Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
Шрифт:
Поэтому в обозримом будущем наиболее обещающим способом связи теории струн с экспериментальными данными будут предсказания, которые, конечно, можно объяснить с помощью более традиционных методов, но для которых гораздо более естественное и убедительное объяснение возникает из теории струн. Конечно, можно теоретизировать насчёт того, что я печатаю этот текст пальцами ног, но гораздо более естественная и убедительная гипотеза — и я оцениваю её как правильную, — что я всё-таки печатаю пальцами рук. Аналогичные рассуждения применительно к экспериментам, собранным в табл. 4.1, вполне могут служить косвенными подтверждениями правильности теории струн.
Таблица 4.1. Эксперименты и наблюдения, способные установить связь между экспериментальными данными и теорией струн
| Эксперимент/наблюдения | Объяснение |
|---|---|
| Суперсимметрия | В теории суперструн приставка «супер» отсылает к суперсимметрии — математической конструкции с чёткими следствиями: у каждой известной частицы должен иметься партнёр с такими же электрическими и сильными ядерными свойствами. Теоретики полагают, что эти частицы до сих пор не были обнаружены, потому что они тяжелее,
|
| Дополнительные измерения и гравитация | Поскольку пространство является средой для гравитации, увеличение числа измерений расширяет область действия гравитации. Подобно постепенному растворению капли чернил в стакане с водой, сила гравитации размывается при распространении сквозь дополнительные измерения — что, возможно, объясняет слабость гравитационного взаимодействия (когда вы поднимаете чашку с кофе, сила ваших мышц преодолевает гравитационное притяжение всей Земли). Если нам удастся измерить силу гравитации на расстояниях, меньших чем размер дополнительных измерений, это позволит ухватить её прежде, чем она растворится во всём пространстве, и, следовательно, есть шанс обнаружить более сильное притяжение. На сегодняшний день, измерения на расстояниях примерно в один микрон (10– 6 метра) не обнаружили никаких отклонений от предсказаний, сделанных для мира с тремя пространственными измерениями. Наличие отклонений при уменьшении расстояния даст убедительное доказательство существования дополнительных измерений. |
| Дополнительные измерения и потеря энергии | Если дополнительные измерения существуют, но их размер меньше микрона, то они недоступны для экспериментов, напрямую измеряющих силу гравитации. Однако Большой адронный коллайдер предлагает другие способы их обнаружения. Осколки, возникающие при лобовых столкновениях быстрых протонов, могут выпасть из привычных трёх больших измерений и оказаться в других измерениях (где по причинам, которые мы рассмотрим позже, эти осколки, возможно, станут частицами гравитации, или гравитонами). В таком процессе осколки уносят с собой энергию, в результате чего наши детекторы после столкновения должны зафиксировать потерю энергии. Такая потеря энергии может убедительно свидетельствовать в пользу существования дополнительных измерений. |
| Дополнительные измерения и чёрные мини-дыры | Обычно считается, что чёрные дыры — это остатки массивных звёзд, истративших своё ядерное топливо и схлопнувшихся под собственным весом, однако это слишком упрощённый подход. При достаточном сжатии стать чёрной дырой может всё, что угодно. Более того, если есть дополнительные измерения, то гравитация усиливается при действии на малых расстояниях, поэтому создать чёрную дыру будет легче, так как сильное гравитационное поле приводит к тому, что для создания того же самого гравитационного притяжения необходимо меньшее давление. Даже если столкнуть всего два протона на скоростях, достижимых на Большом адронном коллайдере, то можно накачать достаточно малый объём пространства таким количеством энергии, что запустится механизм образования чёрных дыр. Возникнет лишь слабое подобие чёрной дыры, но оно будет безошибочно узнаваемо. Математический анализ, основанный на работах Стивена Хокинга, показывает, что крошечные чёрные дыры быстро распадаются на более лёгкие частицы, следы которых могут быть обнаружены детекторами коллайдера. |
| Гравитационные волны | Хотя размер струны очень мал, но если найдётся способ как-то её ухватить, её можно растянуть до больших размеров. Для этого потребуется приложить силу более чем 1020 тонн, но растяжение струны — это всего лишь вопрос приложения достаточной энергии. Теоретики обнаружили экзотические ситуации, когда энергия подобного растяжения рождается в астрофизических процессах, порождающих длинные струны, растянутые в пространстве. Их можно обнаружить, даже несмотря на очень большую отдалённость. Вычисления показывают, что при колебании длинной струны в пространстве-времени порождаются гравитационные волны — весьма специального характера, поэтому они могут дать ясный наблюдательный знак. В течение следующих нескольких десятилетий, если не раньше, высокочувствительные детекторы, расположенные на Земле и, при условии достаточного финансирования, на орбите, могут обнаружить эти волны. |
| Реликтовое излучение | Реликтовое излучение уже продемонстрировало свои возможности в тестировании квантовой физики: экспериментально зафиксированные температурные колебания реликтового излучения возникают из квантовых флуктуаций, растянутых при пространственном расширении. (Вспомните пример со словами, написанными крохотными буквами на поверхности воздушного шарика, которые проявляются по мере надувания шарика.) Расширение пространства при инфляции так велико, что даже небольшие следы, оставленные струнами, могут растянуться настолько, чтобы их можно было обнаружить — возможно, это сделает спутник «Планк» Европейского космического агентства. Успех или неудача зависит от деталей поведения струн в ранней Вселенной — что за сообщение было оставлено струнами на поверхности раздувающегося вселенского шарика. Есть много разных идей и вычислений. Теоретики ждут, что скажут наблюдательные данные. |
Возможные эксперименты ранжируются от экспериментов по физике частиц на Большом адронном коллайдере (поиск суперсимметричных частиц и указаний на дополнительные измерения) до настольных экспериментов (измерение силы гравитационного притяжения на расстояниях одной миллионной доли метра и даже меньше) и астрономических наблюдений (поиск определённых типов гравитационных волн и малых температурных колебаний реликтового излучения). В табл. 4.1 объясняются разные подходы, но общая оценка легко прослеживается. Положительный исход любого из этих экспериментов может быть объяснён без привлечения теории струн. Например, хотя математическое описание суперсимметрии (см. первую строчку в табл. 4.1) изначально было открыто в теоретических исследованиях по теории струн, с тех пор оно также используется в неструнных теоретических моделях. Таким
Отрицательные результаты экспериментов гораздо менее полезны. Провал в поисках суперсимметричных частиц может означать, что они не существуют или что они слишком тяжёлые, чтобы быть обнаруженными даже на Большом адронном коллайдере; провал в поисках свидетельств существования дополнительных измерений может означать, что они не существуют или что они слишком малы, чтобы быть доступными нашим технологиям; провал в поисках микроскопических чёрных дыр может означать, что гравитация не становится сильнее на малых расстояниях, или что наши ускорители недостаточно мощные для более глубокого проникновения в микромир; провал в поисках струнных проявлений в наблюдениях гравитационных волн или реликтового излучения может означать неправильность теории струн, или что эти проявления слишком малы, чтобы быть измеренным на современном оборудовании.
На сегодняшний день наиболее вероятно, что даже самые многообещающие положительные результаты экспериментов не смогут определённо подтвердить правоту теории струн, а отрицательные результаты, скорее всего, не смогут её опровергнуть.{34} При этом надо не ошибиться. Если мы обнаружим доказательства существования дополнительных измерений, суперсимметрии, чёрных мини-дыр или любого из других возможных проявлений теории струн, это станет важной вехой в поиске единой теории. Это придаст нам уверенность, что избранная нами математическая дорога ведёт в правильном направлении.
