Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Грин Брайан

Но в зависимости от точного размера предполагаемых дополнительных измерений высокоэнергетические эксперименты, которые должны быть проведены с вновь усовершенствованным оборудованием в Фермилабе (лаборатория Fermilab — Fermi National Accelerator Laboratory) и на LHC, могут вскрыть процессы, которые на первый взгляд будут нарушать закон сохранения энергии: энергия после столкновения может оказаться меньше энергии до столкновения. Причина, напоминающая причину пропажи монет из кармана, состоит в том, что энергия (переносимая гравитонами) может ускользнуть в щель — микроскопическое дополнительное пространство, — возникающую из-за существования дополнительных измерений, и оказаться неучтённой при расчёте баланса энергии. Возможное обнаружение такого «сигнала пропажи энергии» даст ещё один способ установления того, что ткань космоса намного сложнее, чем мы можем видеть непосредственно.

Несомненно, я пристрастен, когда речь заходит о дополнительных измерениях. В течение более чем пятнадцати

лет я работал над различными проявлениями дополнительных измерений, так что они занимают особое место в моём сердце. Но всё же, даже с учётом этого признания, мне трудно представить более завораживающее открытие, чем обнаружение доказательства существования дополнительных измерений помимо трёх, известных всем нам. По моему мнению, в настоящее время нет других серьёзных предположений, подтверждение которых столь основательно бы потрясло устои физики и столь основательно бы установило, что мы должны ставить под сомнение базисные элементы реальности, кажущиеся самоочевидными.

Океан Хиггса, суперсимметрия и теория струн

Помимо научного вызова, состоящего в поиске неизвестного и шанса обнаружения доказательства существования дополнительных измерений, есть ещё пара специфических мотивов для усовершенствования ускорителя в Фермилабе и построения гигантского Большого адронного коллайдера. Один из этих мотивов — обнаружение частиц Хиггса. Как мы уже говорили в главе 9, неуловимые частицы Хиггса явились бы мельчайшими составляющими поля Хиггса — поля, которое, по предположению физиков, образует океан Хиггса и тем самым придаёт массу другим фундаментальным видам частиц. Согласно современным теоретическим и экспериментальным представлениям частицы Хиггса должны обладать массой в диапазоне от ста до тысячи масс протона. Если верна нижняя оценка, то у Фермилаба есть достаточно хорошие шансы открыть частицы Хиггса в самом ближайшем будущем. А если Фермилаб постигнет неудача, но всё же указанная оценка диапазона массы верна, то в конце десятилетия Большой адронный коллайдер должен будет рождать частицы Хиггса в изобилии. Обнаружение частиц Хиггса явится крупной вехой, поскольку подтвердит существование поля, на которое специалисты по элементарным частицам и космологи ссылались в течение десятилетий, не имея для него никаких экспериментальных подтверждений.

Другой крупной целью как Фермилаба, так и Большого адронного коллайдера является обнаружение суперсимметрии. Вспомним из главы 12, что идея суперсимметричных пар частиц, спины которых отличаются на половинку единицы, изначально в теории струн возникла в начале 1970-х гг. Если суперсимметрия реализуется в реальном мире, то для каждой известной частицы со спином, равным 1/2, должна существовать частица-партнёр с нулевым спином; для каждой известной частицы со спином, равным 1, должна существовать частица-партнёр со спином, равным 1/2. Например, в паре с электроном, обладающим спином 1/2, должна существовать частица с нулевым спином, названная суперсимметричным электрономили, для краткости, сэлектроном; в паре с кварками, имеющими спин 1/2, должны существовать суперсимметричные кварки, или скварки; в паре с нейтрино, имеющим спин 1/2, должно существовать снейтринос нулевым спином; в паре с глюонами, фотонами, W- и Z-частицами, обладающими спином 1, должны существовать глюино, фотино, винои зиносо спином 1/2. (Да, физики вошли в раж).

Никто никогда не обнаруживал ни одну из таких парных частиц, и физики надеются, что причина состоит в том, что суперсимметричные частицы значительно тяжелее своих партнёров. Теоретические соображения наводят на мысль, что суперсимметричные частицы могут быть в тысячи раз тяжелее протона, и в этом случае нет ничего загадочного в том, что их до сих пор не удалось обнаружить экспериментально: у существующих ускорителей частиц просто не хватает мощности. В грядущем десятилетии это изменится. Уже у усовершенствованного ускорителя в Фермилабе есть шанс открыть некоторые из суперсимметричных частиц. И, как и в случае с частицами Хиггса, если Фермилаб постигнет неудача, то LHC с лёгкостью должен их породить, при условии, конечно, что порядок массы суперсимметричных частиц оценён достаточно точно.

