EKSPERIMENTI

Kvantne crne rupe

Još od kada su naučnici izumeli akceleratore čestica, pre skoro 80 godina, koristili su ih za cepanje atoma, proizvodnju antimaterije i stvaranje čestica koje nisu prethodno primećene u prirodi. Uz malo sreće, uskoro bi mogli doći do otkrića koje bi zasenilo sva prethodna. Akceleratori bi mogli proizvesti najmisterioznije objekte u svemiru – crne rupe.

Kada se pomisli na crne rupe, obično se se zamišljaju ogromna čudovišta koja mogu da progutaju sve svemirske brodove i zvezde. Ali, rupe koje bi mogle biti proizvedene u najbržim akceleratorima – možda već 2007, kada Large Hadron Collider ( LHC ) bude pokrenut u CERNu kod Ženeve – daleki su rođaci ovih astrofizičkih čudovišta. One bi bile mikroskopske veličine, u poređenju sa elementarnim čestica. Ne bi uništavale zvezde, dominirale galaksijama i predstavljale pretnju za našu planetu, ali bi u određenim elementima njihova svojstva bila čak i dramatičnija. Zbog kvantnih efekata, one bi isparile ubrzo nakon formiranja, osvetljavajući detektore čestica poput božićne jelke. Tako bi mogle otkriti kako je prostor - vreme isprepleten i da li ima neprimetne dimenzije.

Zemlja od 9 mm

U sadašnjem obliku, koncept crnih rupa potiče od Ajnštajnove opšte teorije relativiteta koja predviđa da, ukoliko je materija dovoljno kompresovana, njena gravitacija postaje toliko jaka da „ izreže “ jedan deo svemira iz kojeg ništa ne može pobeći. U crnu rupu mogu upasti objekti, ali ne mogu iz nje izaći. U najjednostavnijem slučaju, gde svemir nema skrivenih dimenzija ili onih dimenzija koje su manje od celine, njegova veličina je direktno proporcionalna njegovoj masi. Kada bismo kompresovali Sunce na prečnik od 3 km, što je oko 4 miliona puta manje od njegove sadašnje veličine, ono bi postalo crna rupa. Da bi Zemlja doživela istu sudbinu, bilo bi potrebno smanjiti je na prečnik od 9 mm. Tako, što je manja rupa, veći je stepen kompresije potreban da se ona stvori. Gustina do koje je neophodno sabiti materiju iznosi obrnuti kvadrat njene mase. Za rupu mase Sunca, gustina je oko 1019 kg po metru kvadratnom, što je veća gustina od atomskog jezgra. Ta gustina je otprilike najveća koja se može stvoriti u sadašnjem Univerzumu.

Ipak, kako je pokazao Stiven Hoking sedamdesetih godina prošlog veka, gustina je u ranim danima Univerzuma bila znatno veća jer, sa širenjem svemira, gustina opada. Crne rupe iz tog vremena poznate su kao „ praiskonske “ crne rupe.

Visoka gustina ranog Univerzuma bila je neophodna za stvaranje prvobitnih crnih rupa, ali ih nije garantovala. Da bi neki region prestao da se širi i da bi postao crna rupa, morao je imati gustinu veću od prethodne. To znači da su morale postojati fluktuacije u gustini. Astronomi znaju da su takve fluktuacije postojale, barem na velikom nivou, ili se strukture poput galaksija ne bi formirale. Za nastanak prvobitnih crnih rupa, ove fluktuacije su morale biti jače na manjem nivou. Čak i u odsustvu fluktuacija, rupe su se mogle formirati spontano u različitim fazama kosmološke tranzicije.

Rođenje	Faza „gubljenja kose“	Faza usporavanja

Crna rupa kao bomba

Shvatanje da bi crne rupe mogle biti male navelo je Hokinga da razmotri kvantne efekte koji su postojali. Godine 1974. došao je do zaključka da crne rupe, osim što gutaju čestice, izbacuju ih napolje. Hoking je predvideo da jedna rupa zrači toplotom poput vrelog uglja, uz temperaturu obrnuto proporcionalnu svojoj masi. Temperatura koja je dovoljno visoka emituje i čestice bez mase, poput fotona, kao i one sa masom, poput elektrona i pozitrona.

Zbog toga što zračenje odnosi energiju, masa rupe se smanjuje. Tako je crna rupa veoma nestabilna. Dok se smanjuje, postaje sve vrelija. Kada se rupa smanji na masu od oko 106 kg, u roku od jedne sekunde ona eksplodira uz energiju nuklearne bombe težine od milion megatona ! Ukupno vreme potrebno da crna rupa ispari proporcionalno je njenoj početnoj masi na kub. Naučnici su izračunali da bi vreme za eksplodiranje prvobitnih crnih rupa trebalo da bude upravo sada, nakon što su uzeli u obzir starost Univerzuma.

