Жизнь в гиперпространстве

Как известно, любой объект в нашей Вселенной можно описать тремя числами: длина, ширина и высота. Если добавить время, то получится, что четырьмя числами можно описать любое событие во Вселенной. К примеру, если я собираюсь с кем-нибудь встретиться в Нью-Йорке, я могу сказать, что мы встречаемся на углу Сорок второй улицы и Пятой авеню, на десятом этаже, в полдень. Но для математика ограничение числа координат тремя или четырьмя может показаться достаточно произвольным, поскольку ни в трехмерности, ни в четырехмерности ничего особенного нет. Почему самая фундаментальная характеристика физической Вселенной должна описываться такими ничем не примечательными числами?

Так что математики не испытывают проблем с теорией струн. Но физики, чтобы хоть как-то визуализировать высшие измерения, часто пользуются аналогиями. Ребенком я часами наблюдал жизнь Японского чайного сада в Сан-Франциско. Глядя на рыб, плавающих в неглубоком пруду, я задавался вопросом, который может прийти в голову только ребенку: «Каково это — быть рыбой? » «Какой странный мир видят перед собой рыбы», — думал я. Наверное, они считают вселенную двумерной, ведь в этом ограниченном пространстве они могут плыть только вправо или влево, но никогда вверх или вниз. Любую рыбку, которая осмелилась бы заговорить о третьем измерении за пределами прудика, сочли бы безумной. Затем я представил, что в пруду живет рыбка, которая фыркает всякий раз, когда кто-то при ней упоминает гиперпространство, ведь понятно же, что Вселенная — это только то, что можно потрогать и почувствовать, ничего больше. Потом я представил, что ловлю эту рыбку и вынимаю ее из воды. Что увидит она в «верхнем» мире? Существ, которые передвигаются без помощи плавников, — это новый закон физики. Существ, которые дышат без воды, — это новый закон биологии. Затем я представил, что выпускаю эту ученую рыбку в ее пруд, где ей придется рассказывать остальным рыбкам про невероятных существ, живущих «верхнем» мире.

Можно провести аналогию между рыбками в пруду и нами. Может быть, рыбки — это и есть мы. Если теория струн будет доказана, это будет означать, что за пределами знакомого нам четырехмерного мира существуют невидимые дополнительные измерения. Но где они прячутся? Один из вариантов ответа состоит в том, что шесть из десяти измерений «свернулись» так, что увидеть их теперь нельзя. Представьте, что вы берете лист бумаги и скручиваете его в плотную трубочку. Лист двумерен, но в результате скручивания получилась одномерная трубочка. С некоторого расстояния вы увидите только ее, но бумажный лист как был, так и остался двумерным.

Теория струн говорит, что первоначально вселенная была десятимерной, но шесть измерений по какой-то причине свернулись, создав иллюзию того, что в нашем мире всего четыре измерения. Хотя этот аспект теории струн кажется фантастичным, уже предпринимаются шаги, направленные на определение высших измерений.

Но как именно высшие измерения помогают теории струн объединить теорию относительности и квантовую механику? Пытаясь объединить гравитационные, ядерные и электромагнитные взаимодействия в единую теорию, вы обнаружите, что в четырех измерениях для этого попросту не хватает «места». Отдельные теории напоминают детали пазла, которые не стыкуются между собой. Но стоит добавить одно измерение, затем еще и еще, и место для сборки теорий более низкого уровня — деталей пазла — в единую картину находится.

Вспомните, к примеру, двумерный мир Флатландии, где человечки могут двигаться только вправо или влево, но никогда «вверх». Представьте, что существовал когда-то красивый трехмерный кристалл, который взорвался, осыпав осколками Флатландию. Постепенно, с годами, флатландцы собрали из обломков кристалла два больших фрагмента. Как они ни стараются, им никак не удается соединить эти два фрагмента так, чтобы кристалл вновь стал целым. Но однажды один флатландец выдвигает скандальное предположение: нужно сдвинуть один из фрагментов «вверх», в невидимое третье измерение, и тогда два фрагмента соединятся между собой и образуют красивый трехмерный кристалл. Ключ к воссозданию кристалла — сдвиг фрагментов через третье измерение. Аналогично два фрагмента — это теория относительности и квантовая теория, кристалл — теория струн, а взрыв, раскидавший обломки, — Большой взрыв.

Хотя теория струн достаточно аккуратно согласуется с экспериментальными данными, нам все же нужно ее проверить. Как уже говорилось, прямая проверка невозможна, но это не страшно: большая часть физики делается косвенными методами. К примеру, мы знаем, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия, хотя никто на Солнце не бывал. Мы знаем состав Солнца, потому что анализируем его косвенными методами, глядя на солнечный свет сквозь призму, которая расщепляет его на целую кучу цветов. Изучая отдельные полоски в составе радуги (спектра), мы можем идентифицировать по ним водород и гелий. (Мало того, первоначально гелий был обнаружен не на Земле. В 1868 г., анализируя солнечный свет во время затмения, ученые обнаружили признаки присутствия в солнечной короне неизвестного элемента. Его окрестили «гелий», что означает «солнечный». Только в 1895 г. гелий удалось отыскать на Земле.)

Темная материя и струны

Теорию струн тоже можно было бы доказать при помощи различных косвенных экспериментов. Поскольку каждое колебание струны соответствует какой-нибудь частице, мы можем искать в ускорителях новые частицы, которые представляют более высокие «октавы» струны. Есть надежда, что при столкновении протонов при напряжении в триллионы вольт среди обломков на мгновение возникнет новая частица, предсказанная теорией струн. Это, кстати, помогло бы нам разобраться в одной из нерешенных проблем астрономии.

В 1960-е гг. астрономы, проверяя вращение нашей Галактики, обнаружили нечто странное. Оказалось, что она вращается так быстро, что по законам Ньютона должна была давно разлететься, однако Галактика стабильна уже около 10 млрд лет. Притом что вращалась она примерно в 10 раз быстрее, чем следовало бы по законам традиционной Ньютоновой механики.

Это породило колоссальную проблему. Получалось, что либо Ньютоновы уравнения неверны (что почти немыслимо), либо галактики окружены невидимым гало из неизвестного вещества, которое увеличивает их массу настолько, чтобы собственное тяготение могло удерживать галактики в целости. Значит, фотографии величественных галактик с красивейшими спиральными рукавами отображают не всё — в частности, на них нет гигантских гало, в 10 раз превосходящих по массе видимую часть соответствующей галактики. А поскольку на фотографиях галактик изображена только чудесная закручивающаяся спиралью масса звезд, то, что удерживает эту массу вместе (что бы это ни было), не должно взаимодействовать со светом — оно должно быть невидимым.

Астрофизики окрестили эту загадочную массу «темной материей». Ее существование вынудило их пересмотреть теории, согласно которым Вселенная состоит в основном из атомов. Сегодня у нас есть карты распределения темной материи по Вселенной. Она невидима, но искривляет звездный свет так, как должно его искривлять нечто массивное. Проанализировав искажение звездного света пространством, окружающим галактики, мы можем рассчитать при помощи компьютеров присутствие темного вещества и составить карту его распределения по Вселенной. И по этой карте видно, что большая часть суммарной массы любой галактики существует именно в этой форме.

Помимо невидимости, темная материя обладает тяготением, но подержать ее в руке невозможно. Это вещество вообще не взаимодействует с атомами (оно электрически нейтрально), оно легко пройдет сквозь вашу руку, сквозь пол и сквозь кору Земли. Оно колебалось бы где-то в недрах планеты между Нью-Йорком и Австралией, как будто Земли между ними вовсе нет, хотя удерживалось бы на месте именно тяготением Земли. Так что невидимая темная материя гравитационно взаимодействует с другими частицами.

По одной из теорий темная материя представляет собой высшие колебания суперструны. Ведущий кандидат на эту роль — суперпартнер фотона, известный как фотино, то есть маленький фотон. Фотино обладает всеми свойствами, которыми должна обладать темная материя: оно невидимо, поскольку не взаимодействует со светом, но при этом стабильно и обладает весом.

Существует несколько способов доказать эту гипотезу. Первый состоит в том, чтобы создать темную материю в Большом адронном коллайдере, столкнув между собой протоны. На краткий миг в ускорителе образуется частица темной материи. Такое событие, если бы его удалось реализовать, вызвало бы сильнейший резонанс в науке. Это означало бы, что впервые в истории найдена новая форма материи, не основанная на атомах. Если БАК окажется для этого недостаточно мощным, то, может быть, мощности МЛК уже хватит.

Есть и еще один способ доказать эту гипотезу. Земля движется в потоке невидимой темной материи. Есть надежда, что частица темной материи может столкнуться с протоном внутри ускорителя частиц, породив при этом ливень субатомных частиц, которые, в принципе, можно сфотографировать. Есть физики, которые терпеливо ждут появления сигнатуры столкновения между материей и темной материей в своих детекторах. Первому физику, обнаружившему такую сигнатуру, обеспечена Нобелевская премия.

Если темная материя будет обнаружена — неважно, в ускорителях частиц или в наземных датчиках, — мы сможем сравнить ее свойства с тем, что предсказывает теория струн. Таким способом мы получим объективные данные и сможем оценить верность теории.

Хотя обнаружение темной материи стало бы огромным шагом к подтверждению теории струн, возможны и другие доказательства. К примеру, если движением крупных объектов, таких как звезды и планеты, управляет закон всемирного тяготения Ньютона, то о силе тяготения, действующей на малых расстояниях, таких как сантиметры или метры, известно очень мало. Поскольку теория струн постулирует дополнительные измерения, значит, знаменитый Ньютонов обратно-квадратичный закон, согласно которому сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, на малых расстояниях должен нарушаться, поскольку закон Ньютона сформулирован для трех измерений. (Если бы пространство было, к примеру, четырехмерно, то сила гравитации должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. На данный момент никакие тесты, связанные с законом всемирного тяготения Ньютона, не дают никаких свидетельств в пользу существования высших измерений, но физики не сдаются.)

Еще одно возможное направление исследований состоит в том, чтобы отправить детекторы гравитационных волн в космос. Обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), базирующейся в штатах Луизиана и Вашингтон, удалось в 2016 г. зарегистрировать гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр, а в 2017 г. — от сталкивающихся нейтронных звезд. Не исключено, что модифицированная версия космического аппарата eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna, Улучшенная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра) сможет принять гравитационные волны от мгновения Большого взрыва. Есть надежда, что при этом можно будет «отмотать пленку назад» и сформулировать какие-то гипотезы относительно эпохи до Большого взрыва. Это позволило бы проверить, пусть и приблизительно, некоторые предсказания теории струн относительно состояния Вселенной до Большого взрыва.

⇐ Предыдущая47484950515253545556Следующая ⇒

Поделиться: