09.02.2008   l   14:08
12.02.2007
Мироздание в картинках или границы реальности (окончание)

Мы изобразили сказанное в первой части статьи на рисунке. По горизонтальной оси отложен масштаб R в сантиметрах, по вертикальной - масса m в граммах (то и другое в логарифмическом масштабе). Мы видим, что область допустимых масс ограничена сверху линией чёрных дыр, снизу --- линией элементарных частиц, по мере уменьшения масштаба эта область уменьшается и при R = 10 -33 см исчезает совсем. В полости такого размера можно разместить 0,02 миллиграмма материи --- ни больше, ни меньше! В этой точке элементарная частица становится чёрной дырой (а чёрная дыра - элементарной частицей).

Получается, что расстояний, меньших чем 10 -33 см, в природе не существует -- как не существует зарядов, меньших, чем заряд кварка, или моментов импульса, меньших чем h/2. По крайней мере, если речь идёт о таких расстояниях, то само понятие "расстояние" утрачивает привычный нам смысл. Может быть, что на таком масштабе фундаментальными объектами становятся вовсе не точки, а линии (струны) или же элементарные ячейки конечного объёма. Минимальная длина носит название планковской. Это потому, что Макс Планк предложил "естественные" единицы измерения, на основе скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка (после введения которой и возникла триада фундаментальных констант). Будучи "естественными" с точки зрения фундаментальной физики, эти единицы крайне неестественны с точки зрения обывателя: планковское время составляет t P =5 x 10 -44 сек, планковская масса m P =0,02 мг. Это масса самой тяжёлой, какую только можно представить, элементарной частицы и самой лёгкой чёрной дыры.

Планковская масса задаёт естественное деление на макромир (на рисунке - область выше оси абсцисс) и микромир.*) Микромир описывается квантовой теорией - там господствуют сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. В макромире доминируют гравитационные взаимодействия, квантовая теория которых до сих пор не построена. Единой физической картины мира нет. Считается, что её можно увидеть на планковском масштабе, где ожидается проявление эффектов квантовой гравитации и возможно описание всех типов взаимодействий в рамках единой теории.

Однако, ускорители (включая LHC, см. УП от 09.11.2006) позволяют прозондировать расстояния до 10 -18 см, а при столкновениях самых энергичных частиц из космических лучей с атомами атмосферы могут возбуждаться структуры размером до 10 -19 см. На рисунке этот масшаб показан вертикальной пунктирной линией вблизи начала координат (точки P). Область слева от неё экспериментальным наблюдениям в обозримом будущем недоступна, в лучшем случае удастся получить лишь косвенные данные. На данный момент это область теоретических спекуляций, в качестве критерия истины здесь довольно часто привлекаются эстетические соображения. Буквами "ТВО" на рисунке обозначены гипотетические бозоны, проявляющеися на масштабе "великого объединения", где электромагнитные, слабые и сильные взаимодейтвия становятся, как предполагается, различными проявлениями одного универсального взаимодействия.

Перейдём к большим расстояниям. Буквой U обозначена т.н. "видимая часть Вселенной". Это область пространства, по которой к настоящему моменту времени разлетелось вещество, излучение которого успело дойти до нас. Получается, что "видимая часть Вселенной" - это не то, что мы непосредственно видим, а некий умозрительный объект, существующий в определённой теоретической модели... Уфф! Впрочем, представить всю Вселенную целиком во всякое время было не так просто. Вот и теперь: возраст Вселенной считается равным 13,7 млрд. лет, а радиус видимой части - 46,5 млрд. световых лет. И это вовсе не противоречит принципу, что скорость передачи информации не может превышать скорость света: "видимая" часть Вселенной успела раздуться до таких размеров из-за кривизны пространства-времени (не пространства!). Что касается "оптического диапазона", то область вокруг точки U покрыта туманом, хотя и не таким густым, как область возле точки P. Этот туман постепенно рассеивается и ситуация становится более-менее прозрачной на мысленной линии, соединяющей точки, "Ядро Галактики" и "Солнечная система" (включая пояс Оорта).

Линия чёрных дыр обрывается при расстояниях на 2-3 порядка превосходящих размер Галактики. Это потому, что про чёрные дыры таких размеров вряд ли можно сказать что-либо определённое: возникает вопрос, совместимо ли существование чёрных дыр такого размера с космологическим расширением (разбеганием галактик)?

Забота утят о стабилизации Метагалактики неразрывно связана с вполне земными, насущными проблемами. Дело в том, что вследствие космологического расширения, диаметр Земли увеличивается на 1 мм за 2 года. За 2 миллиона лет набегает целый километр, а это уже не шуточки (что будет через миллиард лет, даже и подумать страшно). Утят беспокоит, что Земля может не потерпеть такого безобразия и при возвращении в равновесное состояние несколько сморщить свою поверхность. А ведь каждая микроскопическая морщинка на лице Земли может иметь негативные последствия для мест обитания утят, что абсолютно недопустимо (я уж не говорю о прыщиках, типа Везувия)! Необходимо точно установить реальность такой угрозы.

Что касается стабильности чёрных дыр, то вследствие квантовых эффектов чёрная дыра радиуса R излучает как абсолютно чёрное тело**) температуры ~ 1/R, при этом она "испаряется". Такое испарение приводит к тому, что масса чёрной дыры уменьшается и чёрная дыра живёт конечное время: T ~ 10 4 t P (m/m P) 3. Чёрная дыра массой 1 тонну проживёт всего 1 микросекунду, а 1 млн. тонн - 30 тыс. лет.

По мере уменьшения массы чёрной дыры роль квантовых эффектов возрастает (а время жизни уменьшается) и на планковском масштабе (точка P) становится определяющей. С точки зрения макромира, масса Планка - это точка "включения" квантовых эффектов. Если подходить к точке P из квантового мира, вдоль линии элементарных частиц, то будет наблюдаться постепенное возрастание роли гравитационных сил: в атоме они в 10 40 раз слабее электромагнитных, а в точке P их величины становятся сопоставимыми. При взгляде "снизу", масса Планка - это точка "включения" гравитационного взаимодействия.

Пунктирная линия справа (это линия постоянной плотности) соответствует реликтовому излучению (плотность 4,5 x 10 -34 г/см 3). Справа от неё находится область ещё более низких плотностей - но насколько реально попасть туда? Ведь для этого нужно не только создать в полости заданного размера абсолютный вакуум, но и поддерживать температуру стенок полости вблизи абсолютного нуля - тем ниже, чем меньшей плотности теплового излучения мы хотим достичь. Более того, Perseus (УП от 07.08.2006) писал, что в слишком уж пустом пространстве при определённом типе метрики может начаться рождение элементарных частиц.

___
*) Любопытно, что грань между макро- и микроорганизмами в биологии проходит примерно там же.
**) Абсолютно чёрное тело - это тело с нулевой отражательной способностью. Идеальным примером абсолютно чёрного тела является Солнце...