Ускоритель в поясе астероидов

Со временем высокоразвитая цивилизация могла бы построить ускоритель частиц размером с пояс астероидов. Круговой поток протонов двигался бы вдоль пояса, направляемый гигантскими магнитами. На Земле частицы движутся внутри большой кольцевой трубки с вакуумом внутри. Но, поскольку вакуум открытого космоса лучше любого земного вакуума, такому ускорителю трубка вовсе не понадобится.

Для его строительства понадобится только серия гигантских магнитных станций, размещенных в стратегических точках вдоль всего пояса астероидов и формирующих кольцевую траекторию для протонного пучка. Это чем-то напоминает эстафетную гонку. Всякий раз, когда протоны проходят мимо очередной станции, электрический импульс запитывает магниты и они подталкивают протонный пучок так, что он движется к следующей станции под нужным углом. Всякий раз, когда протонный пучок проходит мимо станции, в него закачивается новая порция энергии в виде лазерной энергии, и это происходит до тех пор, пока протоны постепенно не достигнут планковской энергии.

Достигнув этой энергии, ускоритель сможет сфокусировать ее в одной точке. По идее, там должна открыться кротовая нора. В нее можно будет впрыснуть достаточно отрицательной энергии, чтобы стабилизировать ее и не дать схлопнуться.

Как может выглядеть проход через кротовую нору? Никто этого не знает, но физик Кип Торн из Калифорнийского технологического института попробовал сделать научно обоснованное предположение, когда консультировал режиссеров фильма «Интерстеллар». При помощи компьютерной программы Торн изобразил траектории световых лучей при прохождении их мимо и сквозь кротовую нору, чтобы можно было получить зрительное представление о том, как могло бы выглядеть подобное путешествие. Этот фильм стал на данный момент самой строгой и научной попыткой визуализировать проход через кротовую нору.

(В фильме при приближении к черной дыре вы видите гигантскую черную сферу, известную как горизонт событий. Именно горизонт событий становится для вас точкой невозврата. Внутри этой черной сферы находится сама черная дыра — крохотная точка, обладающая невероятной плотностью и столь же невероятным тяготением.)

Помимо строительства гигантских ускорителей есть еще несколько способов использования кротовых нор, возможных с точки зрения физики. Один из сценариев предполагает, что Большой взрыв проходил настолько стремительно, что мог запустить механизм расширения микроскопических кротовых нор, существовавших в новорожденной Вселенной 13, 8 млрд лет назад. Когда Вселенная начала расширяться экспоненциально, эти кротовые норы, возможно, стали расширяться вместе с ней. Значит, хотя никто пока не видел ничего подобного, кротовые норы могут существовать во Вселенной естественным образом. Некоторые физики рассуждают о том, как отыскать их в пространстве. (Чтобы найти естественную кротовую нору — а такой поиск стал темой нескольких эпизодов «Звездного пути», — следует искать в космосе объект, который искажает звездный свет определенным образом, превращая его, возможно, в сферу или кольцо.)

Еще одна возможность, которую также исследовали Кип Торн и его коллеги, состоит в том, чтобы найти микроскопическую кротовую нору в вакууме и расширить ее. Согласно нашим нынешним представлениям, по мере того как вселенные возникают, а затем вновь исчезают в небытии, пространство, вероятно, пенится микроскопическими кротовыми норами. Располагая достаточным количеством энергии, можно было бы захватить уже существующую кротовую нору и расширить ее.

Однако у всех этих сценариев есть одна проблема. Кротовая нора окружена частицами гравитации — гравитонами. Перед прохождением сквозь кротовую нору вам встретятся квантовые поправки в форме гравитационного излучения. В обычных условиях квантовые поправки малы и их можно не принимать во внимание. Но расчеты показывают, что при проходе сквозь кротовую нору данные поправки бесконечны, так что это излучение, скорее всего, окажется смертельным. Кроме того, уровень излучения может оказаться настолько высоким, что кротовая нора закроется, сделав проход невозможным. Физики все еще спорят о том, насколько опасным может быть путешествие сквозь кротовую нору.

Как только мы проникаем в кротовую нору, теория относительности Эйнштейна становится бесполезной. Квантовые эффекты там настолько сильны, что провести нас через кротовую нору должна другая теория, более высокого порядка. Сейчас на это способна только теория струн — одна из самых странных концепций в истории физики[7].

Квантовая размытость

Какая теория может объединить общую теорию относительности и квантовую теорию на уровне планковской энергии? Эйнштейн последние 30 лет своей жизни занимался поисками теории всего, которая позволила бы ему «прочитать мысли Бога», но потерпел неудачу. Теория всего остается одной из главных проблем современной физики. Она раскрыла бы для нас некоторые важнейшие тайны Вселенной, с ее помощью мы смогли бы исследовать путешествия во времени, кротовые норы, дополнительные измерения, параллельные вселенные и даже то, что происходило до Большого взрыва. Мало того, именно от ответа на этот вопрос зависит, сможет ли человечество путешествовать по Вселенной на сверхсветовых скоростях.

