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.

---

Дабы проиллюстрировать антропный принцип, представим себе, что мы собираем по всему свету газетные вырезки, где опубликованы результаты лотерей. Как нетрудно догадаться, большое количество везунчиков в данном случае - следствие того, что газеты пишут в основном о выигрышах. Хотя лотерейные билеты покупают миллионы людей, в новостные заголовки попадают лишь те, кто сорвал джекпот. Если бы мы узнавали про лотерейные истории исключительно из газет, нас бы, наверное, мучил вопрос, почему в лотерею так легко выиграть. Ведь, казалось бы, это не только невыгодно для организаторов таких мероприятий, но и грубо нарушает все законы теории вероятности. Однако объяснение лежит на поверхности: принцип отбора самых сенсационных историй отсеивает всех участков лотереи, кроме небольшой горстки тех, которым улыбнулась фортуна. Аналогично принцип отбора сознательных наблюдателей отсеивает все вселенные, кроме небольшой горстки тех, в которых зарождается разумная жизнь.

Благодаря работам почтенных ученых, таких как Девитт, Коллинз и Хокинг, в которых повествуется об огромном или даже бесконечном архиве вселенных, фантастическая концепция альтернативной реальности в последние десятилетия XX в. обрела ощутимые научные очертания. Теоретики стали смелее упоминать параллельные миры, недоступные оку телескопа. Теперь, если какой-то физический параметр не получал своего объяснения в наблюдениях реальной Вселенной, физики зачастую прибегали к эффектам, следующим из гипотезы о Многомире, по большей части скрытом от наших взоров.

В 1980 г. американский физик Алан Гут предложил космическую инфляцию, парадигму, способную разрешить ряд проблем современной космологии, в том числе ответить на вопрос, почему Вселенная такая однородная. Вместо антропного принципа он предположил, что очень ранняя Вселенная испытала стадию сверхбыстрого расширения. В ее ходе все шероховатости растянулись настолько, что стали ненаблюдаемыми: расправляя покрывало на кровати, мы тоже добиваемся, чтобы все складки исчезли. Теория ГУга, однако, хоть и выглядела многообещающей, столкнулась с массой трудностей. В частности, она предсказывала существование переходных зон, разделяющих области Вселенной с разными физическими условиями. Астрономии такие стенки известны не были, поэтому теория требовала правки.

Три года спустя советский космолог Андрей Линде связал инфляцию с концепцией Многомира в рамках единой модели так называемой хаотической инфляции. По версии Линде, Многомир представляет собой инкубатор, в котором обретаются зародыши бесчисленных дочерних вселенных. Эти зародыши бросает скалярное поле (наподобие поля Хиггса, но с большей амплитудой), которое случайно меняется от точки к точке и в каждой области пространства устанавливает свое значение вакуумной энергии. Подчиняясь общей теории относительности, ставящей геометрию в зависимость от массы и энергии, участки с самым плотным вакуумом начинают разрастаться быстрее всех. Ни для кого не секрет, что изобилие рабочих мест приводит к стремительному росту местного населения. Так же как закатанные в асфальт пригороды вытесняют хиреющие деревни, самые быстро расширяющиеся части Вселенной - инфляционные области - вмиг залавливают все остальное. Вывод Линде состоит в том, что мы живем в одном из таких распухших мегаполисов, а другие области загнаны «под ковер», откуда их никакими приборами не достать.

Решение проблемы однородности наблюдаемой Вселенной, предложенное инфляцией, многим пришлось по душе. Ей не нужно человечество, чтобы объяснить, как бурлящий хаос первозданной Вселенной приобрел консистенцию манной каши. В этом одно из основных преимуществ инфляции перед антропным принципом. Однако, вытолкав, в прямом смысле, сестер нашей Вселенной за пределы зрения приборов, инфляция почти лишила нас возможности ее проверить. К счастью, она предсказывает, что материя и энергия после стадии стремительного расширения должны быть распределены во Вселенной определенным образом. Этот характерный рисунок проявляется в карте реликтового излучения, построенной WMAP и другими спутниками. В последнее время астрофизики пришли, в общем-то, к единому мнению. Да, в общих чертах космическая инфляция дает более-менее правдоподобное описание ранних стадий развития Вселенной. Но в какой форме она протекала и чем была вызвана, предстоит еще выяснить.

