Измеряем одиннадцатое измерение
Наряду с поисками темного вещества и черных дыр одной из самых
интригующих для физиков является загадка дополнительных высших
измерений пространства и времени. Одна из наиболее смелых по-
пыток подтверждения существования близлежащей вселенной была
совершена в Университете Колорадо (город Боулдер)- Ученые этого
университета попытались измерить отклонения от знаменитого за-
кона обратных квадратов Ньютона.
Согласно теории гравитации Ньютона, сила притяжения между
любыми двумя телами уменьшается обратно пропорционально
квадрату расстояния, разделяющего их. Если мы удвоим расстояние
от Земли до Солнца, то сила гравитации снизится в два в квадрате,
то есть в четыре раза. Этот результат, в свою очередь, указывает на
количество измерений пространства.
До сих пор закон гравитации Ньютона остается верным приме-
нительно к космическим расстояниям с большими галактическими
скоплениями. Но еще никто не совершил адекватной проверки зако-
на гравитации Ньютона для чрезвычайно малых расстояний — это
представлялось чрезвычайно трудным. Поскольку гравитация —
взаимодействие чрезвычайно слабое, даже малейшее возмущение
может разрушить весь эксперимент. Даже проезжающие мимо маши-
ны создают достаточно сильные вибрации, чтобы загубить экспери-
менты, в ходе которых измеряется гравитационное взаимодействие
между малыми объектами.
Физики в Колорадо сконструировали чувствительный прибор
под названием «высокочастотный резонатор», который был спосо-
бен проверить закон гравитации на расстояниях до одной десятой
миллиметра. Впервые такие испытания совершались при столь, ма-
лых расстояниях. Эксперимент проводился с использованием двух
тончайших вольфрамовых пластинок, помещенных в вакуум. Одна из
пластинок вибрировала с частотой 1000 циклов в секунду, несколько
напоминая трамплин после прыжка. Затем физики начали поиски
всех вибраций, передаваемых сквозь вакуум второй пластинке.
Чувствительность аппарата была настолько велика, что он мог опре-
делить движение второй пластинки, вызванное одной миллионной
ролей веса песчинки. Если и вправду существовало отклонение от
закона Ньютона, то должно было быть зафиксировано едва уловимое
движение второй пластинки. Однако проведя эксперимент при рас-
стояниях до 108 миллионных долей метра, физики не обнаружили
такого отклонения. «Пока Ньютон еще держит свои позиции», —
сказал Д. Хойл из Университета Тренто в Италии, который проводил
анализ данного эксперимента для журнала «Нэйчер» (Nature).
Итак, полученный результат оказался отрицательным, но он лишь
раздразнил аппетит других физиков, которые хотят проверить закон
Ньютона на предмет отклонения при расстояниях микроскопиче-
ского масштаба.
ПроведениеещеодногоэкспериментапланируетсявУниверситете
Пердью. Там физики хотят измерить крошечные отклонения от зако-
на Ньютона не на миллиметровом уровне, а в масштабах атома. Они
рассчитывают провести такой эксперимент, используя нанотехно-
логию для измерения разницы между никелем-58 и никелем-64. Эти
два изотопа обладают одинаковыми электрическими и химическими
свойствами, но у одного изотопа на 6 нейтронов больше, чем у вто-
рого. В принципе, единственное, в чем различны эти изотопы, — это
их вес.
Ученые планируют создать устройство Казимира, состоящее из
двух наборов пластинок с нейтральным зарядом, сделанных из этих
двух изотопов. Обычно, когда эти пластинки располагают близко
друг к другу, ничего не происходит, поскольку они не имеют заряда.
Но если их расположить чрезвычайно близко друг к другу, то имеет
место эффект Казимира: пластинки слегка притягиваются друг к дру-
гу; этот эффект был измерен в лаборатории. Но поскольку наборы
параллельных пластинок сделаны из двух различных изотопов, они
будут притягиваться друг к Другу с несколько различной силой.
Для того чтобы максимально увеличить эффект Казимира, пла-
стинки должны располагаться очень близко друг к Другу. (Этот
эффект обратно пропорционален четвертой степени расстояния.
Отсюда следует, что сила эффекта стремительно увеличивается при
сближении пластинок.) Физики Университета Пердью воспользуют-
ся нанотехнологией для того, чтобы расстояние между пластинками
было сравнимо с размерами атома. Ученые используют новейшие
микроэлектромеханические торсионные генераторы для измере-
ния крошечных колебаний пластинок. Тогда любое различие между
пластинками из никеля-58 и никеля-64 можно приписать действию
гравитации. Таким образом, ученые надеются измерить отклонения
от законов механики Ньютона на уровне атомарных расстояний.
Если при помощи этого гениального устройства им удастся обна-
ружить отклонения от знаменитого закона обратных квадратов, это
может сигнализировать о присутствии вселенной, существующей в
дополнительных, более высоких измерениях, которая находится на
расстоянии атома от нашей вселенной.
Большой адронный коллайдер
И все же устройством, которое окончательно решит многие из
упомянутых вопросов, является Большой адронный коллайдер,
строительство которого близится к завершению возле Женевы
в Швейцарии в знаменитой ядерной лаборатории ЦЕРН (Евро-
пейской организации по ядерным исследованиям). В отличие от
предыдущих экспериментов по обнаружению незнакомых форм
вещества, в естественном виде существующего в мире, Большой
адронный коллайдер, возможно, будет обладать достаточной энер-
гией, чтобы создать эти формы вещества прямо в лаборатории. При
помощи Большого адронного коллайдера можно будет исследовать
малые расстояния до 10~19 м, что в 10000 раз меньше протона, а
также создавать температуры, невиданные со времен Большого
Взрыва. «Физики уверены, что у природы припасены новые фокусы,
которые могут обнаружиться в ходе этих столкновений, — возмож-
но, это будет экзотическая частица, известная под названием бозон
Хиггса, возможно, доказательство такого чудесного явления, как
суперсимметрия, а возможно, обнаружится что-либо неожиданное
и поставит с ног на голову всю физику», — пишет Крис Ллевеллин
Смит, бывший генеральный директор ЦЕРН, а теперь президент
Университетского колледжа в Лондоне. Уже сейчас оборудованием
ЦЕРН пользуются около 7 тысяч специалистов, что составляет
более половины всех физиков планеты, экспериментирующих с ча-
стицами. И многие из них будут самым непосредственным образом
участвовать в экспериментах, проводимых при помощи Большого
адронного коллайдера.
Большой адронный коллайдер представляет собой мощную кон-
струкцию в виде кольца диаметром 27 километров. Размеры этого
кольца достаточно велики, чтобы окружить многие города мира.
Туннель коллайдера настолько длинен, что он фактически пересе-
кает границу между Францией и Швейцарией. Большой адронный
коллайдер представляет собой настолько дорогостоящее устрой-
ство, что для его строительства потребовались совместные усилия
нескольких европейских стран. После запуска коллайдера в 2007 го-
ду мощные магниты, расположенные вдоль всего кругового туннеля,
заставят пучок протонов циркулировать со все возрастающими
энергиями, до тех пор, пока они не приблизятся к 14 триллионам
электронвольт.
По мере прохождения частиц по кругу в туннель подается энер-
гия, увеличивая скорость протонов. Когда пучок в конце концов по-
падает в цель, происходит колоссальный выброс излучения. Следы,
образовавшиеся в результате этого столкновения, фотографируют
при помощи группы детекторов с целью обнаружения новых экзоти-
ческих субатомных частиц.
