Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

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?

Все модели, предлагающие решение проблемы иерархии, имеют наблюдаемые следствия на масштабе энергий слабых взаимодействий. Особенно поразительны характерные следы закрученной геометрии, также дающей решение проблемы иерархии. Если эта теория верна, мы обнаружим частицы КК и измерим их свойства по оставленным ими за собой следам. Напротив, если Вселенную описывают другие многомерные модели, энергия будет исчезать в дополнительных измерениях, и мы в конечном итоге их обнаружим, детектируя нехватку энергии.

Безусловно, мы пока что не знаем всех ответов. Но Вселенная близка к тому, чтобы приоткрыть свои тайны. Астрофизические исследования обратятся к более ранним стадиям космоса, более далеким регионам и с большей детализацией, чем когда-либо ранее. Открытия на БАК расскажут нам о природе материи на расстояниях, меньше тех, на которых когда-либо изучались любые физические процессы. При больших энергиях начнется извержение новых знаний о Вселенной.

Секреты космоса начинают раскрываться. Что касается меня, я жду этого с нетерпением.

Глоссарий

Альфа-частица. Ядро атома гелия (состоит из двух протонов и двух нейтронов).

Анархический принцип. Утверждение, что все взаимодействия, которые не запрещены симметриями, будут происходить.

Аномалия. Нарушение симметрии, возникающее от квантовых вкладов в физическое взаимодействие, но отсутствующее в соответствующей классической теории (в которой квантовые поправки не принимаются во внимание).

Аномальная передача. Передача нарушения суперсимметрии квантовыми эффектами.

Античастица. Частица той же массы, что и другая частица, но противоположно заряженная.

Антропный принцип. Рассуждения, утверждающие, что из всех возможных вселенных мы можем жить лишь в тех, где может сформироваться структура.

Аромат. Метка, различающая разные типы кварков или лептонов (часто используется для различения кварков и лептонов из разных поколений).

Атом. Строительный блок материи, состоящий из электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных ядер.

БАК (Большой адронный коллайдер). Ускоритель частиц высокой энергии, в котором сталкиваются встречные пучки протонов энергией 7 ТэВ, образуя частицы массой до нескольких ТэВ.