Недавно выведенная разновидность теории параллельных вселенных, гипотеза мира на бране, имеет дело не с закрытыми комнатами нашего собственного пространства, а с измерениями, дополняющими привычную для нас тройку. Согласно этой глубокой идее, обычное пространство представляет собой трехмерную мембрану (коротко, просто «брану»), плавающую в полноразмерном мире, так называемом контейнере. Гипотеза состоит в том, что контейнер не впускает в себя никакие частицы, кроме гравитонов. А раз переносчики электрослабого и сильного взаимодействий не могут пуститься в свободное плавание, существование контейнера сказывается только на гравитационных процессах. Следовательно, если фотон не способен выйти в контейнер, мы последний и не увидим. А силы тяготения контейнер подтачивает: гравитоны уходят с браны и распыляются в нем. Это объясняет, почему гравитация гораздо слабее всех остальных сил.

Концепция браны является логическим продолжением теории струн. Только вместо струны, напоминающей извивающийся жгут для банги-джампинга, в ней фигурируют пульсирующие тела двух, трех и более измерений, наподобие гибких трамплинов или дрожащих капель дождя. Эти объекты могут иметь самые разные размеры: от крошечных (тогда мы будем их воспринимать как элементарные частицы) до настолько огромных, что в них поместится все наблюдаемое нами пространство. Отсюда недалеко до идеи о том, что все, кроме гравитонов, живет на бране.

Браны в качестве модели элементарных частиц обсуждаются уже не одно десятилетие. Еще в 60-х гг. Дирак высказал мысль, что частицы могут быть не точечными, а протяженными объектами. Однако он не стал развивать эту идею, и она прошла как-то мимо физического сообщества. В 1986 г. техасские ученые Джеймс Хьюз, Цзюнь Лю и Джозеф Полчински впервые построили суперсимметричную теорию мембран, в которой показывалось, как с помощью этих объектов можно моделировать различные типы частиц. Год спустя Пол Таунсхенд из Кембриджского университета ввел в теоретическую физику термин «р-брана». Им он обозначил образования высших размерностей, населяющие 11-мерный мир, - своего рода капли воды замысловатой формы, плавающие в обширной и неспокойной атмосфере. (Буква «р» говорит, сколько измерений у самой мембраны).

Примерно в то же время Таунсхенд, его коллега Майкл Дафф и другие теоретики обнаружили глубокие связи между струнами и мембранами, получившие названия дуальностей. Дуальность - это, грубо говоря, математическое тождество двух случаев, когда в уравнениях пару значений некоторой переменной меняют местами. Например, при прочих равных физических условиях вместо микроскопически малого радиуса подставляют большой. Это как в карточных играх: если какая-то масть объявлена козырной, то вытащенная из колоды «маленькая» карта приобретает значительный вес и дает игроку шанс, побив даже тузы других мастей, выйти победителем. Аналогично в мембранной теории: подстановка вместо больших значений маленьких помогает доказать определенные тождества.

На мембранную теорию физическое сообщество почти не обращало внимания вплоть до середины 90-х гг. прошлого века. Но потом группа теоретиков обнаружила набор дуальностей, с помощью которого удавалось свести воедино все пять разновидностей теории струн. Когда в начале 80-х струнная теория начала серьезно претендовать на звание теории всего сущего, оказалось, что ее формулировка - при соблюдении всех разумных требований - допускает разночтения: по научной терминологии это типы I, IIa, IIb, а также гетеротические теории струн О и Е-типа. Физики только недоуменно разводили руками, ведь теория всего сущего должна быть одна. Как выбрать из этих версий ту самую?

Это как если бы несколько свидетелей преступления давали противоречивые показания. Один бы сказал: «Преступник был одет в длинный серый плащ», а второй убеждал бы следователя: «Нет, на нем была синяя куртка». И только потом криминалист догадался бы, что всему виной игра света и тени, которая и изменила внешность злодея. Из-за тени, отбрасываемой навесом под определенным углом, куртка визуально потемнела и удлинилась. Так и дуальности, подаренные нам мембранной теорией, помогли понять, что, меняя точку зрения, все пять вариантов теории струн можно сводить один к другому.

В 1995 г. на конференции, проходившей на юге Калифорнии, ведущий специалист по теории струн Эд Виттен торжественно заявил об открытии «дуальности дуальностей», позволяющей описать весь струнный ассортимент в рамках единой схемы, которую он назвал М-теорией. Расшифровывать этот термин Виттен отказался и вопрос о его значении оставил открытым. Например, буква «М», считал он, может означать «магическая», «матричная» или «мистическая». Остальным тут же в голову пришли «мембраны» и «мать всех теорий». На волне эйфории, вызванной этим заявлением, и чувствуя, что теория струн вот-вот приобретет законченную форму, теоретики окрестили столь эпохальное событие второй струнной революцией. (Первая случилась в 80-х, когда стало ясно, что в теории струн отсутствуют математические аномалии).