Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности
Шрифт:
Исследователи также аккуратно рассчитали частоты гравитационных волн — количество пиков и впадин, которые должны проходить через детектор каждую секунду, — вызываемых рядом астрофизических явлений, включая взрывы сверхновых, вращательное движение несферических нейтронных звёзд и столкновения чёрных дыр. Без этой информации эксперименты уподобились бы поиску иголки в стоге сена; располагая этой информацией, учёные могут настроить свои детекторы на узкий диапазон частот, представляющий физический интерес. Любопытно, что расчёты показали: частоты некоторых гравитационных волн должны находиться в диапазоне нескольких тысяч колебаний в секунду; если бы это были звуковые волны, они попали бы в диапазон восприимчивости человеческого уха. Объединяющиеся нейтронные звёзды зазвучали бы как щебетание с быстро растущим тоном, а пара сталкивающихся чёрных дыр имитировала бы чириканье воробья, получившего резкий удар в грудь. Существует запутанная какофония гравитационных волн, прокатывающихся по ткани пространства-времени, и если всё пойдёт по плану, то установка LIGO будет первым инструментом, настроившимся на неё. {188}
Самое
Было время, когда мы могли наблюдать небо лишь невооружённым глазом. В XVII в. Ганс Липпершей и Галилео Галилей изменили такое положение дел; благодаря телескопу перед взором человечества развернулась великая панорама космоса. Но со временем мы поняли, что видимый свет представляет лишь узкий диапазон электромагнитных волн. В XX в. благодаря инфракрасным, радио, рентгеновским и гамма-телескопам космос раскрыл нам чудеса, невидимые в диапазоне длин волн, которые могут воспринимать наши глаза. Теперь, в XXI в., мы снова открываем небеса. С помощью установки LIGO и её дальнейших модернизаций [88] мы увидим космос совершенно по-новому. Вместо электромагнитных мы будем использовать гравитационные волны; вместо электромагнитной мы будем использовать гравитационную силу.
88
Одной из таких модернизаций является запланированный проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерный космический интерферометр), космическая версия LIGO, включающая в себя несколько космических кораблей, разделённых миллионами километров, играющих роль четырёхкилометровых труб LIGO. Установка LIGO будет также спарена с VIRGO, французско-итальянским детектором гравитационных волн, расположенным в окрестностях города Пиза.
Чтобы оценить революционность этой новой технологии, представьте мир, в котором инопланетные учёные только что открыли, как обнаруживать электромагнитные волны (свет), и подумайте о том, сколь глубоко изменится вскоре их представление о Вселенной. Мы находимся на грани первого обнаружения гравитационных волн и поэтому можем оказаться в аналогичном положении. Тысячелетиями мы вглядывались в космос; теперь, словно впервые в человеческой истории, мы будем вслушиваться в него.
Поиск дополнительных измерений
До 1996 г. в большинстве теоретических моделей, включающих дополнительные измерения, представлялось, что их пространственная протяжённость имеет порядок планковской длины (10 – 33см). Поскольку это на семнадцать порядков меньше предела, разрешимого с помощью современного оборудования, то без открытия новой чудодейственной технологии планковская физика будет оставаться вне досягаемости. Но если дополнительные измерения «велики», т. е. их протяжённость превышает сотую от миллиардной от миллиардной доли метра (10 – 20м), что примерно равно миллионной доли размера атомного ядра, то есть надежда.
Как мы говорили в главе 13, если одно из дополнительных измерений «очень велико» (порядка миллиметра), то точные измерения силы гравитации должны вскрыть их существование. Такие эксперименты проводились в течение ряда лет, и их методика быстро совершенствовалась. До сих пор отклонений от закона обратных квадратов, характерного для трёх пространственных измерений, выявлено не было, так что исследователи переходят ко всё более мелким масштабам расстояний. Обнаруженное отклонение потрясло бы, если не сказать большего, основания физики. Оно послужило бы веским доказательством существования дополнительных измерений, доступных только для гравитации, и дало бы косвенное подтверждение сценария мира на бране в теории струн / M-теории.
Если дополнительные измерения велики, но недостаточно велики, то вряд ли они будут обнаружены в экспериментах с гравитацией, однако остаются и другие, косвенные подходы, указывающие на их существование. Например, мы уже указывали на то, что из существования больших дополнительных измерений следовало бы, что «исконная» сила гравитации больше, чем мы полагали. Наблюдаемая слабость гравитационного взаимодействия могла бы быть приписана «утечке» в дополнительные измерения, а не его исходной слабости; и на коротких расстояниях, когда ещё нет этой «утечки», гравитация могла бы быть сильной. Среди прочего это означает, что порождение миниатюрных чёрных дыр потребовало бы гораздо меньше массы и энергии, чем во Вселенной со значительно более слабой гравитацией. В главе 13 мы обсуждали возможность того, что такие микроскопические чёрные дыры могли бы быть порождены высокоэнергетическими столкновениями протонов в Большом адронном коллайлере (LHC) — ускорителе частиц, который строится сейчас в Женеве (Швейцария) и по плану должен быть запущен в 2007 г. [89]
89
Пуск LHC состоялся 10 сентября 2008 г., но выход на проектную мощность запланирован на лето 2009 г. (Прим. ред.)