Ovo otkriće stvorilo je duboki paradoks koji pogađa u srž pitanja zašto se generalni relativitet i kvantna mehanika toliko ne slažu. Prema teoriji relativiteta, informacije o onome što upada u crnu rupu su zauvek izgubljene. Ako rupa ispari, šta se dešava sa informacijama koje su bile u njoj ? Hoking je nagovestio da crne rupe u potpunosti isparavaju, uništavajući informacije – što je u suprotnosti sa principima kvantne mehanike. Uništavanje informacija je u konfliktu sa zakonom o očuvanju energije. Alternativa da crne rupe ostavljaju ostatke za sobom, jednako je teško prihvatljiva. Teško je verovati da bi ovi ostaci mogli sadržati sve informacije koje su ušle u crnu rupu.

Pitanja koja su postavljena u vezi sa mikroskopskim crnim rupama motivišu naučnike da tragaju za njima. Jedna mogućnost je da naučnici otkriju prvobitne crne rupe kako eksplodiraju u sadašnjem Univerzumu. Većina mase ovih rupa bi se oslobodila u vidu gama zraka. U sedamdesetim godinama se smatralo da bi ove eksplozije bile suviše udaljene da bi bile uočene. Sredinom devedesetih je nagovešteno da bi kratki gama zraci mogli biti posledica eksplodiranja crnih rupa a ne dugi zraci, za koje se mislilo da su povezani sa zvezdama koje eksplodiraju ili se spajaju.

Svemir u više od tri dimenzije

Proizvodnja crnih rupa uz pomoć akceleratora čestica je još uzbudljivija mogućnost. U ovakvim napravama, subatomske čestice, poput protona, ubrzavaju se do brzine blizu svetlosne. Te čestice imaju ogromnu kinetičku energiju. Kada se dve takve čestice sudare, njihova energija biva koncentrisana u malom prostoru. Tako se može pretpostaviti da bi se ove čestice, koje se sudaraju, mogle dovoljno približiti da bi stvorile crnu rupu.

Problem je što ove čestice nemaju dovoljnu masu da formiraju crnu rupu. Da bi jedna čestica imala dovoljno energije i bila dovoljno kompaktna da formira crnu rupu, mora da ima Plankovu energiju, faktor koji je 1015 puta veći od onog koji postoji kod čestica u akceleratoru. Iako bi akceleratori mogli stvoriti objekte matematički bliske crnim rupama, same crne rupe se čine van domašaja. Ipak, tokom protekle decenije, fizičari su shvatili da bi procena o potrebnoj gustini mogla biti previsoka. Teorija stringova predviđa da svemir ima više od tri dimenzije. Gravitacija, poput drugih sila mogla bi obuhvatiti i ove druge dimenzije i tako postati neočekivano jaka na malim razdaljinama. U tri dimenzije, sila gravitacije se uveća četiri puta ako se razdaljina između dva objekta prepolovi. Ali, u devet dimenzija, gravitacija bi postala 256 puta jača. Ovaj efekat bi bio važan ako su te ekstra dimenzije svemira dovoljno velike.

Ovo pojačavanje gravitacije znači da bi prava energija potrebna za nastanak crnih rupa mogla biti na znatno nižem nivou od uobičajenog. Ako se ovo pokaže kao tačno, taj nivo bi mogao biti dostignut u akceleratoru čestica.

Jedno istraživanje iz 2001. pokazalo je da bi, imajući u vidu najnižu potrebnu količinu energije, crne rupe u najnovijem tipu akceleratora čestica ( CERNovom LHC - u ) mogle biti proizvedene stopom od jedne u sekundi. Fizičari stoga nazivaju LHC fabrikom crnih rupa.

Prilikom isparavanja ovih crnih rupa, došlo bi do oslobađanja velikog broja najrazličitijih čestica i biće vrlo značajno šta će detektori čestica uspeti da uoče tokom ovih procesa.

Sudari iznad naših glava

Mogućnost stvaranja crnih rupa na Zemlji može se učiniti kao ludost. Kako možemo biti sigurni da će one mirno nestati kao što predviđa Hoking, i da neće nastaviti da rastu i progutati celu planetu ? Na prvi pogled, ovo deluje kao ozbiljan problem kada se ima u vidu da su neki detalji prvobitne Hokingove teorije možda netačni – posebno tvrdnja da se u crnoj rupi gube informacije.

Takođe, naučnici smatraju da se sudaranja čestica nalik onim unutar LHCa stalno dešavaju u atmosferi, što bi značilo da se priroda stvara crne rupe iznad naših glava bez ikakvih posledica po nas. Neki proračuni pokazuju da bi se u atmosferi moglo stvarati oko 100 crnih rupa godišnje.

Proizvođenje crnih rupa bi otvorilo jednu potpuno novu granu fizike. Njihovo prisustvo bi bilo dokaz postojanja prethodno sakrivenih dimenzija prostora, a njihovim posmatranjem fizičari bi mogli da otkriju svojstva tih dimenzija. To bi označilo i kraj jednog od istorijskih poduhvata čovečanstva : razumevanja materije na najfinijoj skali. Tokom prošlog veka, naučnici su prešli put od atoma do protona i neutrona i potom do kvarkova. Ako uspeju da stvore crne rupe, dosegnuće Plankovu skalu, ispod koje se smatra da ideje o prostoru i dužini prestaju da postoje. Ali, bila bi načeta i nova potraga - istraživanje dodatnih dimenzija prostora.

NewScientist