Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса - Митио Каку

Итак, полученный результат оказался отрицательным, но он лишь раздразнил аппетит других физиков, которые хотят проверить закон Ньютона на предмет отклонения при расстояниях микроскопического масштаба.

Проведение еще одного эксперимента планируется в Университете Пердью. Там физики хотят измерить крошечные отклонения от закона Ньютона не на миллиметровом уровне, а в масштабах атома. Они рассчитывают провести такой эксперимент, используя нанотехнологию для измерения разницы между никелем-58 и никелем-64. Эти два изотопа обладают одинаковыми электрическими и химическими свойствами, но у одного изотопа на шесть нейтронов больше, чем у второго. В принципе, единственное, в чем различны эти изотопы, – это их вес.

Ученые планируют создать устройство Казимира, состоящее из двух наборов пластинок с нейтральным зарядом, сделанных из этих двух изотопов. Обычно, когда эти пластинки располагают близко друг к другу, ничего не происходит, поскольку они не имеют заряда. Но если их расположить чрезвычайно близко друг к другу, то имеет место эффект Казимира: пластинки слегка притягиваются друг к другу; этот эффект был измерен в лаборатории. И поскольку наборы параллельных пластинок сделаны из двух различных изотопов, они будут притягиваться друг к другу с несколько различной силой.

Для того чтобы максимально увеличить эффект Казимира, пластинки должны располагаться очень близко друг к другу. (Этот эффект обратно пропорционален четвертой степени расстояния. Отсюда следует, что сила эффекта стремительно увеличивается при сближении пластинок.) Физики Университета Пердью воспользуются нанотехнологией для того, чтобы расстояние между пластинками было сравнимо с размерами атома. Ученые используют новейшие микроэлектромеханические торсионные генераторы для измерения крошечных колебаний пластинок. Тогда любое различие между пластинками из никеля-58 и никеля-64 можно приписать действию гравитации. Таким образом, ученые надеются измерить отклонения от законов механики Ньютона на атомарных расстояниях[50]. Если при помощи этого гениального устройства им удастся обнаружить отклонения от знаменитого закона обратных квадратов, это может сигнализировать о присутствии вселенной, существующей в дополнительных, более высоких измерениях, которая находится на расстоянии атома от нашей Вселенной.

И все же устройством, которое окончательно решит многие из упомянутых вопросов, является Большой адронный коллайдер, строительство которого близится к завершению возле Женевы в Швейцарии в знаменитой ядерной лаборатории ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям)[51]. В отличие от предыдущих экспериментов по обнаружению незнакомых форм материи, в естественном виде существующей в мире, Большой адронный коллайдер, возможно, будет обладать достаточной энергией, чтобы создать эти формы материи прямо в лаборатории. При помощи Большого адронного коллайдера можно будет исследовать малые расстояния до 10–19 м, что в 10 000 раз меньше протона, а также создавать температуры, невиданные со времен Большого взрыва. «Физики уверены, что у природы припасены новые фокусы, которые могут обнаружиться в ходе этих столкновений, – возможно, это будет экзотическая частица, известная под названием бозон Хиггса[52], возможно, доказательство такого чудесного явления, как суперсимметрия, а возможно, обнаружится что-либо неожиданное и поставит с ног на голову всю физику»{188}, – пишет Крис Ллевеллин Смит, бывший генеральный директор ЦЕРН, а теперь президент Университетского колледжа в Лондоне. Уже сейчас оборудованием ЦЕРН пользуются около 7000 специалистов, а это более половины всех физиков планеты, экспериментирующих с частицами. И многие из них будут самым непосредственным образом участвовать в экспериментах, проводимых при помощи Большого адронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер представляет собой мощную конструкцию в виде кольца диаметром 27 км. Размеры этого кольца достаточно велики, чтобы окружить многие города мира. Туннель коллайдера такой длинный, что он фактически пересекает границу между Францией и Швейцарией. Большой адронный коллайдер представляет собой настолько дорогостоящее устройство, что при его строительстве потребовались совместные усилия нескольких европейских стран. После запуска коллайдера в 2007 году мощные магниты, расположенные вдоль всего кругового туннеля, заставят пучок протонов циркулировать со все возрастающей энергией до тех пор, пока она не приблизится к 14 трлн эВ.

По мере прохождения частиц по кругу в туннель подается энергия, увеличивая скорость протонов. Когда пучок в конце концов попадает в цель, происходит колоссальный выброс излучения[53]. Следы, образовавшиеся в результате этого столкновения, фотографируют при помощи группы детекторов с целью обнаружения новых экзотических субатомных частиц.

Большой адронный коллайдер – это поистине гигантское устройство. В то время как детекторы LIGO и LISA бьют все рекорды в плане чувствительности, Большой адронный коллайдер уникален уже благодаря своей колоссальной мощности. Его магниты, искривляющие пучок протонов в изящную дугу, генерируют поле в 8,3 теслы, которое в 160 000 раз сильнее магнитного поля Земли. Для создания такого чудовищного по силе поля физики пропускают ток силой 12 000 А по ряду витков, охлажденных до температуры в –271 °С, при которой витки теряют сопротивление и становятся сверхпроводниками. В целом на Большом адронном коллайдере установлено 1232 магнита, каждый из которых имеет 15 м в длину. Таким образом, магниты расположены вдоль 85 % всей окружности коллайдера.

В туннеле протоны к моменту удара по цели ускоряются до скорости, равной 99,999999 % скорости света. Цели находятся в четырех местах по всей длине туннеля. Таким образом, каждую секунду происходят миллиарды столкновений. Там же расположены гигантские детекторы (каждый из которых размером с семиэтажный дом), задачей которых является анализ следов столкновения и обнаружение неуловимых субатомных частиц.

Как было ранее замечено Смитом, в задачи Большого адронного коллайдера входит обнаружение неуловимого бозона Хиггса, представляющего собой последний элемент Стандартной модели, который до сих пор не удавалось обнаружить. Эта задача имеет большое значение, поскольку эта частица отвечает за спонтанное нарушение симметрии в теориях частиц и дает начало массам квантового мира. По предварительным оценкам, масса бозона Хиггса может быть 115–200 млрд эВ[54] (для сравнения: масса протона около 1 млрд эВ){189}. (Теватрон, устройство гораздо меньших размеров, размещенное в Лаборатории Ферми на окраине Чикаго, станет, возможно, первым ускорителем, при помощи которого удастся заполучить неуловимый бозон Хиггса, при условии что масса этой частицы не слишком велика. В принципе, Теватрон может произвести до 10 000 бозонов Хиггса, если все будет идти, как запланировано. Однако энергия генерирования частиц Большого адронного коллайдера будет в семь раз больше. При 14 трлн эВ Большой адронный коллайдер вполне сможет стать «фабрикой» бозонов Хиггса, миллионы которых будут создаваться при столкновениях протонов.)