Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Это одно из наиболее замечательных постижений последних десяти лет. Используя три негравитационные силы мы можем прозондировать расстояния до примерно миллиардной миллиардной (10–18) метра, и никто не нашел никакого подтверждения дополнительным размерностям. Но в сценарии мира на бране негравитационные силы и не могут ничем помочь в поиске дополнительных размерностей, поскольку они удерживаются на самой бране. Только гравитация может помочь проникнуть в природу дополнительных размерностей, и на сегодняшний день дополнительные измерения могут быть так же толсты, как человеческий волос, и все еще быть полностью невидимыми для наших самых изощренных инструментов. Прямо сейчас, прямо рядом с вами, прямо рядом со мной и прямо рядом с любым другим могут быть другие пространственные измерения – измерения за пределами влево/вправо, назад/вперед и вверх/вниз, измерения, которые скручены, но все еще достаточно велики, чтобы поглотить что-нибудь столь же толстое, как эта страница, – которые остаются вне нашей способности их воспринимать.*

(*) "Имеется даже предложение от Лизы Рэндалл из Гарварда и Рамана Судрума из Института Джона Гопкинса, в котором гравитация тоже может быть захвачена, но не клейкой браной, а дополнительными измерениями, которые искривляются точно нужным образом, смягчая ограничения на их размер еще больше."

Большие дополнительные размерности и большие струны

Через захват трех из четырех сил сценарий мира на бране существенно смягчает экспериментальные ограничения на то, как велики могут быть дополнительные размерности, но дополнительные размерности не являются единственными вещами, которые этот подход позволяет сделать больше. Продолжая открытия Виттена, Джо Ликкена, Константина Бахаса и других, Игнатиос Антониадис вместе с Аркани-Хамедом, Димопоулосом и Двали обнаружили, что в сценарии мира на бране даже невозбужденные, низкоэнергетические струны могут быть намного больше, чем раньше думалось. Фактически, два масштаба – размер дополнительных измерений и размер струн – тесно связаны.

Вспомним из предыдущей главы, что базовый размер струны определяется требованием, что ее гравитационная колебательная мода соответствует гравитационной силе наблюдаемой величины. Слабость гравитации переносится в то, что струна должна быть очень короткой, порядка длины Планка (10–33 сантиметра). Но это заключение сильно зависит от размера дополнительных измерений. Причина в том, что в теории струн/М-теории величина гравитационной силы, которую мы наблюдаем в наших трех протяженных измерениях представляет взаимодействие между двумя факторами. Один фактор является внутренней, фундаментальной величиной гравитационной силы. Второй фактор есть размер дополнительных измерений. Чем больше дополнительные измерения, тем больше гравитации может рассеиваться в них и тем слабее будет проявляться ее сила в привычных измерениях. Точно так же, как большие трубы дают более слабое давление воды, поскольку они предоставляют ей больше пространства, чтобы распределиться, так большие дополнительные размерности дают более слабую гравитацию, поскольку они дают гравитации больше пространства, чтобы рассеяться.

Оригинальные расчеты, которые определяли длину струны, предполагали, что внешние измерения столь малы, порядка планковской длины, что гравитация не может рассеиваться в них совсем. При этом предположении гравитация проявляется слабой, поскольку она слаба. Но теперь, если мы работаем в сценарии мира на бране и позволяем дополнительным измерениям быть намного больше, чем это рассматривалось раньше, наблюдаемое бессилие гравитации больше не означает, что она внутренне слаба. Напротив, гравитация может быть относительно мощной силой, которая становится слабой только вследствие относительно больших дополнительных измерений, подобных большим трубам, обескровливающим ее внутреннюю силу. Следуя этой линии аргументации, если гравитация намного сильнее, чем когда-то думали, струны тоже могут быть намного длиннее, чем когда-то думали.

Что касается сегодняшнего дня, вопрос о точной длине не имеет однозначного определенного ответа. С вновь найденной свободой вариаций как размера струн, так и размера внешних измерений в значительно более широком диапазоне, чем воображалось раньше, появляется большое число возможностей. Димопоулос и его соратники утверждали, что существующие экспериментальные результаты, как из физики частиц, так и из астрофизики, показывают, что невозбужденные струны не могут быть больше, чем примерно миллиардная миллиардной доли метра (10–18 метра). Будучи меньше повседневных стандартов, эта величина примерно в сто миллионов миллиардов (1017) раз больше длины Планка – примерно в сто миллионов миллиардов раз больше, чем думали раньше. Как мы сейчас увидим, это достаточно много, чтобы признаки струн могли быть обнаружены следующим поколением ускорителей частиц.