Подтверждение суперсимметрии явилось бы самым важным достижением в физике элементарных частиц за более чем два десятилетия. Оно ознаменовало бы новый шаг за рамки стандартной модели физики частиц и дало бы косвенное подтверждение тому, что теория струн находится на верном пути. Но, заметьте, это не подтвердило бы саму теорию струн. Хотя суперсимметрия была открыта в ходе разработки теории струн, но физики уже давно поняли, что суперсимметрия является более общим принципом, который может быть легко включён в традиционные подходы на основе представлений о точечных частицах. Подтверждение суперсимметрии установило бы важный элемент теории струн и задало бы направление множеству последующих исследований, но оно не явилось бы «лакмусовой бумажкой»,

подтверждающей справедливость теории струн.

С другой стороны, если верен сценарий мира на бране, то действительноесть возможность, что в будущих экспериментах с ускорителями будет подтверждена теория струн. Как было кратко упомянуто в главе 13, если дополнительные измерения в сценарии мира на бране достигают порядка 10 ^{– 16}см, то не только гравитация может оказаться значительно сильнее, чем думали раньше, но и сами струны могли бы быть существенно длиннее. Такие длинные струны менее жёсткие, так что для их возбуждения требуется меньше энергии. Тогда как в стандартной теории струн моды колеблющихся струн обладают энергиями, более чем в миллион миллиардов раз превосходящими предел достижимого в наших экспериментальных установках, в сценарии мира на бране энергии мод колеблющихся струн могут лишь в тысячураз превосходить массу протона. В таком случае высокоэнергетические столкновения в LHC окажутся сродни мячику для гольфа, влетевшему внутрь фортепьяно; в них хватит энергии для возбуждения множества «октав» гаммы колеблющихся струн. Экспериментаторы обнаружат изобилие новых, не виданных ранее частиц — т. е. новых, невиданных ранее мод колеблющихся струн, — энергии которых будут соответствовать гармоническим резонансам теории струн.

Свойства этих частиц и взаимосвязи между ними безошибочно укажут на то, что все они составляют часть одной и той же космической партитуры, что при всём своём различии они являются связанными нотами, что все они являются отдельными колебательными модами одного и того же объекта — струны. Это наиболее вероятный сценарий прямого подтверждения теории струн в обозримом будущем.

Космические истоки

Как мы уже видели, реликтовое излучение играло доминирующую роль в космологических исследованиях с момента его открытия в середине 60-х гг. XX в. Причина ясна: на ранних этапах эволюции Вселенной пространство было заполнено смесью электрически заряженных частиц — электронов и протонов, — которые посредством электромагнитного взаимодействия расшвыривали фотоны во всех направлениях. Но всего через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная уже достаточно охладилась для того, чтобы электроны и протоны соединились в электрически нейтральные атомы, — и начиная с этого момента излучение стало почти беспрепятственно пронизывать пространство, запечатлев чёткий снимок ранней Вселенной. Каждый кубический метр пространства пронизывает около 400 млн этих изначальных фотонов, нетронутых реликтов ранней Вселенной.

Первоначальные измерения реликтового излучения показали, что его температура на удивление однородна, но, как мы обсуждали в главе 11, при более тщательном обследовании, проведённом сначала в 1992 г. с помощью спутника COBE и с тех пор усовершенствованном в ряде наблюдений, были выявлены небольшие температурные вариации, представленные на рис. 14.4 а. Данные отмечены разными оттенками серого цвета, причём наибольшая разница между самыми светлыми и самыми тёмными пятнами составляет всего лишь несколько десятитысячных долей градуса. Пятнистость рисунка указывает на мельчайшую, но неоспоримо реальную неоднородность распределения температуры излучения по всему небу.

Результаты эксперимента COBE сами по себе являются впечатляющим открытием, но они также отметили существенное изменение в характере космологических исследований. До эксперимента COBE космологические данные были грубыми. В свою очередь, космологическая теория имела право на существование, если она соответствовала этим приблизительным данным астрономических наблюдений. Теоретики могли выдвигать схему за схемой с минимальной оглядкой на ограничения, накладываемые данными наблюдений. Этих ограничений было попросту немного, а существовавшие не были особенно точными. Но эксперимент COBE положил начало новой эре, в которой стандарты значительно ужесточились. Теперь появляется всё больше точных данных, которым должна соответствовать любая теория, прежде чем с нею начнут серьёзно считаться. В 2001 г. был запущен спутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — зонд для изучения реликтового излучения имени Вилкинсона), совместный венчурный проект НАСА и Принстонского университета, для измерения реликтового излучения с примерно в 40 раз большей точностью и разрешением. Сравнивая первоначальные результаты WMAP (рис. 14.4 б) с результатами COBE (рис. 14.4 а), можно сразу заметить, сколь более тонкую и более детальную картину может дать WMAP. Запуск другого спутника под названием «Планк» («Planck»), разрабатываемого Европейским космическим агентством (European Space Agency), намечен на 2007 г. [92] и, если всё пойдёт по плану, он даст картину с вдесятеро лучшим разрешением, чем WMAP.

92

Запуск обсерватории «Planck» намечен на весну 2009 г. (Прим. ред.)