Квантовые черные дыры


Наука@Home: распределенные вычисления на ПК

18.06.2014 Андрей Белокриницкий Андрей

В недалеком прошлом под научные расчеты создавались специальные вычислительные кластеры, однако их мощность не безгранична и ее постоянно не хватает для обработки всех данных. Следовательно, ученым пришлось искать доступ к новым вычислительным ресурсам. Вместо покупки очередных дорогих компьютеров пошли альтернативным путем и начали использовать ПК обычных пользователей, которые те безвозмездно отдавали для расчетов во имя науки.

Сначала эта затея выглядела малоперспективной, ведь в середине девяностых, когда лишь начали появляться первые сети распределенных вычислений в их текущем виде, частота процессоров едва преодолела порог в 100 Мгц, Интернет был редкостью, а о доступе к действительно большому числу компьютеров не шло и речи.

Тем не менее, развитие Всемирной Сети и увеличение производительности процессоров в полном соответствии с законом Мура привело к тому, что сейчас распределенные сети на равных конкурируют с топовыми суперкомпьютерами, причем, в отличие от них, постоянно совершенствуются и не стоят ни копейки.


Если взглянуть на изменения в распределенных сетях за последние несколько лет, то можно сразу отметить несколько ключевых моментов.

Наверное, самым важным и пока еще не до конца раскрывшим себя шагом стал переход на GPU-вычисления, в некоторых случаях ускоряющий расчеты на порядок. Значительную роль сыграла и оптимизация вычислительных алгоритмов под многоядерные процессоры, возможность одновременного выполнения расчетов на CPU и GPU, поддержка 64-битных вычислений, появление клиентов для игровых консолей, поддержка альтернативных операционных систем (Mac OS X, Linux), быстрое распространение Интернета, и что немаловажно, заметное упрощение клиентов, которые больше не требуют от пользователей запуска вычислений через командную строку.

Сравнение с суперкомпьютерами

Сети распределенных вычислений уже называют виртуальными суперкомпьютерами, и приставка «виртуальные» здесь скорее используется для дифференциации от классических суперкомпьютеров, поскольку по скорости работы оба типа вычислительных систем находятся практически на одном уровне.

По состоянию на октябрь 2012 года проект [email protected] «завербовал» 219 тыс. процессоров, 20 тыс. GPU, 16 тыс. консолей PlayStation 3, и его суммарная мощность составила 3.7 petaFLOPS (пиковая мощность 6 petaFLOPS была зарегистрирована в ноябре 2011 г.). По данным за этот же месяц, производительность BOINC (всех проектов, входящих в состав этой сети) составляет 6.6 petaFLOPS (на момент публикации материала — 7.4 petaFLOPS, по данным официального сайта, но эта цифра подсчитывается лишь за последние 24 часа).


Если эти виртуальные вычислительные системы разместить в списке суперкомпьютеров, то они втиснутся между третьей и четвертой строчкой рейтинга, заметно опережая ближайшего конкурента (производительность SuperMUC, занимающего сейчас четвертое место, составляет 3.1 petaFLOPS).

Для того, чтобы подняться на первое место, Boinc необходимо быть быстрее приблизительно в три раза, поскольку рейтинг Sequoia (самого производительного на текущий момент суперкомпьютера в мире) составляет 20.1 petaFLOPS. Учитывая, что этот компьютер в полную мощность заработал лишь летом этого года, можно предположить, что распределенные вычислительные системы смогут вырваться вперед уже в течение нескольких лет, даже с учетом появления новых суперкомпьютеров.

Основные направления исследований

Без сомнения, распределенные вычисления уже стали распространенным феноменом, следовательно, среди них можно отыскать проекты, занимающиеся решением практически любых научных задач. Тем не менее, самые популярные проекты сконцентрированы на решении довольно узкого круга проблем. В первую очередь это медицина (исследование белков и поиск лекарств), предсказание климата, изучение космоса (поиск внеземных сигналов, правильных моделей вселенной, экзопланет), проверка математических и физических теорий.


Как подключиться к сети распределенных вычислений

Если вы решили, что поиск лекарств от неизлечимых пока болезней или предсказание изменения климата Земли – задачи, достойные того, чтобы выделить под них свой компьютер, то добровольно пожертвовать вычислительную мощность под любой из этих проектов совсем не сложно.

