БАК (большой адронный коллайдер) – реальность, перспективы, надежды

Идея, что все частицы на самом деле представляют собой струны, обладает хорошим потенциалом стать объединяющей, поскольку струна может принимать множество различных конфигураций и представляет собой значительно более усложненный объект, нежели точка. Может статься, что все наблюдаемые нами частицы -- суть просто различные гармоники, различные моды колебаний одной и той же струны. Именно такой подход постулируется теорией струн. Струна может вибрировать бесконечным числом образов, и каждая из мод ее вибрации представляется нам на большом удалении точечной частицей. Во-первых, теория струн демонстрирует непротиворечивость квантовой механики и общей теории относительности. Многие успели обеспокоиться по поводу их возможной несовместимости после многолетних безуспешных попыток квантовать уравнения Эйнштейна. Теория струн успешно создает естественную теорию гравитации, которая при больших расстояниях асимптотически сводится к теории Эйнштейна. Следовательно, она дает нам инструменты для исследования многих весьма странных явлений, происходящих при крайне сильной гравитации в глубоко продавленном пространственно-временном континууме, как, например, в окрестностях знаменитых черных дыр. Новые идеи теории струн позволили буквально спасти квантовую механику. Например, согласно Бекенштейну и Хокингу, черная дыра обладает энтропией. Очень странно для решения системы уравнений классической общей теории относительности обладать энтропией. Ведь энтропия -- это обычно мера числа микросостояний макроскопической системы с фиксированными квантовыми числами. Оказывается, в рамках теории струн можно построить множество примеров контролируемых моделей черных дыр. В этих случаях мы можем деформировать теорию путем изменения параметров до случая, когда черные дыры можно будет описать как протяженные объекты, которые в теории струн принято называть D-бранами, и рассчитать число их возможных конфигураций с заданными характеристиками -- массой, энергией, моментом импульса и зарядом. Теория струн позволяет разрешить и парадокс потери информации. Мы надеемся, что теория струн поможет разрешить и другие парадоксы квантовой гравитации, такие как парадокс космологической сингулярности, которую мы наблюдаем, экстраполируя историю Вселенной вспять до точки Большого взрыва. Возможно, нам удастся сформулировать принцип, предопределяющий историю Вселенной и объясняющий Большой взрыв. Может быть, теория струн позволит как-то сгладить сингулярность точки Большого взрыва и зафиксировать начальные условия в ней или, как предвидят некоторые, рассуждая о возможных сценариях развития теории струн, показать, что Вселенная вечно пульсирует. На самом деле, по моему мнению, в самом начале Вселенной времени не существовало, то есть, фактически, время -- понятие привходящее. Пока что теория струн не преуспела в решении проблемы космологических сингулярностей, хотя проблемы многих статических сингулярностей в классической общей теории относительности с ее помощью решены. Наконец, достижение теории струн и в том, что она закладывает основу для построения единой теории природы. Квантуя струны, мы открыли, что они естественным образом порождают частицы и силы Стандартной модели, если строить решения сообразно нашим представлениям о четырехмерном мире. Выходит, однако, что струнные теории не могут не включать дополнительных пространственных измерений. Мы их не наблюдаем, значит, их нужно сделать компактными, свернуть и, тем самым, скрыть, сделать ненаблюдаемыми. Также нужно понять механизм замыкания на себя или компактификации ненаблюдаемых измерений. Наконец, нужно объяснить энергию вакуума, космологическую константу. Очень трудно понять, почему космологическая постоянная, обусловливающая ускоренное расширение Вселенной (а его мы, кажется, измерили) настолько мала, а мала она невероятно. Решение теории струн должно принести, среди прочего, ответ на этот сложный вопрос: почему так мала космологическая константа? В теории струн, в отличие от традиционной квантовой теории поля, космологическую константу можно рассчитать теоретически. В квантовой теории поля космологическая константа представляет собой подгоночный параметр -- ее значение можно принять сколь угодно малым и даже нулевым. Но в теории струн выбора у нас нет, и обычно она получается чудовищно большой -- в10¹²⁰ раз больше, чем нужно. Недавно обнаружили, что так называемых «вакуумов» теории струн с космологической константой, имеется великое множество. Утверждают, что существует невероятное число, ~10¹⁰⁰⁰, таких метастабильных вакуумов с положительными космологическими константами; совокупность всех возможных миров называют «ландшафтом». Утверждают реальное отсутствие принципа выбора какого-либо одного из этого многообразия вакуумов, которые все нестабильны и потенциально подвержены квантово-механическому распаду. Вместо этого утверждают, что при развитии Вселенной непосредственно после Большого взрыва различные области проходят этап инфляционного расширения независимо друг от друга, и в различных областях Вселенной вакуум формируется по-разному, причем выбор вакуума происходит случайным образом. Единственный принцип, по которому наша Вселенная выделяется среди других, -- «антропный принцип». Мы живем во Вселенной, которая способна поддерживать жизнь. Но состояния, о которых рассуждают сторонники гипотезы ландшафта, метастабильны. Все до единого зависят от времени, и мы не способны понять ни их будущего, ни динамики их распада, ни, если на то пошло, их прошлого, которое, заметим, сингулярно. Возможно, имеется лишь единственная и неповторимая уникальная космологическая теория, объясняющая происхождение нашего мира. Но возможно, что грядущая революция в теории струн затронет наше понимание природы пространства и времени, может случиться, что критерии определения состояния Вселенной, вакуума, окажутся совсем иными. Теория струн обладает таким потенциалом, поскольку свободных параметров не содержит, однако мы по-прежнему не знаем принципа, определяющего состояние Вселенной.

Теория струн также мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной бране -- гиперповерхности в мире с большим числом измерений. Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения -- через гравитационные флуктуации «экстрапространства». Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на БАК, могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных мод струн в обычных частицах.

Теория струн предлагает и другие феноменологические сценарии. Один из самых интересных заключается в том, что Вселенная заполнена космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Обычно струны крайне малы -- их длина сопоставима с планковской. Для того, чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась колоссальная энергия. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны-- гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

Приведенные гипотезы и модели (в современной физике они часто называются сценарии) дадут возможность читателю составить представление о сложности и красоте современной физики, понять ее единство от масштабов планковской длины и времени до размеров Вселенной и ее возраста. Автор сознательно не давал ссылки на литературу в тексте, а представил ее общим списком. Это сделано с целью предоставить возможность читателю самому определить наиболее интересные и близкие по стилю и сложности книги.

Благодарность. Идея написания данной работы принадлежит кандидату педагогических наук И.В.Галузо, которому автор считает своим приятным долгом выразить свою благодарность за плодотворные дискуссии и критические замечания, способствовавшие улучшению содержания работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическая энциклопедия: в 5 т./ред.кол.: А.М.Прохоров (гл.ред.) [и др.]. - М.: Советская энциклопедия, 1988-1998. - 1 т.

2. The Large Hadrons Collider [Electronic resource] 2008. - Mode of access: http://public.web.cern.ch. - Date of access: 14-28.09.2008.

3. Окунь, Л.Б. б, в, г ….Z (Элементарное введение в физику элементарных частиц. (Библиотечка «Квант», Вып.45) / Л.Б.Окунь. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит. 1985.-112с.

4. Утияма, Рею К чему пришла физика. От теории относительности к теории калибровочных полей./ Рею Утияма - М.: Знание.1986 - 224с.

5. Богуш, А. А. Очерки по истории физики микромира./ А. А. Богуш. - Мн. «Навука i тэхнiка».1990. - 223с.

6. Вайнберг, С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение вселенной./ С. Вайнберг - Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2000, - 272с.

7. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории/ С. Вайнберг - М.: Едиториал УРСС, 2004.-256с.

8. Хоукинг, С. Краткая история времени./ С. Хоукинг - СПб. Амфора. 2001 - 268с.

9. Хоукинг, С. Природа пространства и времени./С. Хоукинг, Р.Пенроуз - Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2000, -160с.

10. Хоукинг, С. Черные дыры и молодые вселенные. / С. Хоукинг - СПб. Амфора. 2001 - 189с.

11. Глэшоу, Ш.Л. Очарование физики./ Ш.Л. Глэшоу - Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2002, -336с.

12. Грин, Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории./ Б.Грин - М.: Едиториал УРСС, 2004.-288с.

Размещено на Allbest.ru