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.

---

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).

Один из свободных параметров объединенной теории струн - это размер так называемых больших дополнительных измерений (размерностей). В этой иерархии различают несколько типов измерений. Во-первых, это три пространственных измерения - длина, ширина и высота, которые вместе с временной координатой образуют четырехмерное пространство-время. Во-вторых, есть маленькие «компактифицированные» измерения (впервые о них заговорил шведский физик Оскар Кляйн), свернутые в крепкие узелки, настолько крошечные, что наши приборы их не в состоянии заметить. Как показали Виттен и другие, эти размерности могут образовывать 6-мерные конфигурации, названные по имени математиков Эудженио Калаби и Шин-Тун Яу пространствами Калаби-Яу. Наконец, имеется одиннадцатое измерение, размер которого предстоит определить. Дело в том, что благодаря дуальностям оно может разбухать, как заведенное на хороших дрожжах тесто. Именно на эту большую «лишнюю» координату мы, возможно, наткнемся в эксперименте.

Как же представить себе дополнительное измерение, отходящее под прямым углом к обычному миру? Наверное, это сродни попыткам рассказать о полете на воздушном шаре людям, которые никогда не отрывались от земли. До изобретения аэростата никто не видел землю с высоты птичьего полета. Но с приходом заполняемых горячим газом шаров, а потом и самолетов с космическими ракетами мы гораздо больше узнали о третьем измерении - высоте. Если одиннадцатое измерение существует и оно не свернуто, то что нам мешает в него выйти? Как уверены некоторые теоретики, причина тому - «клейкость» струн, из которых состоят вещество и излучение.

Одно из ключевых положений М-теории основано на понятии браны Дирихле, или просто D-браны. Эту идею в соавторстве с Цзинь Даем и Робертом Леем развивал теоретик Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предложивший рассматривать протяженные объекты, к которым могли бы крепиться открытые струны. Открытые струны - это струны, у которых концы не смыкаются, а висят свободно, как у спагетти. Их антипод - замкнутые струны, представляющие собой петли наподобие колец лука. Полчински с соавторами показал, что открытым струнам свойственно цепляться за D-браны, словно их концы смазаны клеем. Замкнутые струны лишены такой возможности.

В теории струн кварки, лептоны, фотоны и большинство других частиц являются состояниями открытых струн. В качестве исключения можно назвать гравитоны, представленные замкнутыми струнами. Таким образом, все частицы, не считая гравитонов, беспрепятственно прилипают к D-бранам. Гравитонам, в свою очередь, ничто не мешает оставить насиженное место на одной D-бране и устремиться перелетными птицами к другой.

Благодаря отличию струнной сущности гравитонов от остальных частиц в М-теории удалось смоделировать относительную слабость гравитационного взаимодействия и тем самым решить упомянутую выше проблему иерархии. В 1998 г. физики из Стэнфордского университета Нима Аркани-Хамед, Савас Димопулос и Джиа Двали, которых для этой работы свел вместе Игнациус Антониадас, обрисовали схему, включающую две D-браны, разделенные большим - около 1 мм - дополнительным измерением. Вторая D-брана в модели АДД (по инициалам авторов) играет роль параллельной вселенной или некой области нашей Вселенной. Она расположена прямо у нас перед носом, но совершенно невидима. Поскольку все поля Стандартной модели привязаны к нашей собственной бране, фотоны не в состоянии перепрыгнуть через пропасть и осветить параллельную брану. Из сильного и слабого взаимодействий тоже шпионов не выйдет - они и представления не имеют о спрятанном под боком мире. Единственный шанс на него наткнуться дают невидимые гравитационные нити.

