Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

Критики утверждают, что теория струн красива математически, но это, возможно, не имеет никакого отношения к физической реальности.

В подобном замечании есть своя правда, но следует понимать, что отдельные аспекты теории струн, такие как суперсимметрия, нельзя назвать бесполезными для физики. Хотя доказательств существования суперсимметрии до сих пор не найдено, доказано, что она необходима для устранения многих дефектов в рамках квантовой теории. Взаимно компенсируя бозоны и фермионы, суперсимметрия позволяет нам решить давнюю проблему – устранить расходимости, которыми грешит теория квантовой гравитации.

Не каждая красивая теория применима в физике, но все без исключения существующие фундаментальные физические теории обладают какой-нибудь встроенной красотой или симметрией.

Можно ли ее проверить?

Главная претензия к теории струн заключается в том, что она не поддается проверке. Энергия, которой обладают гравитоны, называется планковской энергией, и она в квадриллион раз больше энергии, которую можно получить в Большом адронном коллайдере. Представьте себе попытку построить БАК в квадриллион раз больше нынешнего! Для непосредственной проверки теории нам, вероятно, потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.

Более того, каждое решение струнной теории – это целая вселенная. А решений, судя по всему, существует бесконечное множество. Для непосредственной проверки нашей теории потребовалось бы создавать в лаборатории новые вселенные! Иными словами, только Бог может проверить эту теорию непосредственно, поскольку в основе ее лежат вселенные, а не просто атомы или молекулы.

Так что поначалу кажется, что теория струн не обладает обязательным для любой теории качеством – проверяемостью. Но ее сторонников это не смущает. Как мы установили, наука в большинстве случаев пользуется косвенными методами: она идет путем изучения эха от Солнца, от Большого взрыва и т. п.

Мы, например, ищем эхо десятого и одиннадцатого измерений. Возможно, скрытые доказательства теории струн есть повсюду вокруг нас, но нам следует прислушиваться к ее эху, а не пытаться наблюдать непосредственно.

Один из возможных сигналов из гиперпространства – существование темной материи. До недавнего времени считалось, что наша Вселенная состоит в основном из атомов. Астрономы были поражены, когда обнаружилось, что атомы, такие как водород и гелий, составляют всего 4,9 % массы Вселенной. На самом деле подавляющая часть Вселенной скрыта от нас и существует в виде темной материи и темной энергии. (Напоминаю, что темная материя и темная энергия – это не одно и то же. Во Вселенной 26,8 % массы приходится на темную материю – невидимое вещество, которое окружает галактики и не дает им разлететься на кусочки. А 68,3 % Вселенной составляет темная энергия, которая еще более загадочна, – это энергия пустого пространства, которая расталкивает галактики и заставляет их разбегаться.) Возможно, доказательство теории всего скрыто именно в этой невидимой вселенной.

В поисках темной материи

Темная материя странна и невидима, но именно она удерживает галактику Млечный Путь в целости и не дает составляющим ее звездам разлететься в разные стороны. Поскольку темная материя обладает массой, но не имеет заряда, если бы вы попытались взять ее в руку, она бы прошла сквозь пальцы, будто их не существует, упала бы вниз, прямо сквозь пол, сквозь Землю и вышла бы с другой стороны, где гравитация постепенно заставила бы ее сменить направление движения и вернуться обратно туда, где вы находитесь. Так она и летала бы от вас к другой стороне Земли и обратно, не замечая при этом, собственно, самой Земли.

Какой бы странной ни была темная материя, мы знаем, что она должна существовать. Если проанализировать вращение галактики Млечный Путь и применить законы Ньютона, то выяснится, что в ней недостаточно массы, чтобы противостоять центробежной силе. При тех массах, которые мы наблюдаем, галактики во Вселенной должны быть нестабильными и, по идее, рассыпаться, однако они не распадаются уже миллиарды лет. Так что у нас два варианта: либо уравнения Ньютона неверны в применении к галактикам, либо существует невидимый объект, который позволяет галактикам сохранять целостность. (Вспомним, что планета Нептун была обнаружена именно таким способом: существование новой планеты было постулировано для объяснения отклонений орбиты Урана от теоретических предсказаний.)

В настоящее время в качестве одного из ведущих кандидатов на роль темной материи выступают так называемые слабовзаимодействующие массивные частицы. Вероятным примером такой частицы является фотино – суперсимметричный партнер фотона. Фотино стабилен, обладает массой, невидимо и не имеет заряда, что точно соответствует характеристикам темной материи. Физики считают, что Земля движется в невидимом потоке темной материи, который, вероятно, пронизывает в данный момент ваше тело. При столкновении с протоном фотино способен вызвать распад протона на ливень элементарных частиц, которые можно зарегистрировать. Уже сегодня существуют громадные детекторы размером с бассейн (с огромным количеством жидкостей, содержащих ксенон и аргон), которые однажды, может быть, поймают вспышку, порожденную столкновением с участием фотино. Около двадцати групп занимаются активным поиском темной материи, часто глубоко под землей, в шахтах, подальше от мешающих столкновений с космическими лучами. Не исключено, что столкновение с участием темной материи удастся зарегистрировать нашими инструментами. Как только такое произойдет, физики начнут изучать свойства частиц темной материи, а затем сравнивать их с предсказанными свойствами фотино. Если окажется, что предсказания теории струн соответствуют экспериментальным результатам по темной материи, это станет серьезным аргументом в пользу того, что физики на верном пути.

Другая возможность – это получение фотино на ускорителях частиц следующего поколения, строительство которых сейчас обсуждается.

После БАКа

Японцы рассматривают возможность финансирования Международного линейного коллайдера, в котором пучок электронов будет выстреливаться вдоль прямой трубки и сталкиваться со встречным пучком антиэлектронов. При положительном решении установка должна быть построена за двенадцать лет. Преимущество подобного коллайдера в том, что в нем используются электроны, а не протоны. Протоны состоят из трех кварков, удерживаемых вместе глюонами, поэтому столкновения протонов всегда получаются очень «грязными» и порождают настоящий ливень лишних частиц. Электрон, напротив, представляет собой действительно элементарную частицу, так что столкновение его с антиэлектроном получается намного чище и требует намного меньше энергии. В результате при энергии всего лишь в 250 млрд эВ такие столкновения должны порождать бозоны Хиггса.

Китайцы выразили интерес к строительству Кругового электрон-позитронного коллайдера. Работы по его созданию должны начаться ориентировочно в 2022 г. и завершиться около 2030 г.; обойдется такой коллайдер в $5–6 млрд. В этом устройстве окружностью 100 км можно будет достичь энергии в 240 млрд эВ.

Физики в ЦЕРНе, стремясь не отстать от коллег, планируют создание преемника БАКа под названием Круговой коллайдер будущего. Со временем на нем предполагается получить энергию 100 трлн эВ. Его окружность составит тоже около 100 км.