Компьютерра - Цифровой журнал «Компьютерра» № 1

Является ли многомерность пространства в теории суперструн чисто математической абстракцией или она наблюдаема?

И то, и другое справедливо. Теория суперструн довольно многогранная, многоликая. У нее есть реализации разного вида. Разного типа даже. Есть такое понятие, вакуум, основное состояние. И надо привыкать к тому, что свойства материи очень сильно зависят от того, как устроен вакуум. Вот тот же хиггсовский механизм… Правильнее, кстати, было бы называть его механизмом Энглера — Браута — Хиггса. На самом деле Энглер и Браут независимо от Хиггса предложили механизм «одевания» частиц массами, но про Энглера и Браута почему-то не очень упоминают.

Говорят, потому что так короче и удобнее.

Да, удобнее, но правильно «Энглера — Браута — Хиггса». Они даже немного раньше предложили этот механизм, чем Хиггс. Но у них не было самой частицы. То, что мы называем «механизм Хиггса», это механизм придания масс частицам. А частицу, которая является следствием этого механизма, заметил Хиггс. Поэтому «частица Хиггса» — это более или менее правильно, а механизм должен быть «Энеглера — Браута — Хиггса».

Но неважно, важно, что этот механизм полностью опирается на свойства вакуума. Основное в нем — это свойства вакуума, а не сама частица. Есть нетривиальный вакуум, нетривиальное основное состояние, при котором частицы «одеваются» массой. Вот в чем суть этого явления. Физические проявления теории очень сильно зависят от того, какой в ней вакуум. В теории суперструн есть много разных вакуумов, в которых система может находиться. И от этого сильно зависят проявления. Так вот, есть вакуумные состояния, в которых пространственные измерения вполне физические и могут быть наблюдаемыми, а есть вакуумы, в которых дополнительные пространственные измерения как бы скрыты, их не видно, и они непосредственно не наблюдаемы. Но, вообще, и та и другая возможность существует, и, в принципе, дополнительные измерения могут оказаться наблюдаемыми и вполне доступными экспериментально. Но при большом везении.

Теория суперструн — это теория гравитации. Согласуется ли она с общей теорией относительности Эйнштейна в области параметров, в которых обе применимы?

Да, несомненно, конечно. Это ответ однозначный.

Какова, вообще, область применимости общей теории относительности?

Это вопрос сложный. Потому что, если стоять на консервативной точке зрения, то это область энергий вплоть до безумных цифр. Проектная энергия LHC — 14 000 ГэВ, а общей теории относительности — страшно сказать: 10 19ГэВ. Представляете, что такое число с девятнадцатью нулями?

С трудом

10000 — это четыре нуля, а вам надо написать девятнадцать нулей, и это будет масштаб энергии. То есть это 10 миллиардов миллиардов ГэВ, в отличие от 14 000, до которых дотягивается LHC. Это консервативная оценка, которая связана с масштабом гравитационных взаимодействий. Это гравитационные взаимодействия, которые мы можем наблюдать и оценивать в лаборатории. Опять, если есть большие пространственные измерения, то все эти оценки летят. Тогда масштаб, где начинается выход за рамки общей теории относительности, может соответствовать масштабу энергии LHC. Это экзотика, но не запрещенная теоретически, и даже есть соображения в пользу такой возможности, хотя и зыбкие. Это что касается высоких энергий.

С другой стороны, если речь идет о низких энергиях и больших расстояниях, то общая теория относительности заведомо работает на расстояниях, сравнимых с размером скопления галактик. Это мегапарсеки, мегапарсек — три миллиона световых лет. На таких расстояниях общая теория относительности работает. А на космологических (еще больше — гигапарсеки) вопрос, работает, или нет. Опять. Если оставаться консерватором, то должна работать. Но есть такое явление — ускоренное расширение Вселенной. Может быть, его можно объяснить с помощью модификации общей теории относительности, изменениями законов гравитации на таких гигантских расстояниях. На эту тему думают, и я сам ее не оставляю. Но построить самосогласованную теорию сложно, хотя и нет указаний и на то, что этого сделать нельзя. Может быть, можно обойтись без всякой темной энергии, объяснить ускоренное расширение Вселенной тем, что общая теория относительности перестает быть применимой на космологических масштабах. Это очень увлекательное занятие. Потому что, в принципе, с помощью космологических наблюдений это дело в будущем можно будет проверить.

А Вы в этом смысле консерватор или нет?

Я держу глаза открытыми. Мне нравится и то, и другое. Конечно, надо пытаться смотреть в сторону более экзотических возможностей, оставаться консерватором в науке — это достаточно пустое дело. Но нужно понимать, где экзотика, а где возможность очень очевидная и правильная. Оба варианта пока кажутся экзотическими. И то, что есть большого размера дополнительные измерения, и то, что общая теория относительности меняется на космологических расстояниях. И красивой теории, которая бы сказала «Вот оно», пока нет, но это не значит, что ее не будет. Попытаться придумать что-то, наверное, возможно. Я и сам занимаюсь этим, и с интересом смотрю, что делают другие.

Когда этот вопрос прояснится, навскидку?

Если говорить о малых расстояниях, то эксперименты на LHC могут вполне на этот вопрос ответить. И если масштаб дополнительных измерений доступен для LHC, то это дело не очень далекого будущего, сигналы предсказываются такими моделями настолько яркие, что LHC будет вполне способен в этом разобраться. А большие расстояния, ну, это тоже не безумно далеко. Потому что космологические наблюдения, наблюдения астрономического типа, которые говорят о свойствах Вселенной, очень быстро прогрессируют, и не очень далеко будет видно, как именно ускорялась Вселенная в недалеком прошлом. И отсюда можно будет делать выводы о том, что это такое — темная энергия, или это космологическая постоянная, или новая гравитация на больших расстояниях.

Недалекое прошлое — это какое?

Это последние 8 миллиардов лет, по космологическим масштабам это недалекое прошлое. Вселенная, вообще-то, существует 14 миллиардов лет, речь идет примерно о половине возраста Вселенной.

В физическом минимуме В. Гинзбурга есть пункты «Экспериментальная проверка общей теории относительности» и «Гравитационные волны и их детектирование». О каких экспериментах идет речь?

Экспериментальная проверка общей теории относительности — это деятельность, текущая вовсю. Общая теория относительности, помимо классических эффектов, которые были обнаружены еще при жизни Эйнштейна, предсказывает многообразные эффекты: в распространении света, в поведении тела на земной орбите и так далее. Проверки ведутся постоянно, усовершенствуются. Есть хорошая статья на эту тему — Турышева в «Успехах физических наук», вполне доступная для чтения. Он сделал обзор таких экспериментов. Все, что я могу здесь сказать — это дать ссылку на этот материал, потому что подробностей экспериментов я не знаю. Это одно. И второе — гравитационные волны. Нет сомнений в том, что они существуют. По движению двойных пульсаров видно, что они излучают гравитационные волны, из-за этого уменьшается размер орбит, теряется энергия, и это вполне соответствует общей теории относительности. Так что в этом смысле нет сомнений, что гравитационные волны излучаются, как предсказал Эйнштейн. Это вопрос решенный. Несмотря на то, что их открытие как таковых еще не состоялось, и нет самих наблюдений.