Физик из Университета Вандербильта потратил несколько месяцев своей жизни, чтобы рассчитать, при каких условиях микроскопическая чёрная дыра, пролетев сквозь ваше тело, сможет вас убить — и пришёл к выводу, что гравитация катастрофически слаба для этой задачи.
Звучит как бред сумасшедшего? Возможно. Но именно такие «безумные» вопросы двигают науку вперёд. Пока мы с вами беспокоимся о курсе доллара и сроках годности йогурта в холодильнике, Роберт Шеррер публикует в престижном International Journal of Modern Physics D статью с обезоруживающе прямолинейным названием: «Гравитационные эффекты малой первичной чёрной дыры, проходящей через человеческое тело».
И знаете что? Это не научная фантастика. Это вполне серьёзная работа, которая заставляет задуматься о том, насколько мы вообще понимаем Вселенную вокруг нас.
Чёрные дыры, которых вы никогда не видели
Когда мы слышим словосочетание «чёрная дыра», воображение услужливо рисует монстра размером с галактику, пожирающего звёзды на завтрак. Спасибо Голливуду и «Интерстеллару». Но реальность, как всегда, интереснее.
Первичные чёрные дыры — это совершенно другой зверь. Они не образовались из умирающих звёзд. Они появились в первые доли секунды после Большого взрыва, когда Вселенная была настолько плотной и горячей, что случайные флуктуации плотности могли коллапсировать сами в себя. Буквально — складки пространства-времени, застывшие с рождения мира.
И вот что по-настоящему сносит крышу: эти штуки могут быть крошечными. Мы говорим о массах от 10¹⁷ до 10²² граммов. Для сравнения: это диапазон от небольшого астероида до чего-то вроде карликовой планеты. Но при этом их размер — радиус Шварцшильда — составляет менее 10⁻⁶ сантиметра. Меньше атома. Меньше всего, что вы способны вообразить.
Парадокс? Ещё какой. Масса горы, упакованная в точку меньше клетки вашего тела.
И самое пикантное: многие физики всерьёз полагают, что именно эти невидимые путешественники составляют значительную часть тёмной материи — той самой загадочной субстанции, которая держит галактики от распада, но которую мы никак не можем поймать.
Зачем вообще это считать?
Научный мир устроен забавно. Исследователи тратят годы на вопросы, которые нормальному человеку покажутся либо очевидными, либо бессмысленными. Но именно эта кажущаяся бессмысленность часто ведёт к прорывам.
Роберт Шеррер объясняет свою мотивацию довольно прозаично. Несколько лет назад его коллеги опубликовали работу о макроскопической тёмной материи — гипотетических объектах, которые могли бы оставлять следы при столкновении с людьми. Тогда удалось показать, что отсутствие таких травм у населения Земли позволяет установить ограничения на свойства этой материи.
Логика железная: если что-то существует в достаточном количестве и способно нас убивать — мы бы уже заметили трупы.
Первичные чёрные дыры — кандидат на роль тёмной материи. Значит, нужно проверить: могут ли они нас убить? И если да — на каких условиях?
Более того, ещё в 1974 году писатель-фантаст Ларри Нивен описал эффект прохождения микро-чёрной дыры через человека. Но то была художественная литература. Шеррер решил превратить фантазию в уравнения.
Два способа умереть красиво
Итак, допустим, первичная чёрная дыра пролетает сквозь вас. Что произойдёт?
Шеррер рассматривает два сценария — и оба звучат как описание из фильма ужасов.
Ударная волна. Чёрная дыра движется со скоростью около 200 километров в секунду — типичная скорость объектов тёмной материи в нашей галактике. Это значительно быстрее скорости звука в тканях тела (около 1,5 км/с). При таком пролёте образуется сверхзвуковая ударная волна, которая распространяется от траектории объекта во все стороны.
По сути, это похоже на пулевое ранение — только пуля невидима, не оставляет входного отверстия и проходит насквозь за микросекунды.
Физик использует формулу, изначально разработанную для расчёта сейсмических эффектов от прохождения чёрной дыры через Землю, и адаптирует её для человеческого тела. Ткани рассматриваются как вода (что вполне корректно — мы на 70% состоим из неё).
Приливные силы. Второй механизм ещё более жуткий. Гравитация чёрной дыры создаёт чудовищный градиент силы притяжения на коротких расстояниях. Одна сторона клетки притягивается сильнее другой. Результат — клетка буквально разрывается пополам.
Мозговые нейроны особенно уязвимы. Достаточно силы в 10-100 наноньютонов, приложенной в течение нескольких микросекунд, чтобы нейрон распался на части. Красиво? Нет. Эффектно? Безусловно.
Магия чисел
Вот где начинается самое интересное — холодная математика смерти.
