Читать книгу "Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства Вселенной - Стивен Губсер"

Чтобы лучше представить себе характер этих столкновений, рассмотрим в качестве примера автомобильный краш-тест, в котором машины сталкиваются лоб в лоб. В большинстве случаев машины разбиваются в лепёшку, но находящиеся внутри манекены, являющиеся аналогами партонов, остаются более-менее неповреждёнными. Это пример мягкого процесса при столкновении двух протонов. В редком неблагоприятном случае обломки манекенов вместе с остатками автомобилей разлетаются в разные стороны — это пример жёсткого процесса. Протон-протонные столкновения чаще всего представляют собой гибрид небольшого числа относительно редких жёстких процессов и множества мягких.

Поспешу также заверить вас, что, вопреки журналистским страшилкам, в высокоэнергетических столкновениях частиц нет ничего опасного. Миллиарды космических частиц ежесекундно вторгаются в земную атмосферу, сталкиваясь с протонами и с атомными ядрами азота и кислорода. То, что происходит внутри Теватрона, и то, что происходит внутри БАК, — не более чем управляемые варианты процессов, происходящих в атмосфере Земли с сотворения мира. Из-за того, что огромное количество столкновений в коллайдерах происходит в сравнительно небольшой области, для уменьшения воздействия возникающей при этом радиации все установки спрятаны глубоко под землёй, но следует заметить, что риск облучения персонала здесь гораздо ниже, чем на атомных электростанциях.

Столкновения ионов золота на первый взгляд очень похожи на столкновения протонов. Каждое ядро представляет собой большой комок нуклонов, состоящих в свою очередь из партонов. При столкновении некоторые партоны сталкиваются жёстко, в то время как остальные — мягко. Подобно протонам, ядра золота при столкновении также полностью разрушаются, рождая буквально тысячи частиц.

Качественно столкновения ядер золота гораздо более катастрофичны, чем столкновения протонов. Возвращаясь к автомобильной аналогии, можно сказать, что столкновения ядер золота похожи на столкновения автомобилей, начинённых взрывчаткой.

При этом возникает очень горячий ядерный шар, который затем быстро сдувается. Этот шар горячее, чем всё, что мы можем себе представить. При обычном химическом взрыве достигается температура в несколько тысяч кельвинов. Температура в центре Солнца достигает 16 миллионов кельвинов. Похожие температуры достигаются при ядерном взрыве. Но температура, достигаемая в RHIC, превышает температуру в центре Солнца в 200 000 раз! Это горячее всего, что можно себе вообразить. Протоны и нейтроны при таких температурах «плавятся», освобождая находящиеся внутри них кварки и глюоны, формирующие кварк-глюонную плазму, о которой я уже упоминал ранее.

Супер-сверх-высокоскоростные столкновения ядер золота приводят к образованию кварк-глюонной плазмы, распадающейся на тысячи высокоэнергетичных частиц

В протон-протонных столкновениях физики вынуждены тщательно отсеивать в поисках суперсимметрии все жёсткие процессы, которые прячутся в общей массе мягких процессов, индуцируемых в ходе тех же самых столкновений. Когда два кварка сталкиваются лоб в лоб, они тут же разлетаются в разные стороны и улавливаются детекторами частиц вместе с осколками протона. В случае столкновения тяжёлых ионов всё происходит совершенно по-другому. Образующиеся в жёстких процессах частицы на долгое (по меркам микромира) время застревают в кварк-глюонной плазме. Такое поведение частиц отражает одно из ключевых свойств кварк-глюонной плазмы. В качестве аналогии можно привести поведение пули в воде. Наверное, вы помните, как в фильмах про Джеймса Бонда шпионы стреляют друг в друга под водой, при этом пули прочерчивают в толще воды красиво подсвеченные следы из кавитационных пузырьков? В реальности же пуля останавливается в воде уже через несколько метров. Говоря физическим языком, длина свободного пробега пули в воде составляет несколько метров. Одной из отличительных особенностей кварк-глюонной плазмы является очень малая длина свободного пробега частиц, рождаемых в жёстких процессах, — она не превышает нескольких размеров протона.

Другой отличительной особенностью кварк-глюонной плазмы является её вязкость. При чрезвычайно высокой плотности кварк-глюонной плазмы её вязкость неожиданно низка. Последнее утверждение нуждается в пояснении. С одной стороны, я понимаю под вязкостью то же, что и большинство домохозяек: мёд вязкий, вода — не очень. С другой стороны, в физике тяжёлых ионов существует резкий контраст между потоком свободных частиц, который считается очень вязким, и сильновзаимодействующей кварк-глюонной плазмой, вязкость которой низка. Казалось бы, что может быть менее вязким, чем поток свободных частиц? Если частицы не сталкиваются друг с другом, откуда возьмётся вязкость? Увы, подобные рассуждения в корне неверны. Представим что-то, имеющее действительно низкую вязкость, в виде набора слоёв, которые могут свободно скользить друг относительно друга. Рассмотрим, например, воду, обтекающую камень: слои воды в непосредственной близости от камня движутся медленно, но чем дальше от камня, тем быстрее движется вода. Расположенные рядом слои как бы смазывают друг друга. Что случится, если мы заменим воду водяным паром? Пар состоит из множества отдельных молекул, редко соударяющихся друг с другом, но часто соударяющихся с камнем. В отличие от воды пар не содержит отдельных слоёв, легко скользящих друг относительно друга, и прокачать ту же массу пара через русло гораздо труднее, чем воду, потому что вода, в отличие от пара, как бы самосмазывается, — получается, что вода менее вязкая, чем пар.

При столкновениях тяжёлых ионов создаются условия, похожие на только что рассмотренный пример с водой, обтекающей камень, за исключением того, что тут нет ни воды, ни камней. Аналогия состоит в том, что сильновзаимодействующая кварк-глюонная плазма своим поведением напоминает низковязкую воду, состоящую из отдельных слоёв, свободно скользящих друг относительно друга, а пучок свободных частиц, редко сталкивающихся друг с другом, — высоковязкий пар. Тот факт, что наилучшее соответствие экспериментальным данным даёт аналогия с низковязкой жидкостью, стал сюрпризом для физиков, а предварительные оценки вязкости, полученные на основе квантовой хромодинамики, оказались неверными: они предсказывали, что кварки и глюоны должны вести себя скорее как пар, нежели как вода.

Ещё одно потрясение ожидало исследователей, когда обнаружилось, что горизонт чёрной дыры имеет вязкость, сопоставимую с той, которая необходима для описания столкновений тяжёлых ионов. Эти теоретические результаты были получены на основе струнно-калибровочной дуальности, о которой я рассказывал в шестой главе. Дальнейшие изыскания показали, что многие аспекты столкновений тяжёлых ионов имеют близкие аналогии с описанием гравитационно-связанных систем. В описаниях таких систем всегда используется дополнительное измерение, но это не одно из тех дополнительных измерений, которые используются в теории струн. Это дополнительное измерение — пятое измерение, которое присутствует в названии главы, — не является свёрнутым, оно ортогонально четырём обычным измерениям, но мы не можем двигаться в нём привычным образом. Оно описывает энергетическую шкалу — характерные значения энергий различных физических процессов. Объединив пятое измерение с четырьмя привычными и любимыми измерениями реального мира, вы получите искривлённое пятимерное пространство-время. Это пространство-время «кодирует» информацию о температуре, потерях энергии и вязкости в своей геометрии. В последнее время много усилий тратится на то, чтобы установить соответствие между пятимерной геометрией и физикой кварк-глюонной плазмы.