Большой адронный коллайдер — это поистине гигантское
устройство. В то время как детекторы LIGO и LISA бьют все рекорды
в плане чувствительности, Большой адронный коллайдер уникален
уже благодаря своей колоссальной мощности. Его мощные магниты,
искривляющие пучок протонов в изящную дугу, генерируют поле в
8, 3 теслы, которое в 160 ООО раз сильнее магнитного поля Земли. Для
создания такого чудовищного по силе поля физики пропускают ток
силой в 12000 ампер по ряду витков, охлажденных до температуры
в -271°С, при которой витки теряют сопротивление и становятся
сверхпроводниками. В целом на Большом адронном коллайдере уста-
новлено 1232 магнита, каждый из которых имеет 15 метров в длину.
Таким образом, магниты расположены вдоль 85 % всей окружности
коллайдера.
В туннеле протоны к моменту удара по цели ускоряются до скоро-
сти, равной 99, 999999 % скорости света. Цели находятся в четырех
местах по всей длине туннеля. Таким образом, каждую секунду про-
исходят миллиарды столкновений. Там же расположены гигантские
детекторы (каждый из которых размером с семиэтажный дом), за-
дачей которых является анализ следов столкновения и обнаружение
неуловимых субатомных частиц.
Как было ранее замечено Смитом, в задачи Большого адронного
коллайдера входит обнаружение неуловимого бозона Хиггса, пред-
ставляющего собой последний элемент Стандартной модели, кото-
рый до сих пор не удавалось обнаружить. Эта задача имеет большое
значение, поскольку эта частица отвечает за спонтанное нарушение
симметрии в теориях частиц и дает начало массам квантового мира.
По предварительным оценкам, масса бозона Хиггса может быть
115-200 миллиардов электронвольт (для сравнения, масса протона
около 1 миллиарда электронвольт). (Теватрон, устройство гораздо
меньших размеров, размещенное в лаборатории Ферми на окраине
Чикаго, станет, возможно, первым ускорителем, при помощи кото-
рого удастся заполучить неуловимый бозон Хиггса, при условии,
что масса этой частицы не слишком велика. В принципе, Теватрон
может произвести до 10 ООО бозонов Хиггса, если все будет идти, как
запланировано. Однако энергия генерирования частиц Большого
адронного коллайдера будет в семь раз больше. При 14 триллионах
электронвольт Большой адронный коллайдер вполне сможет стать
«фабрикой» бозонов Хиггса, миллионы которых будут создаваться
при столкновениях протонов.)
В задачи Большого адронного коллайдера входит также создание
условий, невиданных со времен самого Большого Взрыва. В част-
ности, физики полагают, что изначально Большой Взрыв состоял из
хаотичного скопления чрезвычайно горячих кварков и глюонов, на-
зываемого кварк-глюонной плазмой. Большой адронный коллайдер
сможет произвести такую кварк-глюонную плазму, которая преоб-
ладала во вселенной в первые десять микросекунд ее существования.
В Большом адронном коллайдере можно будет столкнуть ядра свин-
ца при энергии в 1, 1 триллиона электронвольт. В ходе такого мощно-
го столкновения могут «расплавиться» четыре сотни протонов и
нейтронов, которые высвободят кварки в эту горячую плазму. Таким
образом, космология постепенно сможет стать в меньшей степени
наукой, основанной на астрономических наблюдениях, и точные
эксперименты на кварк-глюонной плазме будут ставиться прямо в
лабораториях.
Можно надеяться, что при помощи Большого адронного кол-
лайдера удастся обнаружить черные мини-дыры среди остатков,
образовавшихся в результате столкновения протонов при фантасти-
чески высоких энергиях, как уже было упомянуто в главе 7. Обычно
образование квантовых черных дыр должно происходить при энер-
гии Планка, что в квадриллион раз превышает энергию Большого
адронного коллайдера. Но если в миллиметре от нашей вселенной
существует параллельная вселенная, то энергия, при которой воз-
можно измерение квантовых гравитационных эффектов, снижается,
благодаря чему создание черных мини-дыр оказывается в пределах
возможностей Большого адронного коллайдера.