Чтобы разобраться в этом, нам нужно осмыслить основание квантовой теории — принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип, название которого звучит так невинно, гласит, что, какими бы чувствительными ни были инструменты, невозможно точно определить одновременно скорость и положение любой элементарной частицы, к примеру электрона. Здесь всегда присутствует квантовая размытость. Вырисовывается поразительная картина: на самом деле электрон представляет собой целый набор различных состояний, и каждое из них описывает электрон в какой-то конкретной точке и с какой-то конкретной скоростью. Эйнштейн ненавидел этот принцип. Он верил в «объективную реальность» — обычное бытовое представление о том, что объекты существуют в определенных конкретных состояниях и что точное положение и скорость любой частицы можно измерить.

Но квантовая теория говорит иначе. В зеркале вы видите себя не таким, какой вы на самом деле. Вы состоите из очень большого набора разных волн. Образ, который вы видите в зеркале, — это некое усреднение, наложение всех этих волн. Есть даже небольшая вероятность того, что некоторые из них распространяются на всю вашу комнату и дальше, в пространство. Некоторые волны, возможно, распространяются до Марса или даже дальше. (Мы любим задавать нашим аспирантам задачу на расчет вероятности того, что некоторые из их волн доходят до Марса и что однажды утром они, встав с постели, смогут ступить прямо на поверхность Красной планеты.)

Эти волны называют «квантовыми поправками» или «квантовыми флуктуациями». В обычных условиях эти поправки малы, так что бытовые представления, основанные на здравом смысле, прекрасно работают, — ведь мы представляем собой наборы атомов и видим только усредненные образы. Но на субатомном уровне квантовые поправки могут быть большими, так что электроны могут находиться в нескольких точках одновременно и существовать в параллельных состояниях. Ньютон был бы шокирован, если бы ему объяснили, что электроны в транзисторах могут существовать в параллельных состояниях. Именно квантовые поправки делают возможной современную электронику. Так что если бы мы могли каким-то образом отключить квантовую размытость, все наши чудеса техники перестали бы работать и общество оказалось бы отброшено почти на 100 лет назад, в доэлектрическую эпоху.

К счастью, физики могут рассчитать квантовые поправки для субатомных частиц и сделать для них предсказания (некоторые сбываются с невероятной точностью, до одной десятитриллионной). Квантовая теория настолько точна, что ее, вероятно, можно считать самой успешной теорией всех времен. Ничто не может соперничать с ней, когда речь идет об обычном веществе. Возможно, это и впрямь самая безумная теория в истории, неслучайно Эйнштейн сказал, что чем успешнее становится квантовая теория, тем она становится страннее. Но в ее пользу говорит один факт: она безусловно верна.

Принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает нас заново оценить все, что мы знаем о реальности. Один из результатов такого анализа состоит в том, что черные дыры на самом деле не могут быть черными. Квантовая теория гласит, что чистая чернота должна иметь квантовые поправки, так что черные дыры на самом деле серые. (А еще они испускают слабое излучение, известное как излучение Хокинга.) Во многих учебниках говорится, что в центре черной дыры, или в начале времен, имеется «сингулярность» — точка с бесконечным тяготением. Но бесконечное тяготение нарушает принцип неопределенности. (Иными словами, никакой «сингулярности» не существует; это просто слово, которое мы придумали, чтобы замаскировать свое незнание того, что происходит, когда не работают уравнения. В квантовой теории тоже нет сингулярностей, поскольку там есть размытость, не позволяющая нам точно узнать положение черной дыры.) Также часто говорят, что чистый вакуум — это чистое «ничто». Концепция «нуля» нарушает принцип неопределенности, так что никакого чистого «ничто» не существует. (Вакуум — это кипящий котел постоянно возникающих и исчезающих виртуальных частиц вещества и антивещества.) И абсолютного нуля — температуры, при которой прекращается всякое движение, — тоже не существует. Даже при приближении к этой температуре атомы продолжают слегка колебаться, сохраняя так называемую энергию нулевых колебаний.

Однако, пытаясь сформулировать квантовую теорию гравитации, мы сталкиваемся с проблемой. Квантовые поправки к теории Эйнштейна описываются частицами, которые мы называем «гравитонами». Точно так же, как фотон — это частица света, гравитон — это частица гравитации. Гравитоны настолько неуловимы, что еще никому не удавалось увидеть их в лаборатории. И все же физики уверены, что они существуют, поскольку без них не обходится ни одна квантовая теория гравитации. Однако, когда мы пытаемся проводить вычисления с учетом гравитонов, квантовые поправки оказываются бесконечными. Квантовая гравитация усеяна поправками, которые нарушают работу уравнений. Эту проблему пытались решить многие великие физики, но все они потерпели неудачу.