Проще всего это сделать, скачав клиент BOINC и запустив мастер добавления нового проекта. На одном из шагов необходимо будет зарегистрироваться (что можно сделать прямо в программе), вот и все трудности. Если возникли затруднения с выбором конкретного проекта, то можно указать сразу несколько, и они будут считаться по очереди.

По умолчанию BOINC использует компьютер все свободное время, однако выставляет для своих расчетов самый низкий приоритет, так что процессорные ресурсы используются клиентом в самую последнюю очередь.

Что касается памяти, то здесь понятие приоритета неприменимо, а поскольку на многоядерных процессорах BOINC запускает сразу несколько копий расчетов, каждая из которых может занимать в памяти несколько сотен мегабайт (такие объемы нужны не для всех проектов), то в играх и других требовательных приложениях все же лучше ставить расчеты на паузу, что можно сделать непосредственно в клиенте.

Более тонкую настройку можно провести в опциях BOINC, указав программе часы использования компьютера, период бездействия ПК, после которого можно запускать расчеты, а также количество процессорной мощности (в процентах), доступной клиенту.


Очки за участие

В большинстве проектов за участие начисляют очки. Их количество напрямую зависит от сложности расчетов, следовательно, чем производительнее компьютер и чем дольше он используется, тем больше очков начисляется. У каждого пользователя есть собственная страница со статистикой, где можно посмотреть личное и командное место в общем зачете (в качестве команды по умолчанию используется страна, указанная во время регистрации).

Популярные проекты Boinc

Boinc — это не распределенная сеть в традиционном понимании, а скорее посредник между проектами и пользователями. Изначально Boinc разрабатывался как клиент для [email protected], но сейчас с его помощью можно подключиться и к десяткам других проектов.

ClimatePrediction

Самый мощный проект по изучению климата Земли. Занимается моделированием погодных условий будущего (до 2080 года) с учетом различных входных данных. На текущий момент имеет в активе несколько миллионов просчитанных комбинаций. Проект был запущен в 2003 г.

[email protected]

Проект занимается поиском гравитационных волн, существование которых еще не доказано, но их наличие теоретически было предсказано Эйнштейном почти сто лет назад.


Для обнаружения гравитационных волн обрабатываются данные с радиотелескопов и специальных спутников, наблюдающих за вращающимися нейтронными звездами (пульсарами). За время существования проекта таких объектов было обнаружено более трех десятков.

Результаты проверки, опубликованные в июле 2012 г., свидетельствуют о том, что на текущий момент даже самые чувствительные датчики гравитационных волн не смогли зарегистрировать их наличие, но проект продолжает свою работу, анализируя новые данные и ожидая ввода в эксплуатацию более точных инструментов.

[email protected] запущен в 2005 г. и на текущий момент его вычислительная мощность составляет приблизительно 0.5 petaFLOPS.

[email protected]

Один из наиболее популярных медицинских проектов, занимающихся виртуальным проектированием и изучением свойств новых протеинов, что может способствовать открытию лекарств от неизлечимых на данный момент болезней.

Проект запущен в 2005 г. и по состоянию на октябрь 2011 г. его вычислительная мощность составляла приблизительно 60 teraFLOPS (0.06 petaFLOPS)

[email protected]

Возможно, самый популярный проект распределенных вычислений. По вычислительной мощности уже сопоставим со всеми проектами, входящими в состав BOINC. Занимается практически тем же, что и [email protected], т.е. изучением свойств белка, и с момента запуска благодаря ему были опубликованы более ста научных работ.


Большой мощности проект смог достичь как за счет раннего старта (2000 год), так и за счет выпуска очень производительного клиента для PlayStation 3 (2007 год), а также оптимизации расчетов под многоядерные процессоры и видеокарты, выполняющие вычисления, как правило, в несколько раз эффективнее самых современных CPU.

[email protected]

Один из ветеранов распределенных вычислений. Запущен в 1999 году, и таким образом, после десятилетий поиска внеземных сигналов в застенках научных лабораторий, к дешифровке космических радиоволн подключились и обычные компьютеры.

Несмотря на тринадцатилетний стаж, проект до сих пор не получил ни одного результата, сравнимого по скандальности с сигналом «Wow!», зарегистрированном в 1975 г. Тем не менее, на небе было найдено несколько точек — кандидатов на более тщательное сканирование, в связи с повышенной интенсивностью сигналов на фоне обычного шума. Вычислительная мощность проекта составляет приблизительно 0.5 petaFLOPS.

[email protected]

Проект воссоздания трехмерной модели нашей Галактики, позволяющий узнать историю формирования Млечного Пути.

Помимо этого, просчитываются процессы столкновения и слияния Галактик.

[email protected]

Проект занимается созданием виртуальных моделей Вселенной и последующим сравнением их свойств со свойствами наблюдаемой Вселенной с целью поиска наиболее соответствующей модели. Полученные данные затем могут использоваться для планирования новых астрофизических исследований и экспериментов, а также для лучшей подготовки к анализу данных, поступающих от новейших космических миссий.

Хотите принять участие в распределенных вычислениях, тогда, Вам сюда:

Home


Источник: pikabu.ru

Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается. Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку. Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками…[1 ]По современным оценкам, масса центральной черной дыры в нашей Галактике немного превышает 4 миллиона масс Солнца. При этом ее поперечник составляет около 25 миллионов километров, то есть она примерно в 20 раз больше Солнца по размерам. — Примеч. пер.


Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.

То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени — пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое — это внешняя область, а будущее — внутренняя. Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры. Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.


На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.

По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаны эйнштейновской теорией. Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории. Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.

Источник: postnauka.ru


Квантовые черные дыры

• Чёрные дыры не обязательно должны быть прожорливыми монстрами чудовищных размеров. Теория утверждает, что размеры чёрных дыр могут меняться в очень широких пределах, так что некоторые чёрные дыры могут быть даже меньше, чем элементарные частицы. Маленькие дыры должны разрушаться из-за квантовых эффектов, а самые маленькие должны взрываться почти сразу после образования.

• В наши дни астрономы могли бы наблюдать взрывы маленьких чёрных дыр, сохранившихся с самых ранних этапов эволюции после Большого Взрыва.

• Недавно теоретики предположили, что маленькие чёрные дыры могли бы создаваться при соударениях частиц и в теперешней Вселенной, даже на Земле. Правда, необходимая для этого энергия оказывается слишком большой. Однако если пространство имеет дополнительные измерения, обладающие нужными свойствами, то энергетический порог рождения чёрных дыр оказывается значительно ниже. Если это верно, то чёрные дыры могли бы рождаться и на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе (Швейцария), и при соударениях космических лучей с атомами в высоких слоях атмосферы. Физики могли бы использовать чёрные дыры для исследования дополнительных измерений пространства.

С тех пор как почти 80 лет тому назад физики построили первые ускорители частиц, они использовали их для решения таких экзотических задач как расщепление атомов, трансмутация элементов, производство антиматерии и рождение частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Если повезёт, то вскоре они могут попробовать решить такую задачу, по сравнению с которой все предыдущие покажутся школьными упражнениями. Возможно, на ускорителях удастся породить самые загадочные объекты во Вселенной – чёрные дыры.

Когда размышляют о чёрных дырах, обычно представляют себе массивных монстров, способных целиком заглатывать космические корабли или даже звёзды. Однако дыры, которые могли бы рождаться на самых мощных ускорителях, например, на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе под Женевой (планировалось запустить его в 2007 г., но теперь это случится не ранее конца 2008 г. – Прим. пер.), являются дальними родственниками подобных астрофизических бегемотов. Это микроскопические дыры, сравнимые по размерам с элементарными частицами. Они не будут разрывать на куски звёзды, управлять галактиками или представлять угрозу нашей планете. Но в определённом смысле свойства этих дыр будут ещё более интригующими: благодаря квантовым эффектам они будут быстро испаряться вскоре после образования, заставляя детекторы частиц светиться, как рождественские ёлки. Поэтому такие дыры могут дать в руки исследователей ключ к пониманию того, как объединено пространство и время, существуют ли дополнительные невидимые пространственные измерения.