Теория струн, сингулярности и чёрные дыры
В большинстве ситуаций квантовая механика и гравитация успешно игнорируют друг друга, при этом первая применяется к малым объектам, таким как молекулы и атомы, а вторая к большим объектам, соразмерным звёздам и галактикам. Однако обе теории вынуждены встречаться в мирах, известных как сингулярности. Сингулярность — это любая физическая ситуация, реальная или гипотетическая, которая настолько экстремальна (огромные массы, малый размер, гигантская кривизна пространства, проколы или разрывы в самой пространственно-временной структуре), что квантовая механика и общая теория относительности ведут себя неадекватно, выдавая результаты, сродни сообщению об ошибке на экране калькулятора при попытке разделить на ноль.
Цель любой квантовой теории гравитации состоит в том, чтобы свести воедино квантовую механику и гравитацию таким образом, чтобы сингулярности исчезли. Разработанный математический аппарат должен быть непротиворечив даже в момент Большого взрыва или в центре чёрной дыры [25] и давать разумное описание ситуаций, которые в течение длительного времени ставили исследователей в тупик. Именно в этом направлении теория струн достигла своих самых впечатляющих успехов, уменьшив список сингулярностей.
25
Когда говорят о центре чёрной дыры, то часто создаётся впечатление, что это некое место в пространстве. Но это не так. Центром чёрной дыры следует считать определённый момент времени. При пересечении горизонта событий чёрной дыры время и пространство (радиальное направление) меняются ролями. Если вы падаете в чёрную дыру, ваше радиальное движение являет собой движение во времени. Таким образом, вас толкает в центр чёрной дыры точно так же, как вас толкает к следующему моменту времени. В этом смысле центр чёрной дыры похож на последний момент времени.
В середине 1980-х годов группа исследователей, состоящая из Ланса Диксона, Джеффа Харви, Кумруна Вафы и Эдварда Виттена, пришла к выводу, что некоторые проколы в ткани пространства (называемые сингулярностями орбифолда), которые доставляли много хлопот уравнениям Эйнштейна, прекрасно ведут себя в теории струн. Ключ к успеху состоял в том, что струна в отличие от точечной частицы не может свалиться в такой прокол. Поскольку струна — это протяжённый объект, она может удариться о прокол, может обмотаться вокруг него либо воткнуться в него, но подобного рода умеренные взаимодействия совершенно не портят уравнения теории струн. Это важно не потому, что такие изъяны в пространстве действительно имеют место — может, да, а может, и нет, — а потому, что именно таких свойств мы хотим от квантовой теории гравитации: способности работать осмысленно в ситуации, когда по отдельности отказывают как общая теория относительности, так и квантовая механика.
В 1990-х годах в нашей работе с Полом Аспинволлом и Дэвидом Моррисоном, а также независимо Эдвардом Виттеном было установлено, что более сильные сингулярности (известные как флоп-сингулярности), возникающие при сжатии сферической области пространства до бесконечно малого размера, тоже описываются теорией струн. Интуиция подсказывает, что струна при движении может накрутиться на такую сжатую область пространства, подобно обручу на мыльный пузырь, создавая нечто вроде кругового ограждения. Вычисления показывают, что такой «струнный щит» сводит на нет любые потенциально разрушительные последствия и гарантирует, что уравнения теории струн остаются непротиворечивыми — никаких ошибок типа «1 разделить на 0», — даже когда отказывают уравнения общей теории относительности.
За прошедшие годы исследователи показали, что множество других, более сложных сингулярностей (с названиями конифолд, ориентифолд, энханкон и так далее) также полностью контролируются теорией струн. Таким образом, имеется растущий список ситуаций, в которых Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Уилер и Фейнман воскликнули бы: «Мы просто не понимаем, что происходит!», но теория струн даёт полный и непротиворечивый ответ.
Достигнут значительный прогресс. Но остаётся проблема устранения с помощью теории струн сингулярностей чёрных дыр и Большого взрыва, более суровых, чем рассмотренные ранее. Идя к этой цели, теоретики приложили немало усилий, и они добились значительных успехов. Но если подытожить, то впереди ещё долгий путь, прежде чем наиболее трудные и важные сингулярности будут полностью осознаны.