Черные дыры могут вызвать коллапс Вселенной

Физики, работающие с крупнейшим в мире ускорителем частиц — Большим адронным коллайдером — уверяют общественность, что даже если черные дыры там появятся, планету они не поглотят. Они также развеяли опасения на тему того, что какой-нибудь взрыв бозона Хиггса может привести к тому, что вакуум пустого пространства может коллапсировать. Однако трое теоретиков рассчитали, что цепная реакция, которую может вызвать миниатюрная черная дыра, все же вызовет коллапс. На чьей же стороне правда?

Сразу стоит отметить, что бояться нечего. Если бы такой сценарий был возможен, он мог случиться задолго до появления людей. «Вам не стоит кричать: кошмар, ужас! Мы собираемся уничтожить Вселенную», — говорит Ян Мосс, теоретик-космолог из Университета Ньюкасла в Великобритании и автор работы. Скорее, говорит он, это говорит о том, что какая-то неизвестная физика стабилизирует вакуум — чем поощряет физиков искать новые данные. Мосс также признает, что его работу могут принять неверно: «Я немного боюсь, что [известный теоретик] Джон Эллис обвинит меня в паникерстве».

Стабильность вакуума — известная проблема. С момента открытия предсказанного бозона Хиггса в 2012 году, физики знают, что пустой космос содержит «поле Хиггса», немного похожее на электрическое поле, которое состоит из бозонов Хиггса, «виртуально» скрывающихся в вакууме. Другие фундаментальные частицы, вроде электрона и кварков, взаимодействуют с этим полем и приобретают массу. Однако физики частиц подсчитали, что учитывая известную Стандартную модель элементарных частиц и измеренную массу бозона Хиггса, поле Хиггса может быть не в самом стабильном низкоэнергетическом состоянии. Скорее, оно может достичь более низких энергий, если обзаведется более высокой силой. И такой переход, сохраняющий энергию, может неизбежно привести к коллапсу вакуума и концу нашей Вселенной.

Почему этот коллапс не произошел? Оказывается, что чтобы добраться до нижнего энергетического состояния «истинного вакуума», поле Хиггса должно преодолеть гигантский энергетический барьер с помощью процесса, известного как квантовое туннелирование. Этот барьер настолько велик, что потребуется очень и очень много лет, намного больше возраста Вселенной, чтобы такой переход произошел. Теоретики пришли к выводу, что поле Хиггса «метастабильно», временно «застрявшее» в состоянии «ложного вакуума», и о проблеме коллапса вакуума не стоит переживать в принципе.

Но теперь, Мосс и физики-теоретики Филипп Бурда и Рут Грегори из Даремского университета в Великобритании утверждают, что этот аргумент разваливается на части, когда вы добавляете к нему микроскопические черные дыры — миниатюрные области пространства, гравитация которых настолько сильна, что их не может покинуть даже свет. Миниатюрные черные дыры могут выступить «зерном», которое запустит образование пузыря истинного вакуума в море ложного вакуума, подобно тому, как песчинка может вызвать образование пузыря пара в кипящей воде. Ученые объяснили свои выводы в работе, опубликованной Physical Review Letters.

Без такого зерна пузырь истинного вакуума неизбежно исчезнет. Все потому, что, несмотря на то что вакуум внутри пузыря обладает энергией ниже, чем вакуум за пределами пузыря, стенка этого пузыря, разделяющая оба типа вакуума, обладает весьма высокой энергией. Поэтому, такой пузырь может снизить общую энергию по мере уменьшения и исчезнет. Для пузырька с крошечной черной дырой внутри сценарий будет другим. Гравитация черной дыры изменит энергетический баланс, считает Мосс, поэтому любой пузырь достаточно малого размера может понижать энергию за счет роста. Такой пузырь может расшириться за долю секунды и поглотить видимую вселенную.

Эти черные дыры должны быть небольшими и, по всей вероятности, могут появиться из двух источников. Они могут быть «первичными» черными дырами, оставшимися со времен рождения Вселенной. Или же могут быть микроскопическими черными дырами, созданными в процессе столкновения частиц на БАК.

Стоит ли нам переживать? Мосс говорит «нет». Тот факт, что Вселенная существует уже 13,8 миллиарда лет, говорит о том, что первичный черные дыры не могут спровоцировать такой коллапс. Что касается черных дыр на БАК, даже если они могут быть созданы, они не породят хаос. В качестве доказательства можно привести космические лучи, которые врезаются в атмосферу и создают еще более высокие энергии столкновений частиц, чем позволено БАК. Таким образом, даже если такие столкновения и порождают черные дыры, эти черные дыры не могут привести к коллапсу вакуума, иначе космос испарился бы уже давным-давно.

Но самое главное, говорит Мосс, заключается в том, что теоретики больше не смогут отмахнуться от этой проблемы, полагая, что коллапс вакуума займет очень много времени. Демонстрируя — согласно Стандартной модели, — что коллапс должен быть быстрым, работа Мосса указывает в направлении некоторой новой физики, которая должна стабилизировать вакуум.

Другие не считают этот аргумент столь убедительным. Теоретики указывают на ряд сомнительных предположений в математической модели работы, говорит Винченцо Бранчина, теоретик Национального института ядерной энергии при Университете Катании. Джон Эллис, теоретик Королевского колледжа в Лондоне, ставит под сомнение согласованность расчета. К примеру, говорит он, она предполагает, что Стандартная модель корректно работает на высоких энергетических масштабах. Но единственный способ создать миниатюрную черную дыру на БАК будет лишь в том случае, если Стандартная модель треснет и пространство откроет новые измерения при значительно меньших энергиях. Тем не менее как Бранчина, так и Эллис подозревают, что есть что-то, что делает вакуум стабильным.