Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Одной из сильнейших причин для веры в то, что наше пространственно-временное описание неадекватно на планковском масштабе длины, является отсутствие даже теоретического метода исследования таких малых расстояний. Мы знаем из квантовой механики, что для исследования таких малых масштабов длины требуется огромная энергия. Но как только вы поместите слишком много энергии в область планковского размера, 10-33 см, вы получите черную дыру. И тогда у вас нет способа узнать, что же происходит внутри. Вся эта информация заключена внутри горизонта событий черной дыры.
Сверх того, даже если бы вы попытались впихнуть больше энергии в эту крошечную область, вам бы это не удалось. Как только вы закачаете так много энергии в область планковского размера, вы не сможете добавить еще, не расширяя эту область. То есть черная дыра будет расти, если вы добавляете энергию. Поэтому вместо того, чтобы получить хороший крошечный зонд для исследования таких расстояний, вы раздуете область до большего размера и никогда не сможете изучать ее, пока она маленькая. Это примерно то же, что изучать мелкие артефакты в музее с помощью тонкого лазерного луча — он их просто сожжет. Даже в мысленном физическом эксперименте вы попросту никогда не видите область, которая меньше планковского масштаба длины. Законы физики, которые мы знаем, нарушатся прежде, чем мы туда попадем. Где-то вблизи планковского масштаба длины привычные понятия пространства-времени почти наверняка неприменимы.
Столь странные факты требуют более глубокого объяснения. Одним из наиболее важных уроков невероятных открытий последнего десятилетия является то, что у пространства и времени есть более фундаментальные описания. Эд Виттен кратко обрисовал проблему емкой фразой «может оказаться, что пространство и время обречены». Многие ведущие специалисты по теории струн согласны с этим: Натан Зайберг утверждает: «Я почти уверен в том, что пространство и время — это иллюзии»; в то же время Дэвид Гросс полагает, что «очень вероятно, пространство и, возможно, даже время из чего-то составлены; пространство и время могут оказаться выводимыми свойствами некоторой теории, выглядящей совершенно иначе»[184]. К сожалению, пока никто не знает, какова может быть природа этого более фундаментального описания пространства-времени. Но бесспорно, что более глубокое понимание фундаментальной природы пространства и времени остается одним из самых масштабных вызовов для физиков в грядущие годы.
Глава 25
Открытое заключение
It’s the end of the world as we know к (and I feel fine).
REM[185]
Икар Раш мор XLII воспользовался машиной времени, чтобы посетить прошлое и предупредить Икара III о катастрофе, которая постигнет его, если он будет продолжать гонять на своем порше. Икар III был настолько поражен своим гостем из будущего, что внял доводам Икара XLII. Он поменял свой порше на фиат, и перешел к более спокойной жизни.
Афина была в восторге от того, что она вновь встретилась со своим братом, а Дитер был счастлив снова увидеть своего друга, хотя оба чувствовали себя неловко, так как казалось, что Икар никуда не отлучался. Афина и Дитер осознавали, что путешествие во времени, о котором рассказал Икар, было чистой фантазией. Даже в снах Кот никогда не замыкал петель во времени, кролик никогда не останавливал лифт на конце дополнительных временных измерений, и квантовый детектив отказывался считать вероятным такое странное поведение времени. Но Афина и Дитер предпочитали счастливые концы, поэтому они отложили недоверие и все-таки приняли фантастическую историю Икара.
Несмотря на впечатляющие достижения в физике за последние несколько лет, мы до сих пор не знаем, как использовать гравитационное взаимодействие или телепортировать объекты сквозь пространство, так что, возможно, еще несколько преждевременно инвестировать в собственность в дополнительных измерениях. И так как мы не знаем, как связать вселенные, в которых вы могли бы совершить переход сквозь время, с той вселенной, в которой мы живем, никто не может создать машину времени, и, вероятнее всего, никто не сможет сделать это в обозримом будущем (или прошлом).
Но даже если подобные идеи остаются в области научной фантастики, мы живем в прекрасном мире, полном загадок. Наша цель состоит в том, чтобы изучить, как его кусочки собираются в цельную картину и как они эволюционировали в теперешнее состояние. Что это за связи, которые мы еще не поняли? В чем состоят ответы на вопросы, подобные тем, что я задавала в конце последней главы?
Даже если нам еще предстоит понять окончательную структуру материи на глубочайшем уровне, я надеюсь, что убедила вас, что мы уже понимаем многие стороны ее фундаментальной природы на тех пространственных масштабах, которые мы экспериментально изучили. И даже если мы не знаем самые основные элементы пространства-времени, мы понимаем его свойства на расстояниях вдали от планковского масштаба длины. В таких режимах мы можем применять физические принципы, которые нам известны, и вывести ряд следствий, которые я описала. Мы столкнулись с большим количеством неожиданных свойств дополнительных измерений и бран, и эти свойства могут играть решающую роль при анализе многих загадок нашей вселенной. Сейчас мы знаем, что многомерные структуры могут проявляться в любом количестве форм и размеров. Они могут иметь закрученные дополнительные измерения или большие дополнительные измерения; они могут содержать одну брану или две; они могут содержать частицы в балке и другие частицы, прикрепленные к бранам. Космос может быть больше, богаче и разнообразнее, чем все, что мы можем представить.
Какая же из этих идей описывает реальный мир? Мы должны подождать, чтобы ответ дал реальный мир. Фантастично то, что это, вероятно, произойдет. Одно из самых волнующих свойств некоторых многомерных моделей, описанных в книге, это то, что у них есть экспериментальные следствия. Важность этого факта нельзя переоценить. Многомерные модели, с новыми свойствами, про которые мы думали, что они либо невозможны, либо скрыты, могут иметь следствия, которые можно наблюдать. И из этих следствий мы имеем возможность вывести существование дополнительных измерений. Если нам это удастся, наше представление о вселенной безвозвратно изменится.
Проверки теорий многомерного пространства-времени возможны и в астрофизике и космологии. Физики сейчас разрабатывают детальные теории черных дыр в многомерных мирах, и они нашли, что хотя их свойства по многом аналогичны свойствам черных дыр в четырех измерениях, имеются тонкие различия. Свойства многомерных черных дыр могут оказаться достаточно характерными, так что мы можем распознать отличительные черты.
Космологические наблюдения могли бы в конце концов больше сказать нам о структуре пространства-времени. Современные наблюдения говорят, как выглядела Вселенная миллиарды лет назад. Многие соглашаются с предсказаниями, но остается ряд важных вопросов. Если мы живем в многомерной Вселенной, она должна была раньше очень сильно отличаться от того, что есть сейчас, причем эти отличия могли бы помочь объяснить поразительные свойства, наблюдаемые в эксперименте. Сейчас физики изучают влияние дополнительных измерений на космологию. Нам потребуется узнать о черной материи, спрятанной на других бранах, или космологической энергии, запасенной в спрятанных многомерных объектах.
Но одно бесспорно. В течение следующих пяти лет будет запущен Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе [186], и он начнет исследовать физические области, которые до это были недоступны для наблюдения. Мои коллеги и я с нетерпением ожидаем наступления этого времени. БАК — это большая ставка, для ученых лучше не придумаешь. Эксперименты на БАК почти наверняка откроют частицы, свойства которых дадут нам новое понимание физики за рамками Стандартной модели. И очень возбуждает, что никто не знает, что за частицы будут открыты.
За все время, что я занимаюсь физикой, были открыты только такие новые частицы, существование которых с большой долей вероятности следовало из теоретических соображений. Ни в коей мере не умаляя важность этих открытий — среди них были очень впечатляющие достижения, следует сказать, что обнаружение чего-то фундаментально нового и неизвестного будет значительно более волнующим. Пока БАК не начнет работу, никто не может сказать с уверенностью, где следует концентрировать усилия. Результаты, полученные на БАК, похожи на смену нашего взгляда на мир.
БАК будет иметь достаточно большую энергию, чтобы порождать новые типы частиц, которые обещают снять завесу с многих тайн. Эти частицы могут оказаться суперпартнерами или другими частицами, которые предсказываются четырехмерными моделями. Но они могут оказаться частицами Калуцы— Клейна, которые путешествуют по дополнительным измерениям. Увидим ли мы эти частицы КК и когда это произойдет, полностью зависит от размера и формы космоса, в котором мы живем. Живем ли мы в многомерной вселенной? И будут ли размер и форма этой вселенной способствовать тому, чтобы частицы КК стали видимыми?