В тесных объятиях

Современное понятие о чёрных дырах восходит к общей теории относительности Эйнштейна, которая предсказывает, что если материя достаточно сжата, её тяготение становится настолько сильным, что формирует область пространства, из которой ничто не может улететь. Границей этой области является горизонт событий чёрной дыры: тела могут падать внутрь этой области, но ничто не может выйти из неё наружу. В простейшем случае, когда в пространстве нет скрытых измерений или эти измерения меньше, чем сама дыра, размер дыры прямо пропорционален её массе. Если сжать Солнце так, чтобы его радиус стал равен примерно 3 км, т.е. одной четырёхмиллионной доле теперешнего, то оно станет чёрной дырой. Чтобы та же судьба постигла Землю, нужно сжать её до шарика радиусом 9 мм, или одной миллиардной доли теперешнего размера.

Таким образом, чем меньше дыра, тем больше степень сжатия, необходимого для её создания. Плотность, до которой нужно сжать материю, изменяется обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры массой, равной массе Солнца, плотность составляет 1019 кг/м3, т.е. больше плотности атомного ядра. Такая плотность близка к максимальной плотности, которую можно получить за счёт гравитационного коллапса в современной Вселенной. Тело легче Солнца не поддаётся коллапсу, т.к. силы гравитации уравновешиваются отталкивающими силами квантового происхождения, действующими между субатомными частицами. С точки зрения наблюдений наилегчайшие кандидаты на чёрную дыру имеют массу около шести масс Солнца.

Однако коллапс звёзд – не единственный способ образования чёрных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг из Кембриджского университета (Великобритания) и один из авторов (Б.Карр) исследовали механизм генерации чёрных дыр в ранней Вселенной. Такие дыры называются первичными. При расширении пространства средняя плотность материи уменьшается, так что плотность в прошлом была намного больше и, в частности, в первые микросекунды после Большого Взрыва превышала ядерную. Известные законы физики допускают значения плотности материи не более так называемой планковской плотности 1097 кг/м3. При такой плотности сила гравитации становится настолько большой, что квантово-механические флуктуации разрушают структуру пространства-времени, и возможно создание чёрных дыр поперечным размером 10–35 м (так называемая планковская длина) и массой 10–8 кг (планковская масса).

Согласно общепринятому описанию гравитации, это наилегчайшие возможные чёрные дыры. Они намного массивнее и намного меньше по размеру, чем элементарные частицы. С уменьшением космической плотности могут формироваться всё более массивные первичные чёрные дыры. Любая дыра легче 1012 кг будет всё ещё меньше протона по размеру, но более массивные дыры уже должны быть сравнимы с более знакомыми физическими телами. Дыры, которые сформировались в эпоху, когда космическая плотность сравнялась с ядерной, имеют массы, сравнимые с массой Солнца, т.е. являются макроскопическими телами.

Большие значения плотности в ранней Вселенной являются обязательным предварительным условием образования первичных чёрных дыр, но не гарантируют его. Для того, чтобы какая-то область прекратила расширяться и коллапсировала в чёрную дыру, необходимы флуктуации плотности, чтобы возникали очень плотные области. Астрономы знают, что по крайней мере в больших масштабах такие флуктуации существовали, в противном случае никогда не смогли бы образоваться такие структуры, как галактики и галактические скопления. Чтобы образовались первичные чёрные дыры, эти флуктуации на малых масштабах должны быть ещё сильнее, чем на больших, что возможно, но не неизбежно. Даже при отсутствии флуктуаций дыры могли бы спонтанно образовываться при различных космологических фазовых переходах, например, когда Вселенная завершала ранний период ускоренного расширения, известный под названием инфляции, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протон, конденсировались из супа составляющих их кварков. На самом деле космологи могут установить важные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из факта, что не слишком большое количество вещества превращается в первичные чёрные дыры.

Всё меньше, меньше… и совсем ничего?

Понимание того, что чёрные дыры могут быть маленькими, подтолкнуло Хокинга к рассмотрению того, какие квантовые эффекты могут в этом случае проявиться. В 1974 г. он пришёл к знаменитому выводу, что чёрные дыры способны не только заглатывать частицы, но и выплёвывать их. Хокинг предсказал, что дыра испускает тепловое излучение, как нагретая печка, причём температура обратно пропорциональна массе дыры. Для чёрной дыры массой, равной массе Солнца, температура составляет примерно одну миллионную кельвина, что пренебрежимо мало в теперешней Вселенной. Но если масса чёрной дыры равна 1012 кг, т.е. примерно массе горы, то температура равна 1012 К, и этого достаточно, чтобы такая дыра испускала как безмассовые частицы типа фотонов, так и массивные типа электронов и позитронов.

