Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Да, на самом деле имеются два таких L-образных прибора. Один в Ливингстоне, Луизиана, а другой примерно на расстоянии 2 000 миль в Хэнфорде, Вашингтон. Если гравитационная волна от некоторого удаленного астрофизического катаклизма докатится до Земли, она повлияет идентично на каждый детектор, так что любая волна, захваченная одним экспериментом, также хорошо проявится и в другом. Это важная проверка состоятельности, поскольку при всех предосторожностях, которые были предприняты, чтобы защитить детекторы, возмущения повседневной жизни (громыхание проходящего грузовика, скрежет пилы, толчок от падающего дерева и так далее) могут быть приняты за гравитационные волны. Требование соответствия между удаленными детекторами обеспечивает исключение таких ложных проявлений.
Исследователи также аккуратно рассчитали частоты гравитационных волн – число пиков и впадин, которые должны проходить через их детектор каждую секунду, – которые, как они ожидают, производятся широким спектром астрофизических явлений, включая взрывы сверхновых, вращательное движение несферических нейтронных звезд, столкновения между черными дырами. Без этой информации экспериментаторы искали бы иголку в стоге сена; с ней они могут сфокусировать детекторы на четко определенные области частот, представляющих физический интерес. Любопытно, что расчеты показывают, что некоторые частоты гравитационных волн должны быть в диапазоне нескольких тысяч
5. Однако см. комментарий 4 выше.
Что делает все это столь возбуждающим, так это то, что гравитационные волны максимизируют выгоды от двух главных свойств гравитации: ее слабости и ее вездесущности. Среди всех четырех сил гравитация взаимодействует с материей наиболее слабо. Это приводит к тому, что гравитационные волны могут проходить через материал, который непроницаем для света, давая доступ к астрофизическим областям, ранее скрытым. Более того, поскольку все подвержено действию гравитации (в то время как, например, электромагнитные силы влияют только на объекты, несущие электрический заряд), все имеет способность генерировать гравитационные волны, а потому производить наблюдаемые характерные черты. Поэтому LIGO отмечает существенный поворотный пункт на нашем пути исследования космоса. Было время, когда все, что мы могли сделать, это поднять наши глаза и пристально вглядеться в небо. В семнадцатом столетии Ганс Липпершей и Галилео Галилей изменили это; с помощью телескопа великий вид космоса вошел в человеческий кругозор. Но со временем мы осознали, что видимый свет представляет узкую область электромагнитных волн. В двадцатом столетии с помощью телескопов на инфракрасном, радио, ренгеновском и гамма-излучении космос открылся нам заново, обнаружив чудеса, не видимые на длинах волн света, который воспринимают наши глаза. Теперь, в двадцать первом веке мы открываем небеса еще раз. С LIGO и следующими за ним усовершенствованиями* мы будем видеть космос совершенно новым способом. Вместо того, чтобы использовать электромагнитные волны, мы будем использовать гравитационные волны; вместо того, чтобы использовать электромагнитные силы, мы будем использовать гравитационные силы.
(*) "Одним из таких приборов является Пространственная Антенна на Лазерном Интерферометре (Laser Interferometer Spase Antenna – LISA), расположенная в пространстве версия LIGO, включающая в себя многочисленные космические корабли, разделенные миллионами километров, играющие роль четырехкилометровых труб LIGO. LIGO также будет работать сообща с VIRGO, французско-итальянским детектором гравитационных волн, расположенным за пределами города Пиза."
Чтобы оценить, насколько эта новая технология может быть революционной, представим мир, в котором неземные ученые только сейчас открыли, как обнаруживать электромагнитные волны – свет – и размышляют о том, насколько их взгляд на вселенную тотчас же основательно изменится. Мы находимся на грани нашего первого обнаружения гравитационных волн, так что вполне можем быть в сходной позиции. Тысячелетиями мы всматривались в космос; теперь, как будто впервые в человеческой истории, мы будем слушать его.
Охота за дополнительными размерностями
До 1996 большинство теоретических моделей, которые включали в себя дополнительные размерности, представляли, что их пространственная протяженность грубо соответствует планковской (10–33 сантиметра). Так как это на семнадцать порядков величины меньше, чем любое разрешение, которое можно получить, используя применяющееся в настоящее время оборудование, без открытия сверхъестественной новой технологии планковская физика будет оставаться вне экспериментальной досягаемости.
Но если дополнительные внешние размерности являются "большими", что означает больше, чем сотая миллиардной миллиардной (10–20) метра, примерно миллионная часть размера атомных ядер, тогда есть надежда.
Как мы обсуждали в Главе 13, если любое из дополнительных измерений "очень большое" – в пределах нескольких порядков от величины миллиметра – точность измерений силы гравитации должна обнаружить их существование. Такие эксперименты несколько лет идут на полном ходу и техника быстро усовершенствуется. До сих пор не было найдено отклонений от закона обратного квадрата, характеризующего три пространственных измерения, так что исследователи активно продолжили работу в направлении меньших расстояний. Положительный сигнал был бы, чтобы не сказать больше, потрясением оснований физики. Он обеспечил бы убедительное доказательство дополнительных размерностей, доступных только для гравитации, что дало бы сильную обстоятельную поддержку сценарию мира на бране в теории струн/М-теории.
Если дополнительные измерения большие, но не очень большие, маловероятно, что точность гравитационных экпериментов обнаружит их, но другие непрямые подходы остаются применимыми. Например, мы отмечали ранее, что большие дополнительные измерения будут подразумевать, что внутренняя сила гравитации больше, чем ранее думалось. Наблюдаемая слабость гравитации может быть атрибутом ее утечки в дополнительные измерения, а не ее фундаментальной слабости; на масштабах коротких расстояний, прежде чем такая утечка возникает, гравитация может быть сильной. Среди других проявлений это означает, что создание мельчайших черных дыр будет требовать намного меньшей массы и энергии, чем это нужно во вселенной, в которой гравитация в действительности намного слабее. В Главе 13 мы обсуждали возможность, что такие микроскопические черные дыры могут производится при высокоэнергетических протон-протонных столкновениях на Большом Адронном Коллайдере (LHC), ускорителе частиц, в настоящее время конструируемом в Женеве, Швейцария, и планируемом к готовности в 2007. Это захватывающая перспектива. Но имеется другая соблазнительная возможность, которая была озвучена Альфредом Шапере из Университета Кентукки и Джонатаном Фенгом из Университета Калифорнии в Ирвине. Эти исследователи заметили, что космические лучи – элементарные частицы, которые текут через пространство и постоянно бомбардируют нашу атмосферу, – могут также инициировать производство микроскопических черных дыр.
Частицы космических лучей были открыты в 1912 австрийским ученым Виктором Гессом; более чем девятью десятилетиями позже они все еще представляют много загадок. Каждую секунду космическое излучение вторгается в атмосферу и инициирует каскад миллиардов
частиц, дождем падающих вниз, которые проходят сквозь ваше и мое тело; некоторые из них обнаруживаются различными специальными инструментами по всему миру. Но никто полностью не уверен, какие виды частиц составляют запечатленные космические лучи (хотя имеется растущий консенсус, что это протоны), и, несмотря на факт, что некоторые из этих высокоэнергетических частиц наверняка приходят от взрывов сверхновых, никто не имеет идеи, откуда происходит самое высокоэнергетическое космическое излучение. Например, 15 октября 1991 детектор космических лучей Летающий глаз (Fly's Eye) в пустыне Юта измерил след частицы через небо с энергией, эквивалентной 30 миллиардам масс протона. Это почти такая же большая энергия в отдельной субатомной частице, как в ударе по мячу бейсболиста Мариано Риверы, и примерно в 100 миллионов раз превышает энергии частиц, которые будут производиться в LHC. [6] Загадочная вещь, что не известно астрофизического процесса, который мог бы произвести частицы с такой высокой энергией; экспериментаторы собирают больше данных с помощью более чувствительных детекторов в надежде решить загадку.6. С точки зрения энергетики, следовательно, космические лучи обеспечивают естественно возникший ускоритель, который намного более мощный, чем любой из тех, что мы имеем или будем создавать в обозримом будущем. Препятствие в том, что, хотя частицы космических лучей могут иметь экстремально высокие энергии, мы не можем контролировать, что во что влепилось, – когда это происходит от столкновений космических лучей, мы являемся пассивными наблюдателями. Более того, число частиц космических лучей с данной энергией быстро падает, когда уровень энергии повышается. Хотя около 10 миллиардов частиц космических лучей с энергией, эквивалентной массе протона (примерно одна тысячная от планируемой мощности Большого Адронного Коллайдера), падает на каждый квадратный километр поверхности Земли каждую секунду (и несколько полностью проходят через ее тело также каждую секунду), только одна из самых энергичных частиц (около 100 миллиардов масс протона) упадет на данный квадратный километр земной поверхности каждое столетие. Наконец, ускоритель может сталкивать частицы вместе, двигая их быстро в противоположных направлениях, тем самым повышая энергию центра масс. В отличие от этого, частицы космических лучей сталкиваются с относительно медленно двигающимися частицами в атмосфере. Тем не менее, эти препятствия не непреодолимы. В течение многих десятилетий экспериментаторы действительно много узнали из изучения данных по более обильным низкоэнергетическим космическим лучам, и, чтобы работать с малочисленными высокоэнергетическими столкновениями, экспериментаторы построили гигантский массив детекторов, чтобы захватить так много частиц, как это возможно.
Шапере и Фенга происхождение сверхэнергичных частиц космических лучей заботило во вторую очередь. Они осознали, что безотносительно к тому, откуда взялись такие частицы, если гравитация на микроскопическом масштабе намного сильнее, чем некогда считалось, самые высокоэнергетические частицы космических лучей могут иметь вполне достаточно энергии, чтобы создать мельчайшие черные дыры, когда эти частицы яростно вторгаются в верхнюю атмосферу.
Как и с их производством в атомных ускорителях, такие мельчайшие черные дыры не будут представлять абсолютно никакой опасности для экспериментаторов или мира в целом. После их создания они быстро распадутся, послав вовне каскад других, более обыкновенных частиц. Фактически, микроскопические черные дыры будут настолько короткоживущими, что экспериментаторы не смогут найти их непосредственно; напротив, они будут искать доказательство черных дыр через детальные исследования результирующих частиц, дождем падающих на их детекторы. Самый чувствительный из детекторов космических лучей мира, обсерватория Пьера Аугера, – вместе с наблюдающей областью размером порядка Род Айленда, – строится в настоящее время в обширной вытянутой местности в западной Аргентине. Шапере и Фенг оценивают, что если все внешние размерности имеют величину порядка 10–14 метра, тогда после года сбора данных детектор Аугера увидит характеристические обломки частиц от примерно дюжины мельчайших черных дыр, произведенных в верхней атмосфере. Если такие отметки черных дыр не будут найдены, эксперимент даст заключение, что внешние размерности еще меньше. Поиск остатков черных дыр, произведенных столкновениями космических лучей, определенно является рискованной ставкой, но успех открыл бы первое экспериментальное окно к дополнительным размерностям, черным дырам, теории струн и квантовой гравитации.
Вне производства черных дыр имеется другой, основанный на ускорителях путь, на котором исследователи могут искать внешние размерности в течение следующих десяти лет. Идея заключается в усложненном варианте трактовки "пространства-между-диванными-подушками" для потерянной монеты, выпавшей из вашего кармана.
Центральный принцип физики есть сохранение энергии. Энергия может проявлять себя в различных формах – кинетическая энергия движения мяча, когда он улетает от бейсбольной биты, гравитационная потенциальная энергия, когда мяч взлетел вверх, энергия звука и тепла, когда мяч падает на грунт и возбуждает все виды колебательного движения, энергия массы, которая замкнута внутри самого мяча, и так далее, – но когда все носители энергии оценены, количество, с которым вы закончите всегда равно количеству, с которым вы начали. [7] На сегодняшний день нет эксперимента, нарушающего этот закон совершенного энергетического баланса.
7. Подготовленный читатель обнаружит, что сохранение энергии в теории с динамическим пространством-временем это тонкая проблема. Определенно, тензор напряжений от всех источников для уравнений Эйнштейна ковариантно сохраняется. Но это не обязательно переносится на глобальный закон сохранения для энергии. И по хорошей причине. Тензор напряжений не учитывает гравитационной энергии – общеизвестно трудного понятия в ОТО. На достаточно коротких дистанциях и временных масштабах – таких, которые возникают в экспериментах на ускорителях, – локальное сохранение энергии применимо, но утверждения относительно глобального сохранения должны делаться с большей осторожностью.
Но в зависимости от точного размера гипотетических внешних измерений эксперименты с высокими энергиями, которые будут проводиться с вновь усовершенствованным оборудованием в Фермилабе и на Большом Адронном Коллайдере (LHC) могут обнаружить процессы, которые покажут нарушение сохранения энергии: энергия в конце столкновения может быть меньше, чем энергия в начале. Причина в том, что, почти похоже на потерянные монетки, энергия (уносимая гравитонами) может просачиваться в трещину – мельчайшее дополнительное пространство, – обеспеченную дополнительными измерениями и потому нечаянно упущенную при вычислениях оцениваемой энергии. Возможность такого "сигнала потери энергии" обеспечивает еще один способ для установления, что ткань космоса намного сложнее, чем мы можем видеть непосредственно.