Вселенной пока раз в 100 меньше той, которая была бы необходима для ее замыкания. Пока, говорим мы, ибо еще неизвестно, учтены ли все виды вещества в космосе. В частности, нет полной уверенности в том, что равна нулю масса покоя нейтрино; если она нулю не равна и если существуют все-таки космические кварковые «мешки», средняя плотность окажется, безусловно, выше, а следовательно, Вселенная может быть и замкнутой.

Плотность вещества не может более чем в 10 раз превосходить критическую, при которой мир становится замкнутым. Иначе расширение нашей Вселенной давно бы уже прекратилось и она бы перешла в цикл сжатия.

Продолжительность фазы расширения тоже ведь зависит от плотности вещества. Мы же пока, как известно, расширяемся. Пока... Не исключено, что скоро наш мир начнет сжиматься. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет, практически — бесконечность.

Экспериментальное обнаружение предсказанных теорией черных микродыр, их излучения и взрывов явилось бы важным аргументом в пользу гипотезы фридмонов. Микроскопические черные дыры, как мы уже говорили, ведут себя в пространстве подобно ярко искрящимся бенгальским свечам, а их взрывы дают мощные импульсы электромагнитных и корпускулярных излучений. По этим признакам их и пытаются обнаружить. И действительно, и астрономы с Земли и автоматические станции (например, «Венера») не раз фиксировали всплески интенсивного гамма-излучения. Однако утверждать, что это сигналы о взрывах черных дыр, нельзя. Их можно объяснить и другими причинами, например взрывами нейтронных звезд. Никаких экспериментальных данных о существовании в доступном нам космическом пространстве микроскопических черных дыр, к сожалению, пока нет.

Вот с большими черными дырами дело обстоит гораздо лучше. Хотя они и невидимки, их присутствие можно обнаружить по действию их сильного гравитационного поля на окружающие тела — на расположенные вблизи звезды или на облака космической пыли. Астрофизикам известно несколько объектов, которые могут быть черными дырами. Прежде всего это компактный по величине и очень тяжелый источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя. Многое говорит за то, что эти лучи испускает засасываемое дырой плазменное вещество звезды-соседки.