Читать книгу "Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку"

Пока неясно, будут ли эти ускорители когда-нибудь построены, но все это означает, что есть надежда обнаружить темную материю на ускорителях следующего поколения после Большого адронного коллайдера. В случае обнаружения частиц темной материи их характеристики можно будет сравнить с предсказаниями теории струн.

Еще одно предсказание теории струн, которое, возможно, удастся проверить при помощи этих ускорителей, – это существование миниатюрных черных дыр. Поскольку теория струн – это теория всего, она включает в себя как гравитацию, так и элементарные частицы, так что физики ожидают найти в ускорителе крохотные черные дыры. (Эти миниатюрные черные дыры, в отличие от звездных, безобидны и обладают энергией крохотных элементарных частиц, а не умирающих звезд. В действительности Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами, гораздо более мощными, чем все, что способны выдать эти ускорители, причем без всякого вредного эффекта.)

Большой взрыв как ускоритель ядерных частиц

Еще есть надежда, что нам удастся использовать в исследованиях величайший ускоритель всех времен – сам Большой взрыв. Излучение Большого взрыва может дать ключ к разгадке тайны темной материи и темной энергии. Прежде всего эхо, или остаточное свечение Большого взрыва, легко детектируется. Наши спутники умеют регистрировать это излучение с огромной точностью.

Фотографии показывают, что фоновое микроволновое излучение замечательно гладкое и нарушается лишь мелкой рябью. Эта рябь, в свою очередь, отражает крохотные квантовые флуктуации, существовавшие в момент Большого взрыва и затем усиленные им.

Вопросы, однако, вызывает то, что в этом реликтовом излучении присутствуют неправильности, или пятна, которые мы не в состоянии объяснить. Высказываются предположения, что это следы столкновений с другими вселенными. В частности, существует Холодное пятно – необычно холодная отметина на однородном в остальном фоновом излучении, которая, по предположениям некоторых физиков, может оказаться остатком какой-то связи или столкновения нашей Вселенной с какой-то другой параллельной вселенной, произошедшего в начале времен. Если выяснится, что эти странные отметины действительно являются следами взаимодействия нашей Вселенной с параллельными вселенными, то теория мультивселенной, возможно, покажется скептикам более правдоподобной.

Уже существуют планы разместить детекторы гравитационных волн в космосе, что позволит уточнить расчеты.

LISA

Еще в 1916 г. Эйнштейн показал, что гравитация распространяется в виде волн. Подобно тому как расходятся концентрические круги от брошенного в пруд камня, пучности гравитации должны расходиться в пространстве со скоростью света. Однако они, по предположению Эйнштейна, настолько слабы, что обнаружить их вряд ли удастся в обозримом будущем.

Он оказался прав. Только в 2016 г., через сто лет после его предсказания, ученым впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны. Громадные детекторы уловили сигналы от двух черных дыр, столкнувшихся в пространстве около миллиарда лет назад. Каждый из этих детекторов, построенных в штатах Луизиана и Вашингтон, занимает территорию площадью в несколько квадратных километров. По форме они напоминают букву L, вдоль каждого плеча которой направлены лазерные лучи. Встречаясь в основании буквы, два луча образуют интерференционную картину, которая настолько чувствительна к вибрациям, что смогла уловить следы столкновения черных дыр.

За свою новаторскую работу трое физиков – Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш – получили в 2017 г. Нобелевскую премию.

Чтобы добиться еще большей чувствительности, есть планы отправить детекторы гравитационных волн в открытый космос. Новая система, известная как Космическая антенна для лазерной интерферометрии (LISA, Laser interferometry space antenna), сумеет, возможно, уловить вибрации, возникшие в момент самого Большого взрыва. Один из вариантов LISA состоит из трех спутников в космосе, связанных друг с другом сетью лазерных лучей. Каждая сторона треугольника составит около 2,5 млн км. Когда гравитационная волна Большого взрыва попадет на детектор, она вызовет небольшие колебания лазерных лучей, которые можно будет измерить при помощи чувствительных приборов.

Конечная цель этой программы – записать ударные волны Большого взрыва, а затем «прогнать пленку» задом наперед, чтобы получить наилучшее возможное представление об излучении до Большого взрыва. Волны, существовавшие до Большого взрыва, затем нужно будет сравнить с тем, что предсказывают разные варианты теории струн. Это, возможно, позволит получить численные данные о мультивселенной до Большого взрыва.

Не исключено, что при помощи еще более совершенных устройств, чем LISA, ученые смогут получить «детские фото» нашей Вселенной и даже найти свидетельства той пуповины, что связывала нашу новорожденную Вселенную с материнской вселенной.

Проверка обратно-квадратичной зависимости

Еще один распространенный аргумент против теории струн связан с тем, что в соответствии с ней мы фактически живем в десяти или одиннадцати измерениях, однако экспериментальных подтверждений этому нет.

Но этот аспект на самом деле, возможно, удастся проверить при помощи уже имеющихся инструментов. Если наша Вселенная трехмерна, то сила тяготения объектов снижается обратно пропорционально квадрату разделяющего их расстояния. Этот знаменитый закон Ньютона ведет наши космические зонды сквозь пространство на миллиарды километров с захватывающей дух точностью, так что мы, если бы захотели, вполне могли бы провести аппараты через кольца Сатурна. Но знаменитый закон обратных квадратов Ньютона проверяется только на астрономических расстояниях, а не в лаборатории. Тот факт, что сила тяготения на малых расстояниях не подчиняется обратно-квадратичному закону, может свидетельствовать о наличии высших измерений. Например, если бы Вселенная имела четыре пространственных измерения, то гравитация должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. (Если бы Вселенная имела N пространственных измерений, то гравитация должна была бы убывать пропорционально (N – 1)-й степени расстояния между объектами.)

Однако в лаборатории сила тяготения между двумя объектами измеряется чрезвычайно редко. Такие эксперименты сложны, поскольку гравитационные силы в лаборатории очень малы, но в Колорадо уже проведены первые измерения и получены отрицательные результаты, то есть обратно-квадратичная зависимость Ньютона по-прежнему выполняется. (Но это означает лишь, что дополнительных измерений нет в Колорадо.)

Проблема ландшафта

Для теоретика все эти критические замечания неприятны, но не фатальны. Что действительно создает проблемы для теоретика, так это предсказание существования мультивселенной из параллельных вселенных, многие из которых куда более безумны, чем все, что может предложить воображение какого-нибудь голливудского сценариста. Теория струн имеет бесконечное множество решений, каждое из которых описывает конечную теорию гравитации, совершенно не похожую на то, что есть в нашей Вселенной. Во многих из этих параллельных вселенных протон нестабилен, так что вся материя распадается, превращаясь в огромное облако электронов и нейтрино. В таких вселенных сложная материя, такая, какой мы ее знаем (атомы и молекулы), не может существовать. Они содержат только газ из элементарных частиц. (Кто-то может возразить, что эти альтернативные вселенные представляют собой всего лишь математическую возможность, что они не реальны. Но проблема в том, что наша теория не имеет предсказательной силы, поскольку она не может сказать, которая из этих альтернативных вселенных реальна.)