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

Чтобы оценить, насколько эта новая технология может быть революционной, представим мир, в котором неземные ученые только сейчас открыли, как обнаруживать электромагнитные волны – свет – и размышляют о том, насколько их взгляд на вселенную тотчас же основательно изменится. Мы находимся на грани нашего первого обнаружения гравитационных волн, так что вполне можем быть в сходной позиции. Тысячелетиями мы всматривались в космос; теперь, как будто впервые в человеческой истории, мы будем слушать его.

Охота за дополнительными размерностями

До 1996 большинство теоретических моделей, которые включали в себя дополнительные размерности, представляли, что их пространственная протяженность грубо соответствует планковской (10–33 сантиметра). Так как это на семнадцать порядков величины меньше, чем любое разрешение, которое можно получить, используя применяющееся в настоящее время оборудование, без открытия сверхъестественной новой технологии планковская физика будет оставаться вне экспериментальной досягаемости.

Но если дополнительные внешние размерности являются "большими", что означает больше, чем сотая миллиардной миллиардной (10–20) метра, примерно миллионная часть размера атомных ядер, тогда есть надежда.

Как мы обсуждали в Главе 13, если любое из дополнительных измерений "очень большое" – в пределах нескольких порядков от величины миллиметра – точность измерений силы гравитации должна обнаружить их существование. Такие эксперименты несколько лет идут на полном ходу и техника быстро усовершенствуется. До сих пор не было найдено отклонений от закона обратного квадрата, характеризующего три пространственных измерения, так что исследователи активно продолжили работу в направлении меньших расстояний. Положительный сигнал был бы, чтобы не сказать больше, потрясением оснований физики. Он обеспечил бы убедительное доказательство дополнительных размерностей, доступных только для гравитации, что дало бы сильную обстоятельную поддержку сценарию мира на бране в теории струн/М-теории.

Если дополнительные измерения большие, но не очень большие, маловероятно, что точность гравитационных экпериментов обнаружит их, но другие непрямые подходы остаются применимыми. Например, мы отмечали ранее, что большие дополнительные измерения будут подразумевать, что внутренняя сила гравитации больше, чем ранее думалось. Наблюдаемая слабость гравитации может быть атрибутом ее утечки в дополнительные измерения, а не ее фундаментальной слабости; на масштабах коротких расстояний, прежде чем такая утечка возникает, гравитация может быть сильной. Среди других проявлений это означает, что создание мельчайших черных дыр будет требовать намного меньшей массы и энергии, чем это нужно во вселенной, в которой гравитация в действительности намного слабее. В Главе 13 мы обсуждали возможность, что такие микроскопические черные дыры могут производится при высокоэнергетических протон-протонных столкновениях на Большом Адронном Коллайдере (LHC), ускорителе частиц, в настоящее время конструируемом в Женеве, Швейцария, и планируемом к готовности в 2007. Это захватывающая перспектива. Но имеется другая соблазнительная возможность, которая была озвучена Альфредом Шапере из Университета Кентукки и Джонатаном Фенгом из Университета Калифорнии в Ирвине. Эти исследователи заметили, что космические лучи – элементарные частицы, которые текут через пространство и постоянно бомбардируют нашу атмосферу, – могут также инициировать производство микроскопических черных дыр.

Частицы космических лучей были открыты в 1912 австрийским ученым Виктором Гессом; более чем девятью десятилетиями позже они все еще представляют много загадок. Каждую секунду космическое излучение вторгается в атмосферу и инициирует каскад миллиардов частиц, дождем падающих вниз, которые проходят сквозь ваше и мое тело; некоторые из них обнаруживаются различными специальными инструментами по всему миру. Но никто полностью не уверен, какие виды частиц составляют запечатленные космические лучи (хотя имеется растущий консенсус, что это протоны), и, несмотря на факт, что некоторые из этих высокоэнергетических частиц наверняка приходят от взрывов сверхновых, никто не имеет идеи, откуда происходит самое высокоэнергетическое космическое излучение. Например, 15 октября 1991 детектор космических лучей Летающий глаз (Fly's Eye) в пустыне Юта измерил след частицы через небо с энергией, эквивалентной 30 миллиардам масс протона. Это почти такая же большая энергия в отдельной субатомной частице, как в ударе по мячу бейсболиста Мариано Риверы, и примерно в 100 миллионов раз превышает энергии частиц, которые будут производиться в LHC.[6] Загадочная вещь, что не известно астрофизического процесса, который мог бы произвести частицы с такой высокой энергией; экспериментаторы собирают больше данных с помощью более чувствительных детекторов в надежде решить загадку.

