Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Теория струн стоит перед лицом эксперимента?

Возможность, что мы живем внутри большой 3-браны, конечно, является только этим: возможностью. И в рамках сценария мира на бране возможность, что дополнительные размерности могут быть намного больше, чем когда-то думалось, – и связанная с этим возможность, что струны могут также быть намного больше, чем когда-то думалось, – также являются только этим: возможностями. Но они являются крайне возбуждающими возможностями. Верно и то, что даже если сценарий мира на бране верен, дополнительные размерности и размер струн могут все равно быть планковскими. Но возможность в рамках теории струн/М-теории для струн и дополнительных размерностей быть много больше – просто быть за пределами достижимости сегодняшней технологии – фантастична. Она означает, что имеется, по меньшей мере, шанс, что в течение нескольких следующих лет теория струн/М-теория соприкоснется с наблюдаемой физикой и станет экспериментальной наукой.

Насколько велик этот шанс? Я не знаю и никто другой не знает. Моя интуиция говорит мне, что это маловероятно, но моя интуиция сформировалась полутора десятилетиями работы в рамках обычной схемы струн планковской длины и внешних измерений планковской длины. Возможно, мои инстинкты устарели. К счастью, вопрос будет решаться без малейшей связи с чьей-либо интуицией. Если струны велики или если некоторые из дополнительных размерностей велики, последствия для наступающих экспериментов будут впечатляющими.

В следующей главе мы рассмотрим различные эксперименты, которые проверят среди других вещей возможность сравнительно больших струн и больших дополнительных измерений, так что здесь я только возбуждаю ваш аппетит. Если струны так же велики, как милиардная миллиардной доли (10 –18) метра, частицы, соответствующие высшим гармоническим колебаниям на Рис. 12.4, не будут иметь чрезмерные массы, превышающие массу Планка, как в стандартном сценарии. Напротив, их массы будут только от тысячи до нескольких тысяч масс протона, а это достаточно мало, чтобы быть достижимым на Большом Адронном Коллайдере (Large Hadron Collider – LHC), в настоящее время строящемся в ЦЕРНе. Если эти колебания струн могут быть возбуждены через высокоэнергетические столкновения, детекторы ускорителя будут сиять как хрустальный шар на елке в новогоднюю ночь. Будет произведена целая толпа никогда раньше не виданных частиц, и их массы будут относиться одна к другой почти как различные гармоники, связанные с виолончелью. Проявление струнной теории будет отпечатано в данных столь цветисто, что поразило бы Джона Хичкока*. Исследователи будут не в состоянии пропустить его даже без своих очков.

(*)"Британский проектировщик и инвестор, работающий в стиле hi-tech, совладелец всемирно известного брэнда YOO в области архитектурного дизайна. – (прим. перев.)"

Более того, в сценарии мира на бране высокоэнергетические столкновения могут даже произвести – осознайте это – миниатюрные черные дыры. Хотя мы обычно думаем о черных дырах как о чудовищных структурах далеко в глубоком пространстве, известно со времен первых дней ОТО, что если вы втисните достаточно материи в горсть вашей руки, вы создадите миниатюрную черную дыру. Этого не происходило потому, что ни одна хватка – и ни один механический прибор – даже отдаленно не имеет мощи, чтобы проявить достаточную силу сжатия. Напротив, единственный признанный механизм для производства черной дыры содержит гравитационное сжатие экстраординарно массивной звезды, преодолевшей направленное наружу давление, обычно оказываемое процессами звездной ядерной реакции, что заставляет звезду коллапсировать внутрь себя. Но если внутренняя сила гравитации на малых масштабах намного больше, чем мы думали раньше, мелкие черные дыры могут производится при существенно меньших силах сжатия, чем мы были уверены раньше. Расчеты показывают, что Большой Адронный Коллайдер (LHC) может иметь почти достаточно сдавливающей мощи, чтобы создать рог изобилия микроскопических черных дыр через высокоэнергетические столкновения между протонами. [7]Подумайте о том, насколько это будет поразительно. LHC может оказаться фабрикой по производству черных дыр! Эти черные дыры должны быть столь малы и сохраняться столь короткое время, что они не смогут представлять для нас ни малейшей опасности (годами раньше Стивен Хокинг показал, что все черные дыры испаряются посредством квантовых процессов – большие очень медленно, малые очень быстро), но их производство обеспечит подтверждение некоторых наиболее экзотических идей из когда-либо рассмотренных.

Космология мира на бране

Первейшая цель сегодняшних исследований, одна из тех, что горячо преследуются учеными всего мира (включая меня), заключается в формулировании понимания космологии, которое включает новые открытия теории струн/М-теории. Причина ясна: космология не только связана с глобальными, захватывающими дух вопросами, и мы не только подошли к осознанию, что аспекты привычного опыта – такие как стрела времени – связаны с условиями при рождении вселенной, но космология также обеспечивает теоретиков тем же, чем Нью-Йорк обеспечил Синатру: испытанием настоящей цены мастерства. Если теория может сделать это в экстремальных условиях, характеризующих ранние моменты вселенной, она сможет сделать это везде.

Что касается сегодняшнего дня, космология в соответствии с теорией струн/М-теорией находится в стадии разработки исследователями, ориентированными в двух главных направлениях. Первый и более обычный подход представляет, что точно так же, как инфляция обеспечивает недолгую, но основательную начальную часть стандартной теории Большого взрыва, теория струн/М-теория обеспечивает еще более раннюю и, возможно, еще более основательную начальную часть для инфляции. Представляется, что теория струн/М-теория будет прояснять размытое пятно, которое мы использовали для обозначения нашего неведения относительно самых ранних моментов вселенной, а затем космологическая драма будет разворачиваться в соответствии с необыкновенно успешным сценарием инфляционной теории, который мы подробно излагали в предыдущих главах.

Хотя имелся прогресс в специфических деталях, требуемых таким подходом (таких как попытки понять, почему только три пространственных измерения вселенной подверглись расширению, точно так же, как разработка математических методов, которые могут обеспечить подходящий анализ области без пространства и без времени, которая могла предшествовать инфляции), момент для крика "Эврика!" еще не наступил. Интуитивно понятно, что в то время, как инфляционная космология представляет наблюдаемую вселенную становящейся все более маленькой в совсем ранние времена, – и потому становящейся все более горячей, плотной и энергичной, – теория струн/М-теория обуздывает это буйное (на физическим языке, "сингулярное") поведение путем введения минимального размера (как в нашей дискуссии на стр. 350–351), ниже которого становятся существенными новые и менее сингулярные физические величины. Это обоснование лежит в сердце успешного соединения ОТО и квантовой механики теорией струн/М-теорией, и у меня сильное ощущение, что мы скоро определим, как применить такое же обоснование в контексте космологии. Но, что касается сегодняшнего дня, размытое пятно все еще выглядит размытым, и можно только гадать, когда будет достигнута ясность.