Теория струн стоит перед лицом эксперимента?

Возможность, что мы живем внутри большой 3-браны, конечно, является только этим: возможностью. И в рамках сценария мира на бране возможность, что дополнительные размерности могут быть намного больше, чем когда-то думалось, – и связанная с этим возможность, что струны могут также быть намного больше, чем когда-то думалось, – также являются только этим: возможностями. Но они являются крайне возбуждающими возможностями. Верно и то, что даже если сценарий мира на бране верен, дополнительные размерности и размер струн могут все равно быть планковскими. Но возможность в рамках теории струн/М-теории для струн и дополнительных размерностей быть много больше – просто быть за пределами достижимости сегодняшней технологии – фантастична. Она означает, что имеется, по меньшей мере, шанс, что в течение нескольких следующих лет теория струн/М-теория соприкоснется с наблюдаемой физикой и станет экспериментальной наукой.

Насколько велик этот шанс? Я не знаю и никто другой не знает. Моя интуиция говорит мне, что это маловероятно, но моя интуиция сформировалась полутора десятилетиями работы в рамках обычной схемы струн планковской длины и внешних измерений планковской длины. Возможно, мои инстинкты устарели. К счастью, вопрос будет решаться без малейшей связи с чьей-либо интуицией. Если струны велики или если некоторые из дополнительных размерностей велики, последствия для наступающих экспериментов будут впечатляющими.

В следующей главе мы рассмотрим различные эксперименты, которые проверят среди других вещей возможность сравнительно больших струн и больших дополнительных измерений, так что здесь я только возбуждаю ваш аппетит. Если струны так же велики, как милиардная миллиардной доли (10–18) метра, частицы, соответствующие высшим гармоническим колебаниям на Рис. 12.4, не будут иметь чрезмерные массы, превышающие массу Планка, как в стандартном сценарии. Напротив, их массы будут только от тысячи до нескольких тысяч масс протона, а это достаточно мало, чтобы быть достижимым на Большом Адронном Коллайдере (Large Hadron Collider – LHC), в настоящее время строящемся в ЦЕРНе. Если эти колебания струн могут быть возбуждены через высокоэнергетические столкновения, детекторы ускорителя будут сиять как хрустальный шар на елке в новогоднюю ночь. Будет произведена целая толпа никогда раньше не виданных частиц, и их массы будут относиться одна к другой почти как различные гармоники, связанные с виолончелью. Проявление струнной теории будет отпечатано в данных столь цветисто, что поразило бы Джона Хичкока*. Исследователи будут не в состоянии пропустить его даже без своих очков.

(*)"Британский проектировщик и инвестор, работающий в стиле hi-tech, совладелец всемирно известного брэнда YOO в области архитектурного дизайна. – (прим. перев.)"

Более того, в сценарии мира на бране высокоэнергетические столкновения могут даже произвести – осознайте это – миниатюрные черные дыры. Хотя мы обычно думаем о черных дырах как о чудовищных структурах далеко в глубоком пространстве, известно со времен первых дней ОТО, что если вы втисните достаточно материи в горсть вашей руки, вы создадите миниатюрную черную дыру. Этого не происходило потому, что ни одна хватка – и ни один механический прибор – даже отдаленно не имеет мощи, чтобы проявить достаточную силу сжатия. Напротив, единственный признанный механизм для производства черной дыры содержит гравитационное сжатие экстраординарно массивной звезды, преодолевшей направленное наружу давление, обычно оказываемое процессами звездной ядерной реакции, что заставляет звезду коллапсировать внутрь себя. Но если внутренняя сила гравитации на малых масштабах намного больше, чем мы думали раньше, мелкие черные дыры могут производится при существенно меньших силах сжатия, чем мы были уверены раньше. Расчеты показывают, что Большой Адронный Коллайдер (LHC) может иметь почти достаточно сдавливающей мощи, чтобы создать рог изобилия микроскопических черных дыр через высокоэнергетические столкновения между протонами.[7] Подумайте о том, насколько это будет поразительно. LHC может оказаться фабрикой по производству черных дыр! Эти черные дыры должны быть столь малы и сохраняться столь короткое время, что они не смогут представлять для нас ни малейшей опасности (годами раньше Стивен Хокинг показал, что все черные дыры испаряются посредством квантовых процессов – большие очень медленно, малые очень быстро), но их производство обеспечит подтверждение некоторых наиболее экзотических идей из когда-либо рассмотренных.