Шапере и Фенга происхождение сверхэнергичных частиц космических лучей заботило во вторую очередь. Они осознали, что безотносительно к тому, откуда взялись такие частицы, если гравитация на микроскопическом масштабе намного сильнее, чем некогда считалось, самые высокоэнергетические частицы космических лучей могут иметь вполне достаточно энергии, чтобы создать мельчайшие черные дыры, когда эти частицы яростно вторгаются в верхнюю атмосферу.

Как и с их производством в атомных ускорителях, такие мельчайшие черные дыры не будут представлять абсолютно никакой опасности для экспериментаторов или мира в целом. После их создания они быстро распадутся, послав вовне каскад других, более обыкновенных частиц. Фактически, микроскопические черные дыры будут настолько короткоживущими, что экспериментаторы не смогут найти их непосредственно; напротив, они будут искать доказательство черных дыр через детальные исследования результирующих частиц, дождем падающих на их детекторы. Самый чувствительный из детекторов космических лучей мира, обсерватория Пьера Аугера, – вместе с наблюдающей областью размером порядка Род Айленда, – строится в настоящее время в обширной вытянутой местности в западной Аргентине. Шапере и Фенг оценивают, что если все внешние размерности имеют величину порядка 10–14 метра, тогда после года сбора данных детектор Аугера увидит характеристические обломки частиц от примерно дюжины мельчайших черных дыр, произведенных в верхней атмосфере. Если такие отметки черных дыр не будут найдены, эксперимент даст заключение, что внешние размерности еще меньше. Поиск остатков черных дыр, произведенных столкновениями космических лучей, определенно является рискованной ставкой, но успех открыл бы первое экспериментальное окно к дополнительным размерностям, черным дырам, теории струн и квантовой гравитации.

Вне производства черных дыр имеется другой, основанный на ускорителях путь, на котором исследователи могут искать внешние размерности в течение следующих десяти лет. Идея заключается в усложненном варианте трактовки "пространства-между-диванными-подушками" для потерянной монеты, выпавшей из вашего кармана.

Центральный принцип физики есть сохранение энергии. Энергия может проявлять себя в различных формах – кинетическая энергия движения мяча, когда он улетает от бейсбольной биты, гравитационная потенциальная энергия, когда мяч взлетел вверх, энергия звука и тепла, когда мяч падает на грунт и возбуждает все виды колебательного движения, энергия массы, которая замкнута внутри самого мяча, и так далее, – но когда все носители энергии оценены, количество, с которым вы закончите всегда равно количеству, с которым вы начали.[7] На сегодняшний день нет эксперимента, нарушающего этот закон совершенного энергетического баланса.

Но в зависимости от точного размера гипотетических внешних измерений эксперименты с высокими энергиями, которые будут проводиться с вновь усовершенствованным оборудованием в Фермилабе и на Большом Адронном Коллайдере (LHC) могут обнаружить процессы, которые покажут нарушение сохранения энергии: энергия в конце столкновения может быть меньше, чем энергия в начале. Причина в том, что, почти похоже на потерянные монетки, энергия (уносимая гравитонами) может просачиваться в трещину – мельчайшее дополнительное пространство, – обеспеченную дополнительными измерениями и потому нечаянно упущенную при вычислениях оцениваемой энергии. Возможность такого "сигнала потери энергии" обеспечивает еще один способ для установления, что ткань космоса намного сложнее, чем мы можем видеть непосредственно.

Несомненно, когда речь заходит о дополнительных размерностях, я предубежден. Я работал над аспектами дополнительных размерностей более пятнадцати лет, так что они занимают особое место в моем сердце. Но, с этой верой, как описателю, мне тяжело представить открытие, которое было бы более завораживающим, чем находка доказательства измерений за пределами трех, к которым мы все привыкли. По моему мнению, в настоящее время нет другого серьезного предположения, чье подтверждение так основательно потрясет основы физики и так полно установит, что мы должны быть готовы к вопросам, относящимся к кажущимся самоочевидными элементам реальности.