Космические лучи были открыты в 1912 г. австрийским учёным Виктором Хессом; спустя более чем девяносто лет они всё ещё окутаны множеством тайн. Космические лучи ежесекундно вторгаются в атмосферу и вызывают целый каскад миллиардов частиц, низвергающихся на Землю и проходящих через наши тела; некоторые из них обнаруживаются с помощью ряда специальных приборов. Однако никто полностью не уверен, из каких частиц состоят космические лучи (хотя учёные всё больше приходят к соглашению, что они состоят из протонов), и несмотря на тот факт, что некоторые из этих высокоэнергетических частиц являются, по-видимому, отголосками взрывов сверхновых звёзд, ни у кого нет ни малейшего представления, откуда исходят космические лучи. Например, 15 октября 1991 г. детектор космических лучей «Мушиный глаз» («Fly’s Eye») в пустыне Юта зафиксировал частицу, пронёсшуюся по небу с энергией, эквивалентной 30 млрд масс протона. [90] В этой единственной субатомной частице содержится примерно столько же энергии, как в мяче, мчащемся от удара бейсболиста Мариано Риверы, что в 100 млн раз превосходит характерную энергию частиц, которые будут рождаться в Большом адронном коллайдере. {189} Самое загадочное состоит в том, что ни один из известных нам астрофизических процессов не смог бы породить частицы с такой высокой энергией; надеясь решить эту загадку, экспериментаторы собирают всё больше данных с помощью всё более чувствительных детекторов.
90
К настоящему времени установки HiRes и детектор имени Пьера Оже зафиксировали частицу с энергией более 10 20эВ (100 млрд масс протона). (Прим. ред.)
Но происхождение высокоэнергетических частиц космических лучей мало заботило Шапира и Фенга. Они подметили, что если гравитация на микроскопических масштабах гораздо сильнее, чем считалось ранее, то безотносительно к тому, откуда приходят такие частицы, у них могло бы хватить энергии, чтобы порождать миниатюрные чёрные дыры при соударениях в верхних слоях атмосферы.
Такие миниатюрные чёрные дыры (порождаемые хоть космическими лучами, хоть в ускорителях частиц) не могут представлять никакой опасности ни для экспериментаторов, ни для мира в целом. После своего порождения они быстро бы разрушались, посылая характерный каскад других, более привычных частиц. В действительности микроскопические чёрные дыры столь короткоживущие, что экспериментаторы даже не будут пытаться непосредственно обнаруживать их; вместо этого они будут искать доказательства краткого существования чёрных дыр путём тщательного изучения каскада частиц, обрушивающегося на их детекторы. Самый чувствительный в мире детектор космических лучей — обсерватория имени Пьера Оже («Pierre Auger Observatory», с площадью наблюдения размером порядка Род Айленда, 4 тыс. кв. км) строится в настоящее время в обширной местности в западной Аргентине. По оценкам Шапира и Фенга, если все дополнительные измерения доходят до размера порядка 10 – 14м, то после годичного сбора данных на детекторе Оже обнаружатся характерные следы от приблизительно дюжины миниатюрных чёрных дыр, рождавшихся в верхних слоях атмосферы. [91] Если эти следы не обнаружатся, значит, дополнительные измерения меньше. Поиск следов чёрных дыр, рождаемых космическими лучами, является, несомненно, очень непростым делом, но в случае успеха появится первое экспериментальное подтверждение существования дополнительных измерений и микроскопических чёрных дыр, а также теоретических построений теории струн и квантовой гравитации.
91
Установка Пьера Оже в настоящее время (конец 2008 г.) работает уже около двух лет, но о следах чёрных дыр пока не сообщалось. (Прим. ред.)
Помимо рождения чёрных дыр существует и другой способ обнаружения дополнительных измерений, который будет задействован в следующем десятилетии с помощью ускорителей частиц. Идея этого способа представляет собой изощрённый вариант объяснения пропажи монет из вашего кармана, заваливающихся за подкладку пиджака.
Главным принципом физики является закон сохранения энергии. Энергия может проявляться во многих формах — в кинетической энергии мяча, летящего по бейсбольной площадке, в гравитационной потенциальной энергии, когда мяч набирает высоту, в звуковой и тепловой энергии, когда мяч ударяется о землю и возбуждает разнообразные колебательные движения, в энергии массы, заключённой в самом мяче, и т. д. — но при учёте всех составляющих энергии полная энергия всегда сохраняется. {190} До сих пор ни в одном эксперименте не было обнаружено нарушения этого закона совершенного баланса энергии.