Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
будет равен примерно 3* 10 14 см, т. е. примерно радиусу элементарных
частиц. Здесь уже таится коварная ловушка. Когда черная дыра была еще
большой, она в основном состояла из нуклонов - протонов и нейтронов. Ко
число нуклонов должно в природе сохраняться (также сохраняется и число
электронов). При этом счет числа частиц ведется так, что пары частица -
античастица отбрасываются. Говорят, что нуклоны имеют нуклонный заряд,
равный единице, а антинуклоны - минус единице. Тогда сохранение числа
нуклонов формулируют как сохранение барионного заряда:
N (нуклонов) - N (антинуклонов) = барионный заряд.
Черная дыра, сгорая и уменьшаясь в размерах, не может уменьшить число
нуклонов. В системе с размерами 10 14 см должно содержаться столько же
нуклонов, сколько их было в звезде с массой 1015 г.
Это кажется невероятным. Еще труднее понять,
как могут нуклоны исчезнуть. Если барионный заряд не сохраняется, то
проблемы нет. Черная дыра сгорит, и барионный заряд Вселенной
уменьшится. Черная
дыра представляется тогда неким механизмом, который "перерабатывает"
тяжелые частицы в излучение. Такое решение выглядит странным.
Если же барионный заряд сохраняется, то непонятно, какова будет судьба
остатка черной дыры с огромным барионным зарядом и малой массой. По-
видимому,
свойства такой системы не могут быть описаны без новых идей.
Вопрос о том, стабилен ли протон, может ли он превратиться, например, в
позитрон, оказался сейчас в центре дискуссий в физике элементарных
частиц.
Есть довольно веские основания ожидать, что протон
143
в обычных условиях может превратиться в позитрон, только с очень малой
вероятностью. Время только распада, по очень грубой оценке, составляет
1031 - 1033лет.
Сейчас начали строить первые экспериментальные установки для проверки
теоретических предсказаний.
Термодинамика, примененная к черным дырам, привела к очень глубоким новым
проблемам.
ОХЛАЖДЕНИЕ ПУЧКА АНТИПРОТОНОВ
Неожиданно и очень эффектно понятие температуры было использовано в идее
создания протонных и антипротонных пучков, высказанной Г. Буд-кером.
Много лет назад, обсуждая происхождение космических лучей, Ферми
рассматривал возможность ускорения частиц хаотическими магнитными полями
в космосе. Возник вопрос, будут ли частицы ускоряться или замедляться,
пролетая "магнитные облака". В статье Ферми по этому поводу написано:
"Рассмотрим теперь быструю частицу, движущуюся среди таких блуждающих
магнитных полей. Если этой частицей является протон с энергией несколько
Гэв, то он будет двигаться вокруг силовой линии по спирали с радиусом
около 1012см до тех пор, пока не произойдет "соударение" с
неоднородностью магнитного поля. При этом протон отражается несколько
беспорядочным образом: в результате соударения может произойти как
выигрыш, так и потеря энергии. Однако выигрыш энергии более вероятен, чем
потеря. К этому выводу легче всего прийти, если заметить, что в конечном
счете должно установиться статистическое распределение между степенями
свободы блуждающих полей и степенями свободы частицы. Ясно, что
равномерное распределение (по степеням свободы) соответствовало бы
невообразимо высокой энергии...". В идеальном случае энергия протона
должна была бы сравняться с энергией грандиозного облака. Этого, конечно,
не произойдет.
Дальше в статье Ферми обсуждаются причины, которые не дадут установиться
статистическому тепловому равновесию. Можно сказать, что передача тепла
от блуждающих полей к протонам будет происходить очень медленно, по
направлению потока энергии от полей к протонам устанавливается
безошибочно. Красивое
144
рассуждение, основанное на аналогии с выравниванием температуры,
позволило просто получить качественное решение трудной задачи.
Похожие рассуждения привели Г. Будкера к идее, которую сейчас проверяют
на ускорителях. Пучок антипротонов, получаемый на ускорителе, состоит из
частиц, импульсы которых разбросаны по направлениям. Это значит, что у
частиц существует случайно распределенный поперечный импульс, причем
ширина этого распределения довольно велика. Надо уменьшить этот разброс.
Импульс в направлении пучка (продольный импульс) также несколько
разбросан по величине, но этот разброс нас не интересует - он
замаскирован большим упорядоченным импульсом частиц в пучке.
Распределение поперечных импульсов можно характеризовать некоторым
подобием температуры. Чем больше разброс, тем больше "поперечная"
температура пучка.
Идея состояла в том, чтобы вместе с пучком антипротонов, в смеси с ним,
направить пучок электронов. Пучок электронов может быть сделан с очень
малым разбросом поперечных импульсов, т. е. он будет иметь низкую
"поперечную" температуру. Но если разброс импульсов у электрона мал, то
электроны находятся в более упорядоченном состоянии (это и значит, что их
поперечная температура мала, а у тяжелых частиц разброс велик - их
температура выше) и возникает поток тепла от антипротонов к электронам.