Так как они, связывая наш мир с параллельным, проходят через ограниченный двумя бранами контейнер, тяготение истощается и становится гораздо слабее других взаимодействий. Представьте себе четыре бойлера, подключенные к системе отопления 10-этажного здания. Пусть первые три снабжают находящуюся за стенкой сауну с джакузи и бассейном, а четвертый тащит на себе все остальные этажи. Посетители сауны наверняка не будут испытывать недостатка в тепле, а вот жителям верхнего этажа, велика вероятность, придется запастись пуховыми одеялами, дабы не замерзнуть. По мощности бойлеры могут и не отличаться, но истощенный нагрузкой четвертый котел будет неспособен полноценно выполнять свои функции. Похожим образом ослабевает и гравитация, хотя изначально, в общем-то, ничем не уступает остальным силам, а все из-за утечки гравитонов, которые просачиваются с нашей браны в контейнер.

По сравнению с МССМ (Минимальной суперсимметричной стандартной моделью) у схемы с большими дополнительными измерениями есть важное преимущество: она предсказывает не несколько, а одну энергию объединения. Согласно этому подходу все взаимодействия сольются воедино при энергии порядка ТэВа, которая, по счастливому совпадению, как раз под силу БАК. Гравитация будет казаться слабее просто потому, что она совершает тайные вылазки в потусторонний мир. В таком случае, получается, нам не придется гнаться за невообразимыми планковскими энергиями - что такое ТэВ по сравнению с ними! - чтобы наблюдать объединение всех взаимодействий. Если это так, то мы сэкономим немало денег.

Кроме того, большие «лишние» измерения стали лакомым кусочком и для тех, кто силится разгадать тайну темной материи. В одном из вариантов модели АДД - так называемой модели складчатой Вселенной - ее авторы вместе с Неманей Калопером из Стэнфорда исследовали, что произойдет, если нашу брану, как меха аккордеона, многократно сложить. Тогда путь к далеким звездам, находящимся за миллиарды световых лет от нас, если идти по бране, можно срезать через одиннадцатое измерение. Это напоминает поездку по горному серпантину: хотя путь к вершине вдоль склона сравнительно короткий (и доступен для скалолазов), по дороге приходится проехать гораздо большее расстояние.

Поскольку гравитоны знают короткую дорогу через контейнер, две, как нам кажется, далекие звезды могут испытывать гравитационное притяжение друг друга. Оно будет ощущаться, но его нельзя будет увидеть, а значит, эта модель предоставляет одно из возможных объяснений темной материи. Попросту говоря, темная материя такого типа на самом деле никакая не темная, а обычное светящееся вещество, чья сила тяготения проникает через толщу контейнера.

Одна из привлекательных черт модели АДЦ - предсказание физических эффектов, которые в принципе доступны сегодняшнему эксперименту. В частности, на расстояниях меньше 1 мм должны наблюдаться отклонения от установленного закона тяготения. Здесь новая теория, по сути, идет вразрез как с Ньютоном, так и с Эйнштейном и гласит, что на маленьких масштабах в закон обратных квадратов необходимо ввести корректирующий множитель. Причем для астрономических расстояний (порядка или больше радиуса лунной орбиты) этот множитель становится несущественным, что объясняет, почему мы его до сих пор не заметили. Впрочем, на данный момент никаких отклонений уловить не удалось и на маленьких масштабах, и модель АДЦ является пока не более чем гипотезой. При всем том, что были проведены многочисленные эксперименты и задействована чувствительнейшая аппаратура. Например, группа экспериментаторов из Университета Вашингтона под началом Эрика Эйделбергера, проведя тонкие опыты с высокоточными крутильными весами, подтвердила закон обратных квадратов до расстояний гораздо меньше 1 мм. Этот результат заставляет усомниться в предложенной теоретической схеме, по крайней мере в простейшей ее форме.

В 1999 г. Лайза Рэндалл и Раман Сундрум построили модель мира на бране, которая не требует таких жертв от закона всемирного тяготения. В ней, как и в теории АДД, постулируется наличие пары трехмерных бран: на одной живет наша Вселенная со всем багажом Стандартной модели, а другая находится «вне зоны доступа», куда никто, кроме гравитонов, выбираться не рискует. Однако пространству между бранами теперь необязательно приобретать ощутимые размеры. Наоборот, параллельные браны могут подходить друг к другу вплотную, да так, что мы никакими приборами не обнаружим близкое соседство.