Так что одна из целей современной физики — создать квантовую теорию гравитации, где квантовые поправки конечны и вычислимы. Иными словами, теория гравитации Эйнштейна разрешает формирование кротовых нор, которые когда-нибудь, возможно, обеспечат нас короткими маршрутами по Галактике. Но теория Эйнштейна не может сказать, стабильны эти кротовые норы или нет. Чтобы рассчитать квантовые поправки, нам нужна теория, в которой принципы относительности сочетались бы с квантовыми принципами.

Теория струн

До сих пор главным (и единственным) кандидатом на решение этой проблемы является так называемая теория струн, которая гласит, что все вещество и вся энергия во Вселенной состоят из ультрамикроскопических струн. Каждое колебание струны соответствует определенной субатомной частице. Так что электрон на самом деле не точечная частица. Будь у нас супермикроскоп, мы увидели бы, что это вообще не частица, а колеблющаяся струна. Электрон представляется нам элементарной и точечной частицей только потому, что струна такая крохотная.

Если струна колеблется на другой частоте, она соответствует другой частице — какому-нибудь из кварков, мю-мезону, нейтрино, фотону и т.д. Вот почему физики открыли такое странное — и нелепое — число субатомных частиц. Их сотни, и все они различные колебания крохотной струны. Таким способом теория струн может объяснить квантовую теорию субатомных частиц. Согласно теории струн, движение струны вынуждает пространство-время искривляться в точности так, как предсказывал Эйнштейн, поэтому она весьма удачно объединяет теорию Эйнштейна и квантовую теорию.

Это означает, что субатомные частицы в точности похожи на музыкальные ноты. Вселенная представляет собой струнную симфонию, физика — гармония этих нот, а «мысли Бога», в которые так жаждал заглянуть Эйнштейн, — космическая музыка, пробуждающая резонанс в гиперпространстве.

Каким образом теория струн изгоняет квантовые поправки, десятилетиями преследовавшие физиков? Дело в том, что в теории струн имеется так называемая суперсимметрия. Каждой частице соответствует суперпартнер — суперчастица, она же счастица. К примеру, суперпартнером электрона является сэлектрон, партнером кварка — скварк». Так что у нас два типа квантовых поправок — те, что исходят от обычных частиц, и те, что исходят от счастиц. Красота теории струн в том, что квантовые поправки, исходящие от этих двух наборов частиц, в точности компенсируют друг друга.

Таким образом, теория струн дает нам простой и элегантный способ устранения бесконечных квантовых поправок. Они исчезают, потому что эта теория предполагает новый тип симметрии, который придает ей математическую мощь и красоту.

Возможно, для художников красота — это нечто неуловимое, что они стремятся запечатлеть в своих работах. Для физика-теоретика красота — это симметрия. Кроме того, красота абсолютно необходима при исследовании истинной природы пространства и времени. К примеру, если я беру снежинку и поворачиваю ее на 60°, снежинка остается прежней. Так калейдоскоп создает красивые узоры — в нем используются зеркала, которые многократно отражают случайный рисунок и заполняют им все 360°. Мы говорим, что снежинка и узор в калейдоскопе обладают радиальной симметрией; это значит, что они остаются собой при повороте на определенный угол.

Скажем, у меня есть уравнение, в котором содержится множество субатомных частиц, и я смешиваю их или заменяю одни на другие. Если уравнение после перераспределения частиц остается прежним, мы говорим, что оно обладает симметрией.

Сила симметрии

Симметрия не просто вопрос эстетики. Это мощный способ избавиться от несовершенства и аномалий в уравнениях. Если вращать снежинку, то можно сразу же заметить любые дефекты, сравнив «повернутый» вариант с первоначальным. Если они не одинаковы, значит, существует проблема, которую необходимо скорректировать.

Точно так же при построении квантового уравнения мы часто обнаруживаем, что теория поражена крохотными аномалиями и расхождениями. Но, если в уравнении есть симметрия, эти дефекты устраняются. Точно так же суперсимметрия заботится о бесконечностях и несовершенствах, часто обнаруживаемых в квантовой теории.

В качестве бонуса оказывается, что суперсимметрия — это крупнейшая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Суперсимметрия может взять все известные субатомные частицы и смешать их или распределить заново, сохранив при этом первоначальное уравнение. Мало того, суперсимметрия настолько мощная штука, что она может взять теорию Эйнштейна, включая гравитон и субатомные частицы Стандартной модели, и повернуть их или поменять местами. Это дает нам приятный и естественный способ объединить теорию гравитации Эйнштейна и субатомные частицы.