И наконец, ученые возлагают надежды на то, что при помощи
Большого адронного коллайдера удастся найти подтверждение
суперсимметрии, что стало бы историческим прорывом в физике
частиц. Считается, что эти счастицы являются партнерами обычных
частиц, которые мы можем наблюдать в природе. Хотя струнная Te-
ория и суперсимметрия и предсказывают, что у каждой субатомной
частицы есть «близнец» с отличающимся спином, суперсимметрия
никогда не наблюдалась в природе, — вероятно, потому, что наши
приборы не обладают достаточной мощностью для ее обнаружения.
Подтверждение существования суперчастиц помогло бы дать
ответ на два наболевших вопроса. Во-первых, верна ли струнная
теория? Несмотря на то что обнаружить струны прямым путем чрез-
вычайно сложно, может оказаться возможным обнаружить нижние
октавы или резонансы струнной теории. Если будут открыты счасти-
цы, то это станет большим сдвигом в струнной теории, обеспечивая
ее экспериментальное подтверждение (хотя все же это не будет пря-
мым доказательством ее истинности).
Во-вторых, это предоставило бы наиболее вероятного претен-
дента на роль темного вещества. Если темное вещество состоит из
субатомных частиц, то они должны обладать стабильностью и ней-
тральным зарядом (иначе они были бы видимы), а также между ними
должно быть гравитационное взаимодействие. Все эти три качества
являются характерными для частиц, которые предсказывает струн-
ная теория.
• Когда будет запущен Большой адронный коллайдер, он станет
самым мощным ускорителем частиц. И все же для большинства физи-
ков это не предел мечтаний. В 1980-е годы президент Рональд Рейган
одобрил проект постройки Сверхпроводящего суперколлайдера
(SSC), гигантской конструкции, достигающей 80 км в окружности.
Строительство этого ускорителя частиц планировалось произвести
возле Далласа (штат Техас). По сравнению с Суперколлайдером
Большой адронный коллайдер показался бы просто крошкой. В то
время как Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать
частицы с энергией в 14 триллионов электронвольт, по проекту
Суперколлайдер должен обеспечить столкновения частиц с энерги-
ей в 40 триллионов электронвольт. Первоначально проект получил
одобрение, но в последние дни слушаний Конгресс Соединенных
Штатов внезапно отклонил его. Это стало тяжелым ударом по фи-
зике высоких энергий и задержало развитие этой области на целое
поколение.
Поначалу предметом спора являлись стоимость проекта, состав-
ляющая 11 миллиардов долларов, и научные приоритеты. Мнения
представителей научного сообщества по поводу Сверхпроводящего
суперколлайдера разделились: некоторые физики заявляли, что про-
ект выкачает средства, которые могли бы пойти на их собственные
исследования. Спор разгорелся настолько, что даже «Нью-Йорк
тайме» опубликовала критическую редакционную статью, где гово-
рилось об опасностях «большой науки», которая может задушить
«малую науку». (Эти аргументы беспочвенны, поскольку средства
на строительство Сверхпроводящего суперколлайдера должны были
поступать из других источников, а не из бюджета «малой науки».
Реальным соперником проекта была космическая станция, которая
многими учеными рассматривалась поистине как пустая трата де-
нег.)
Но оглядываясь назад, можно сказать, что суть спора сводилась к
умению говорить с широкой общественностью на доступном языке.
В некотором смысле, мир физики привык к тому, что строительство
чудовищных ускорителей частиц получало одобрение со стороны
Конгресса, поскольку русские строили свои ускорители. В сущности,
русские строили свой ускоритель УНК (Ускорительно-накопитель-
ное кольцо. — Прим. перев.), соревнуясь со Сверхпроводящим супер-
коллайдером. На карту были поставлены честь и престиж нации. Но
Советский Союз развалился(17), строительство было остановлено, и
шостепенно ветер перестал надувать паруса программы постройки
Сверхпроводящего суперколлайдера.