Поскольку при испускании уносится энергия, масса чёрной дыры уменьшается. Таким образом, чёрная дыра в высшей степени нестабильна. При сжатии она становится всё горячее, испуская всё более энергичные частицы и сжимаясь всё быстрее и быстрее. Когда дыра усыхает до 106 кг, игра сделана: в течение одной секунды она взрывается, выделяя энергию, как при взрыве атомной бомбы в 1 млн мегатонн. Полное время испарения чёрной дыры пропорционально кубу её начальной массы. Для дыры солнечной массы время жизни ненаблюдаемо велико и составляет 1064 лет. Для дыры массой 1012 кг оно равно 1010 лет, т.е. примерно соответствует современному возрасту Вселенной. Таким образом, любая первичная чёрная дыра такой массы завершает своё испарение и взрывается прямо сейчас, на наших глазах. Более маленькие чёрные дыры должны были испариться в более раннюю космологическую эпоху.

Работа Хокинга стала невероятным концептуальным рывком, т.к. соединила вместе три ранее разделённые области физики – общую теорию относительности, квантовую теорию и термодинамику. Это был также шаг к полной квантовой теории гравитации. Даже если первичные чёрные дыры никогда на самом деле не образовывались, размышления об их свойствах привело к существенным физическим прозрениям. Таким образом, иногда может оказаться полезным изучение даже того, что не существует.

В частности, открытие Хокинга выявило глубокий парадокс, являющийся ключом к пониманию тех трудностей, которые не позволяют объединить общую теорию относительности и квантовую механику. Согласно теории относительности, информация о том, что попадает внутрь чёрной дыры, теряется навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с содержащейся внутри информацией? Хокинг предположил, что чёрные дыры испаряются полностью, уничтожая информацию, но это противоречит принципам квантовой механики. Уничтожение информации вступает в противоречие с законом сохранения энергии, так что подобный сценарий становится неприемлемым.

В равной степени неприемлема и другая возможность, что чёрные дыры оставляют после себя остатки. Для того, чтобы в этих остатках была закодирована вся информация, которая могла попасть внутрь чёрных дыр, должно существовать бесконечное число типов таких остатков. Законы физики предсказывают, что скорость образования частицы пропорциональна числу разновидностей этой частицы. Поэтому остатки чёрных дыр образовывались бы с бесконечной скоростью. Даже такой повседневный физический процесс, как включение микроволновой печи, генерировал бы эти остатки. Природа была бы катастрофически нестабильной. Третья возможность состоит в том, что нарушается локальность – представление о том, что разделённые в пространстве события могут влиять друг на друга только после того, как свет успеет пройти расстояние между ними. Эта головоломка до сих пор не поддаётся усилиям теоретиков.

В поисках чёрных дыр

Прогресс в физике обычно требует определённого толчка со стороны эксперимента, так что вопросы, возникшие при изучении микроскопических чёрных дыр, побуждают к эмпирическим поискам этих объектов. Одна из возможностей состоит в том, что астрономам удастся выявить первичные чёрные дыры начальной массой 1012 кг, которые взрываются в сегодняшней Вселенной. Большая часть их массы должна переходить в гамма-излучение. В 1976 г. С.Хокинг и Д.Пейдж поняли, что наблюдения фона гамма-излучения устанавливают жёсткое верхнее ограничение на число таких дыр. Например, они не могут быть существенной составной частью тёмной материи во Вселенной, а взрывы таких дыр находятся на грани возможностей наблюдения. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн с коллегами предположили, что самые короткие вспышки гамма-излучения могут быть взрывами первичных чёрных дыр. Хотя более длительные вспышки считаются связанными с взрывающимися или сталкивающимися звёздами, короткие взрывы могут иметь и другое объяснение. Этот вопрос выяснится в будущих наблюдениях, но сама возможность того, что астрономические наблюдения могут исследовать конечные стадии испарения чёрных дыр, представляется очень соблазнительной.

Ещё более волнующей возможностью является рождение чёрных дыр на ускорителях частиц. После того, как удастся получить большие плотности пучков, ни один из ускорителей не сможет превзойти БАК и «Теватрон» в Национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми под Чикаго. Эти машины ускоряют субатомные частицы, например протоны, до скоростей, чрезвычайно близких к скорости света. В этом случае частицы приобретают огромную кинетическую энергию. Так, на БАК энергия протона будет порядка 7 ТэВ. В соответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна Е = mс2 эта энергия эквивалентна массе 10–23 кг, т.е. в 7000 раз больше массы протона. Когда две такие частицы сталкиваются и сближаются на малое расстояние, их энергия концентрируется в крохотной области пространства. Поэтому не исключено, что изредка сталкивающиеся частицы могут оказаться достаточно близко друг к другу и образовать чёрную дыру.

В такой форме рассуждение представляется неубедительным. Дело в том, что масса, равная 10–23 кг, невероятно мала по сравнению с планковской массой 10–8 кг, которая, согласно общепринятой теории, является минимально возможной массой чёрной дыры. Этот нижний предел следует из соотношения неопределённостей в квантовой механике. Так как частицы проявляют и волновые свойства, то они размазаны по области, размеры которой уменьшаются с ростом энергии и составляют при энергии БАК величину порядка 10–19 м. Отсюда следует, что минимальная область, в которой может быть сконцентрирована энергия сталкивающихся частиц, имеет тот же порядок. Это соответствует плотности 1034 кг/м3, что, конечно, очень много, но недостаточно для образования чёрной дыры. Чтобы частица была и досточно энергичной, и сосредоточенной в достаточно малой области пространства, чтобы могла образоваться дыра, она должна обладать планковской энергией, которая в 1015 раз превышает энергию БАК. Хотя на ускорителях могут создаваться (и, по мнению отдельных теоретиков, это уже происходило) объекты, математически связанные с чёрными дырами, сами по себе чёрные дыры остаются в недосягаемой области.

Квантовые черные дыры

Проникновение в другие измерения

В последнее десятилетие физики осознали, что стандартная оценка необходимой планковской плотности может быть завышенной. Теория струн – одна из главных кандидатов на квантовую теорию гравитации – предсказывает, что пространство имеет дополнительные к трём обычным пространственные измерения. В противоположность другим силам природы гравитация может проникать в эти измерения и в результате неожиданно становиться намного сильнее на малых расстояниях. В трёхмерном пространстве, если расстояние между телами уменьшается вдвое, сила тяготения становится в четыре раза больше. Но в пространстве девяти измерений эта сила увеличивается в 256 раз. Это явление может быть важным, если дополнительные измерения пространства достаточно велики. Такая возможность широко исследовалась в последние несколько лет. Возможны и другие конфигурации дополнительных измерений, так называемые скрученные компактификации, обладающие тем же свойством усиления гравитации и способные осуществляться с большей вероятностью, если сама теория струн верна.

08-08.gif (32407 bytes)

Такой усиливающийся рост силы гравитационного взаимодействия означает, что истинный масштаб энергий, при которых начинают конфликтовать законы гравитации и квантовой механики, а следовательно, могут рождаться чёрные дыры, оказывается намного меньше традиционного значения. Хотя пока что нет никаких экспериментальных подтверждений этой возможности, сама идея проясняет множество теоретических загадок. Если всё это верно, то плотность материи, требуемая для рождения чёрных дыр, вполне может находиться в пределах возможностей БАК.

Квантовые черные дыры

Теоретическое изучение рождения чёрных дыр в соударениях при высоких энергиях восходит к работам Р.Пенроуза (1970-е) и П.д’Ита и Ф.Пейна (1990-е). Открытая затем возможность существования больших дополнительных измерений вдохнула новую жизнь в эти исследования и побудила Т.Бенкса и В.Фишлера дать в 1999 г. предварительный обзор проблемы.

На рабочем совещании в 2001 г. две группы учёных независимо описали, что должно в действительности наблюдаться на коллайдерах типа БАК. Проделав ряд вычислений, они были ошеломлены. Грубые оценки показывали, что при самых оптимистичных сценариях, соответствующих наименьшему приемлемому значению планковского масштаба, чёрные дыры могли бы рождаться ежесекундно! Ускоритель, производящий частицы с такой скоростью, физики называют «фабрикой». Таким образом, БАК может стать фабрикой чёрных дыр.

Испарение этих дыр должно оставлять вполне определённые следы в детекторах. Типичные соударения образуют умеренное число частиц высоких энергий. В случае распадающейся чёрной дыры это не так. Согласно работе Хокинга, дыра испускает во все стороны большое число частиц очень больших энергий. Продукты распада включают все известные в природе сорта частиц. С тех пор несколько групп учёных проделали всё более детальный анализ тех примечательных следов, которые чёрные дыры будут порождать в детекторах БАК.

Ливни чёрных дыр?

Перспектива производства чёрных дыр на Земле может кому-то показаться крайне безрассудной. Откуда мы знаем, что они будут спокойно распадаться, как предсказывает Хокинг, а не продолжать расти, поглотив в конце концов всю нашу планету? На первый взгляд, всё это кажется серьёзной трудностью, особенно если учесть, что ряд деталей исходных рассуждений Хокинга может оказаться неверным, в частности, утверждение, что чёрные дыры уничтожают поглощённую ими информацию. Однако оказывается, что из общих квантовых принципов следует, что микроскопические чёрные дыры не могут быть стабильными, а следовательно, безопасны. Скопления массы-энергии в элементарных частицах стабильны только в том случае, когда их распад запрещён каким-то законом сохранения. Примерами могут служить законы сохранения электрического заряда или барионного числа (этот закон, хотя и немного нарушается, но обеспечивает стабильность протонов). Никаких подобных законов сохранения для стабилизации маленькой чёрной дыры не существует. В квантовой теории всё, что прямо не запрещено, обязательно происходит, так что малые чёрные дыры будут быстро распадаться в согласии со вторым началом термодинамики.

На самом деле простой эмпирический аргумент показывает, что фабрики чёрных дыр не таят в себе опасности. Соударения при высоких энергиях, планируемые на БАК, уже имели место, например, в ранней Вселенной, и имеют место сейчас, когда атмосферу Земли пронизывает космическое излучение высокой энергии. Таким образом, если соударения на БАК могут породить чёрные дыры, то природа без всяких проблем осуществляет это же самое прямо над нашими головами. Первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космическое излучение наивысшей энергии – протоны или более тяжёлые атомные ядра с энергиями, достигающими 109 ТэВ, – могут рождать в атмосфере до 100 чёрных дыр в год.

Кроме того, рядом учёных было теоретически показано, что соударения космических нейтрино могут быть ещё более продуктивными. Если это верно, то новая обсерватория космического излучения в Аргентине, в настоящее время накапливающая данные, а также усовершенствованная обсерватория в штате Юта смогут зарегистрировать несколько дыр в год. Однако существование этих обсерваторий не отменяет необходимость ускорительных экспериментов, в которых чёрные дыры могут рождаться чаще, в больших количествах и в более контролируемых условиях.

Производство чёрных дыр может открыть целое новое направление в физике. Само их существование будет доказательством существования ранее скрытых измерений пространства, а, наблюдая свойства чёрных дыр, физики смогут начать исследование географии этих измерений. Например, если ускорители будут производить чёрные дыры растущей массы, эти дыры будут глубже проникать в дополнительные измерения и могут стать сравнимыми по величине с одним или более из них, что приведёт к определённому изменению зависимости температуры дыры от её массы. Аналогично, если чёрная дыра вырастет настолько, что пересечёт параллельную трёхмерную Вселенную в направлении дополнительных измерений, то внезапно сильно изменятся её свойства распада.

Производство чёрных дыр на ускорителях станет и концом пронизавших всю историю человечества попыток понять структуру материи на всё более малых расстояниях. В прошлом веке физикам удалось передвинуть границу непознанного в сторону малых расстояний – от пылинок к атомам, затем к протонам и нейтронам и так до кварков. Если учёным удастся создать чёрные дыры, они достигнут планковского масштаба, который, как полагают, является наименьшей имеющей смысл длиной, тем предельным расстоянием, за которым, вероятно, теряют смысл сами понятия пространства и длины. Любая попытка исследовать возможность существования меньших расстояний с помощью соударений при более высоких энергиях неизбежно приведёт к рождению чёрных дыр. Вместо того, чтобы измельчать материю на всё меньшие кусочки, соударения при больших энергиях будут просто рождать чёрные дыры всё бКвантовые черные дырыльших размеров. Таким образом, появление чёрных дыр будет знаком приближения к границе научных исследований. Однако вместо этого появится новый фронт исследований – изучение географии дополнительных измерений пространства.

Источник: www.sites.google.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.