Теория струн подобна гигантской космической снежинке, каждый конец которой представляет полный набор Эйнштейновых уравнений и Стандартную модель элементарных частиц. Так что каждый конец снежинки представляет все частицы Вселенной. Когда мы вращаем снежинку, все частицы Вселенной меняются местами друг с другом. Некоторые физики отмечают, что, даже если бы Эйнштейна не было и никто не тратил бы миллиарды долларов на бомбардировку атомов для создания Стандартной модели, всю физику XX в. можно было бы вывести из теории струн.

Важнее всего, что суперсимметрия взаимно нейтрализует квантовые поправки частиц и счастиц, оставляя нам конечную теорию гравитации. Это настоящее чудо теории струн. Это также дает ответ на вопрос, который чаще всего возникает в связи с теорией струн: почему Вселенная существует в 10 измерениях? Почему не в 13 или 20?

Дело в том, что число частиц в теории струн может варьировать в зависимости от размерности пространства-времени. При большем числе измерений частиц тоже больше, поскольку возникает больше способов, которыми они могут колебаться. Пытаясь компенсировать квантовые поправки от частиц при помощи квантовых поправок для счастиц, мы обнаруживаем, что такая компенсация возможна только в 10 измерениях.

Обычно математики создают новые хитроумные структуры, которые физики позже включают в свои теории. К примеру, теория искривленных поверхностей была разработана математиками в XIX в., а в 1915 г. включена Эйнштейном в теорию гравитации. На этот раз, однако, произошло обратное. Теория струн открыла путь к такому количеству новых областей математики, что математики были поражены. Молодым амбициозным математикам, которые обычно с презрением относятся к прикладным аспектам своей дисциплины, приходится осваивать теорию струн, если они хотят работать на переднем крае своей науки.

Хотя теория Эйнштейна допускает существование кротовых нор и путешествий быстрее света, при расчете стабильности этих кротовых нор в присутствии квантовых поправок уже не обойтись без теории струн.

Подведем краткий итог. Квантовые поправки бесконечны, и избавление от этих бесконечностей является одной из фундаментальных задач физики. Теория струн устраняет эти квантовые поправки, потому что в ней присутствуют два типа квантовых поправок, которые в точности компенсируют друг друга. Точным соответствием параметров частиц параметрам счастиц мы обязаны суперсимметрии.

Но, какой бы элегантной и мощной ни была теория струн, одних теоретических выкладок недостаточно — теория должна пройти окончательную экспериментальную проверку.

Критика теории струн

Картина получается правдоподобная и убедительная, тем не менее остаются серьезные претензии, которые можно предъявить к теории струн. Во-первых, поскольку теория струн (как и любая теория всего) объединяет всю физику на уровне планковской энергии, на Земле не существует установки настолько мощной, чтобы строго и достоверно ее проверить. Для такой проверки потребовалось бы создать в лаборатории крохотную новую вселенную, что невозможно при нынешнем уровне технологий.

Во-вторых, как любая физическая теория, теория струн имеет не одно решение. К примеру, уравнения Максвелла, которым подчиняется свет, имеют бесконечное число решений. Это не проблема, потому что в самом начале любого эксперимента мы конкретизируем, что именно изучаем — электрическую лампочку, лазер или телевизор, — и решаем уравнения Максвелла, имея заданные начальные условия. Но если речь идет о теории Вселенной, то каковы могут быть начальные условия? Физики считают, что теория всего должна диктовать собственное начальное состояние, они предпочли бы, чтобы начальные условия Большого взрыва каким-то образом выводились из самой теории. Теория струн, однако, не сообщает нам, какое из множества ее решений является верным для нашей Вселенной. А без начальных условий теория струн включает в себя бесконечное число параллельных вселенных (их совокупность называют мультивселенной), и каждая из них не менее достоверна, чем любая другая. Так что мы получаем ошеломляющее богатство выбора, где теория струн предсказывает не только нашу знакомую Вселенную, но, возможно, и бесконечное число других столь же возможных чужих вселенных.

В-третьих, самое поразительное, наверное, предсказание теории струн состоит в том, что Вселенная вовсе не четырехмерна, а существует в 10 измерениях. Никогда и нигде в физике мы не видели столь странного основания — теория пространства-времени, самостоятельно выбирающая для себя размерность. Это настолько странно, что поначалу многие физики восприняли это как чистую фантастику. Когда теория струн только появилась, ее способность существовать только в 10 измерениях вызывала насмешки. Нобелевский лауреат Роберт Фейнман, к примеру, поддразнивал Джона Шварца, одного из основателей теории струн, вопросом: «Ну что, Джон, в скольких измерениях мы сегодня находимся? »

⇐ Предыдущая46474849505152535455Следующая ⇒

Поделиться: