Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Перлмуттер и его сотрудники ожидали увидеть один из этих трех вариантов. Однако наблюдения сверхновых противоречили известным схемам. Из графиков зависимости скорости от расстояния следовало, что расширение совсем не замедляется. Более того, ускоряется. Будто что-то заставило гравитацию перепутать педаль тормоза с газом. Но ни одно из известных веществ в этих происках заподозрить было нельзя. Теоретик Майкл Тернер из Чикагского университета окрестил необычную компоненту темной энергией.

Хотя темная энергия не менее загадочна, чем темная материя, в их свойствах мало общего. Темная материя вызывает такую же силу притяжения, как обычное вещество, а вот темная энергия представляет собой своего рода «антигравитацию», заставляя тела разлетаться с ускорением. Очутись темная материя на вечеринке, она бы стала представлять гостей друг другу и вовлекать во всеобщее веселье. Темной энергии, наоборот, по душе работа в спецназе, подавляющем уличные беспорядки. В самом деле, если бы космос был слишком обильно сдобрен темной энергией, Вселенная встала бы на роковой путь, заканчивающийся Большим разрывом, - ее бы просто-напросто разнесло вдребезги.

В связи с темной энергией физики заговорили о том, чтобы вернуть в общую теорию относительности космологическую постоянную, от которой когда-то отказался Эйнштейн. Хотя слагаемое, описывающее антигравитацию (лямбда-член), разрешает проблему малой кровью, неплохо было бы его обосновать с физической точки зрения. Физики очень неохотно добавляют в стройные теории новые члены, если к этому нет каких-то фундаментальных предпосылок. Другими словами, космологической постоянной надо бы найти место в теории поля. Однако современные теории поля дают немыслимую величину вакуумной энергии. Чтобы из нее получилось реалистичное значение, ее нужно уменьшить почти до нуля (именно что почти, а не точно). Обнаруженное и экспериментально измеренное космическое ускорение задало ученым сложную головоломку.

Более того, если темная энергия остается постоянной во времени и в пространстве, ее влияние никогда не ослабевает. По мере того как гравитация со временем сдает свои позиции темной энергии, Вселенная все ближе к Большому разрыву[28]. Прежде чем смириться со столь мрачным концом, большинство теоретиков предпочитают поразмыслить и придумать что-нибудь получше.

Принстонский теоретик Пол Стейнхардт, а также Роберт Колдуэлл и Рахул Дейв предложили оригинальный способ смоделировать темную энергию. Они ввели новую разновидность материи под названием квинтэссенция. Квинтэссенция - это гипотетическое вещество, которое, вместо того чтобы заставлять тела скучиваться (как обычная материя, служащая источником силы тяготения), расталкивает их (как могучий Самсон колонны филистимлянского храма). Термин для этого вещества взят из античной философии, в которой квинтэссенция («пятая сущность») продолжала ряд четырех элементов Эмпедокла. Разница между космологической постоянной и квинтэссенцией состоит в следующем: в то время как первая стоит на месте как вкопанная, вторая подобна податливому пластилину - может меняться от места к месту и от эпохи к эпохе.

Наблюдения реликтового излучения на спутнике WMAP свидетельствуют в пользу того, что космос заполнен смесью темной энергии, темной материи и видимого вещества (именно в таком порядке). Но снимки с зонда пока, однако, молчат о том, из каких ингредиентов приготовлен двойной темный коктейль.

Физики надеются, что приоткрыть завесу тайны над природой темной энергии и темной материи поможет БАК. Будь на крупнейшем коллайдере открыта, например, квинтэссенция, это означало бы революцию в космологии и радикально изменило бы наши представления о материи, энергии и Вселенной. Посудите сами, благодаря этому открытию мы бы узнали, какое будущее ждет все сущее.

Добавлением лямбда-члена и введением необычного вещества гипотезы не ограничиваются. Как считают некоторые теоретики, настало время пересмотреть саму теорию гравитации. Может быть, гравитационные силы по-разному проявляются на разных масштабах: в пределах планетных систем ведут себя так, а на галактических просторах - по-другому? Может ли так получиться, что общую теорию относительности Эйнштейна, по нашим представлением, вроде бы верную, на самых грандиозных расстояниях придется заменить другой теорией? Как однажды сказала Рубин: «Похоже, пока мы не узнаем, что такое гравитация, мы не узнаем, что такое темная материя»87.

В новаторских теориях гравитации предлагается радикально изменить механизм и область ее действия. Некоторые ее свойства, утверждают приверженцы этих теорий, получают естественное объяснение, если предположить, что сила тяготения проникает в скрытые дополнительные измерения, куда доступ остальным формам материи и энергии воспрещен. Тогда темный сектор Вселенной может быть тенью более высоких сфер.

Примечательно, что отдельные экзотические теории такого типа, какими бы странными они ни казались, могут быть проверены на БАК. Горячая топка высокоэнергетичных превращений способна не только вызвать к жизни невиданные частицы, но и нащупать новые измерения. Кто знает, с каких давних секретов природы беспрецедентная мощь БАК сорвет покровы…

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Если это лучший из возможных миров, то каковы же другие?

Вольтер. "Кандид, или Оптимизм". 1759 г.

Большой адронный коллайдер, могущий воздействовать на свойства материи, являет, можно сказать, философский камень наших дней. Кстати, камни из его окрестностей когда-то нашли себе место в стенах дома одного философа. Его имя - Франсуа-Мари Аруэ, известный широкой публике под фамилией Вольтер.

Шато-де-Ферней, где остроумный писатель жил с 1758 г. почти до самой своей смерти в 1778 г., находится примерно в полутора километрах от окольцованного БАК участка. В этом особняке Вольтер написал свое самое знаменитое произведение, «Кандид, или Оптимизм», жестокую сатиру на взгляды немецкого мыслителя Готфрида Лейбница. Вы спросите, что может быть общего у БАК и Лейбница (такого, каким его изобразил Вольтер)? Между ними, однако, существует глубокая связь, в которой фигурируют параллельные вселенные и альтернативные реальности.

Лейбниц, оспаривающий приоритет в изобретении дифференциального и интегрального исчисления у Ньютона, считал, что среди набора всех возможностей наш мир представляет оптимальный вариант. Эту идею Лейбниц почерпнул из развитого им вариационного исчисления, техники, позволяющей находить кратчайшие пути на искривленных поверхностях и решать связанные с этим задачи. Например, пусть требуется пересечь холм, затратив минимум усилий. Тогда вариационное исчисление укажет среди множества маршрутов один самый короткий.

Лейбниц пришел к мысли, что бог, создавая Вселенную, должен был выбрать для нее наилучшее устройство, если другие вообще возможны.

Карикатурный герой произведения Вольтера доктор Панглос, преподающий «метафизико-теолого-космолонигологию», доводит эту идею до абсурда, находя замысловатую подоплеку у всего, что происходит в «лучшем из миров».

«Вот, заметьте, носы созданы для очков, - отмечает Панглос, - потому мы и носим очки. Ноги, очевидно, назначены для того, чтобы их обувать, вот мы их и обуваем»88.

Даже после того, как Панглос вместе со своим учеником Кандидом проходит через самые ужасные испытания, которые можно только себе вообразить, включая землетрясение в Лиссабоне и лапы инквизиции, он продолжает искать всему рациональные объяснения. Он приходит к следующему заключению: пусть в космической цепочке событий рвется одно единственное звено, и это приводит к непоправимым последствиям, но какими бы ужасными они не были, в конце концов добро восторжествует. Для Панглоса и Кандида им становится возможность разбить небольшой сад. Следя за злоключениями героев книги, нельзя не проникнуться вольтеровской иронией.

Так живем ли мы в «лучшем из возможных миров»? Эта концепция подразумевает, что существуют альтернативные реальности, возможно, даже вселенные, параллельные нашей. До недавнего времени идея параллельных вселенных относилась к области фантастики. Но сегодня на БАК планируются удивительные эксперименты, призванные проверить очередную версию идеи параллельных вселенных, так называемую гипотезу мира на бране. Согласно ей все наблюдаемое нами умещается на трехмерном острове, затерявшемся в море высших размерностей. Термином «брана» (от слова «мембрана») описываются образования вроде тех, на одном из которых может покоиться вся наблюдаемая нами Вселенная. Гипотеза гласит: единственные частицы, которым дозволяется покидать брану, - это гравитоны, переносчики гравитационного взаимодействия. Таким образом, ученые хотят заметить на БАК уход гравитонов в дополнительные размерности. Если такие измерения высшего порядка будут обнаружены, не исключено, что есть другие браны, параллельные нашей. А если к тому же они необитаемы, тогда мы и правда живем в самом благоприятном мире.