Шеррер берёт за порог серьёзной травмы энергию в 100 джоулей. Почему именно столько? Потому что это примерная дульная энергия пули калибра .22 — минимальный калибр, способный убить человека. Военные и судмедэксперты давно установили эту границу.
Подставляем в уравнение: плотность тела — 1 г/см³, скорость чёрной дыры — 200 км/с, путь через тело — около 10 сантиметров. Крутим ручку математической мясорубки и получаем:
Минимальная масса для серьёзной травмы: 1,4 × 10¹⁷ граммов.
Переводим на человеческий язык: это примерно триллион тонн. Масса небольшого астероида. Для сравнения — астероид Бенну, к которому недавно летал зонд OSIRIS-REx, весит около 78 миллионов тонн. Наша «смертоносная» чёрная дыра должна быть примерно в 1300 раз тяжелее.
А что с приливными силами? Тут расчёты дают ещё более впечатляющие цифры: нужна масса от 7 × 10¹⁸ до 7 × 10¹⁹ граммов, чтобы разорвать клетки мозга на достаточно большой площади.
Вывод парадоксальный: ударная волна опаснее, чем буквальное раздирание на части. Гравитация настолько слаба, что даже астероид, сжатый в точку, пролетит сквозь вашу голову — и нейроны этого не заметят.
Расслабьтесь, вы в безопасности
Теперь главный вопрос: насколько вероятно такое столкновение?
Шеррер честен до беспощадности. Он берёт население Земли (8 миллиардов человек), среднюю площадь поверхности тела (около квадратного метра), скорость чёрной дыры, максимально возможную плотность тёмной материи в нашей окрестности — и получает частоту событий.
Результат: 10⁻¹⁸ событий в год.
Чтобы вы понимали масштаб этого числа: возраст Вселенной — около 10¹⁰ лет. Даже если бы люди существовали с момента Большого взрыва, вероятность хотя бы одного такого события оставалась бы исчезающе малой.
Можете спать спокойно. Первичная чёрная дыра не убьёт вас сегодня ночью. И завтра тоже. И через миллиард лет, когда человечества, скорее всего, уже не будет.
Ирония в том, что именно этот отрицательный результат делает исследование ценным. Отсутствие смертей от микро-чёрных дыр ничего не говорит нам о их существовании — их просто слишком мало, даже если они реальны.
Гравитация — лузер космических масштабов
Самый глубокий вывод статьи Шеррера — не о чёрных дырах. Он о фундаментальной слабости гравитации.
Мы привыкли думать о гравитации как о могущественной силе. Она держит нас на Земле, удерживает планеты на орбитах, не даёт галактикам разлететься. Но в сравнении с другими фундаментальными взаимодействиями гравитация — жалкий карлик.
Электромагнитная сила, скрепляющая атомы в молекулы, в 10³⁶ раз мощнее гравитации. Это тридцать шесть порядков! Даже слабое ядерное взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад, оставляет гравитацию далеко позади.
Вот почему чёрная дыра массой с астероид может пройти сквозь человека и не оставить следа. Гравитационные силы, которые она создаёт, попросту теряются на фоне электрических сил, удерживающих ваши молекулы вместе.
Это заставляет задуматься о нашем месте во Вселенной. Мы существуем благодаря электромагнетизму — благодаря химическим связям, нервным импульсам, свету. Гравитация важна для планет и звёзд, но для нас, крошечных биологических машин, она почти иррелевантна.
Так зачем всё это?
Можно сколько угодно иронизировать над учёными, которые рассчитывают шансы погибнуть от чёрной дыры. Но именно такие исследования формируют нашу картину мира.
Работа Шеррера показывает: мы не можем использовать отсутствие «чёрнодырных смертей» как аргумент против существования первичных чёрных дыр. Они могут летать сквозь нас прямо сейчас — и мы никогда об этом не узнаем.
Это и пугает, и странным образом успокаивает. Вселенная полна объектов, о которых мы не имеем ни малейшего представления. Тёмная материя составляет четверть массы-энергии космоса, а мы до сих пор не знаем, что это такое.
Первое упоминание эффекта микро-чёрной дыры на человека появилось в фантастическом рассказе 1974 года. Полвека спустя физик превратил фантазию в рецензируемую статью. Ещё через полвека, возможно, кто-то найдёт способ эти дыры обнаружить.
А пока мы можем наслаждаться абсурдной красотой вопроса: какого размера должен быть гравитационный коллапс, чтобы испортить вам день? Ответ — примерно триллион тонн. Но даже тогда шансы столкновения настолько малы, что вам стоит больше беспокоиться о падающих кокосах.
Наука прекрасна именно своей готовностью отвечать на вопросы, которые никто не додумался задать.