Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение - Митио Каку

ССК потерян для нас, и все-таки что мы могли бы обнаружить с его помощью? Как минимум ученые надеялись найти редкие частицы, такие как таинственный бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью[15]. Именно бозон Хиггса нарушает симметрию, следовательно, является источником массы кварков. Таким образом, мы рассчитывали, что ССК обнаружит «источник массы». Все окружающие нас предметы, которые хоть сколько-нибудь весят, обязаны своей массой бозону Хиггса.

Вместе с тем физики готовы держать пари, что с той же вероятностью ССК мог бы обнаружить редкие частицы, не относящиеся к Стандартной модели. (В качестве возможных вариантов называли «техницветные» частицы, не входящие в Стандартную модель, но очень близкие к ней, и «аксионы», способные объяснить проблему темной материи.) Но, вероятно, наиболее заманчивой была возможность обнаружения суперпартнеров – суперсимметричных партнеров обычных частиц. К примеру, гравитино – суперсимметричный партнер гравитона. Суперсимметричные партнеры кварка и лептона – скварк и слептон соответственно.

Если бы суперпартнеры в конце концов были обнаружены, у нас появился бы слабый шанс увидеть остатки самой суперструны. (Суперсимметрия, как симметрия в теории поля, впервые была открыта в рамках теории суперструн в 1971 г., еще до открытия супергравитации. Теория суперструн – по всей вероятности, единственная, в которой суперсимметрию и гравитацию можно объединить полностью самосогласованным образом.) И даже если потенциальное открытие частиц-суперпартнеров не докажет правильность теории суперструн, то по крайней мере оно заставит замолчать скептиков, утверждающих, что теория суперструн не подтверждена ровным счетом никакими физическими свидетельствами.

Сигналы из космоса

Так как ССК не был построен и не помог обнаружить частицы, представляющие собой низкоэнергетические резонансные колебания суперструны, остается еще одна возможность – измерить энергию космического излучения, т. е. высокоэнергетических субатомных частиц до сих пор неизвестного происхождения, скрывающихся в глубинах космоса за пределами нашей галактики. К примеру, хотя никто не знает, откуда берется космическое излучение, оно обладает энергией, значительно превосходящей ту, которую можно обнаружить в наших лабораториях.

В отличие от управляемого излучения, получаемого в ускорителях частиц, космическое излучение обладает непредсказуемой энергией и не может выдавать ее в определенных количествах по требованию. В каком-то смысле два вида излучения сравнимы с двумя способами тушения пожара – либо достав шланг, либо дожидаясь грозы. Вода из шланга гораздо удобнее: ее можно пустить и перекрыть в любой момент, когда нам захочется, можно регулировать силу струи, вдобавок вода движется с одинаковой скоростью. Следовательно, вода из пожарного гидранта – аналог управляемых пучков в ускорителях частиц. Гроза гораздо мощнее и эффективнее воды из пожарного гидранта. Беда в том, что грозы, как и космическое излучение, непредсказуемы. Регулировать потоки дождевой воды невозможно, как и предсказать их скорость, которая может меняться в широких пределах.

Космическое излучение было открыто 80 лет назад в ходе экспериментов, которые священник-иезуит Теодор Вульф проводил на Эйфелевой башне в Париже. Первые три-четыре десятилетия XX в. отважные физики совершали полеты на воздушных шарах или поднимались в горы, чтобы как можно точнее измерить космическое излучение. Но в 1930-х гг. исследования космического излучения мало-помалу прекратились, особенно после того, как Эрнест Лоуренс изобрел циклотрон и получил в лаборатории управляемые лучи – более мощные, чем большинство космических. К примеру, космическое излучение с энергией 100 млн эВ встречается так же часто, как дождевые капли; несколько таких лучей каждую секунду пронизывает каждый квадратный дюйм (2,5 см) земной атмосферы. Однако изобретенные Лоуренсом гигантские установки давали в 10–100 раз больше энергии.

К счастью, эксперименты с космическим излучением разительно изменились с тех пор, как отец Вульф впервые разместил электроскопы на Эйфелевой башне. В настоящее время ракеты и даже спутники доставляют индикаторы излучения на огромную высоту над поверхностью Земли, где влияние атмосферы минимально. Когда высокоэнергетическое космическое излучение пронизывает атмосферу, оно оставляет за собой след из расщепленных атомов. Их фрагменты, в свою очередь, создают град разрушенных атомов или ионов, которые можно выявить с помощью детекторов. Сотрудничество между Чикагским и Мичиганским университетами способствовало самому масштабному на тот момент проекту исследования космического излучения: на одной квадратной миле пустыни было размещено 1089 детекторов, которые должны были сработать под воздействием космического излучения. Для них выбрали идеальное безлюдное место: испытательный полигон Дагуэй в 80 милях (128 км) к юго-западу от Солт-Лейк-Сити, Юта.

Детекторы в Юте достаточно чувствительны, чтобы определить место происхождения самого мощного космического излучения. На данный момент наиболее мощными космическими излучателями признаны Лебедь Х-3 и Геркулес Х-1. По всей вероятности, это большие, вращающиеся нейтронные звезды или даже черные дыры, которые медленно поглощают соседние звезды, создают огромные энергетические воронки и в гигантских количествах выбрасывают в космос излучение (к примеру, протонное).

До настоящего времени наиболее мощное из когда-либо выявленных космических излучений обладало энергией 1020 эВ. Невероятная величина, она в 10 млн раз превосходит энергию, которую мог бы давать ССК. В ближайшем столетии мы не сможем получать с помощью установок энергию, хоть сколько-нибудь сопоставимую с космической. Несмотря на то что и эта колоссальная энергия примерно в 100 млн раз меньше необходимой для изучения десятого измерения, мы надеемся, что энергия, вырабатываемая глубоко в черных дырах нашей галактики, приблизится к планковской. С помощью большого орибитального космического аппарата мы могли бы глубже изучить строение этих источников и обнаружить энергии, даже превосходящие эти.

Согласно одной популярной теории, крупнейший источник энергии в нашей галактике Млечный Путь, не идущий ни в какое сравнение с излучением Лебедя Х-3 или Геркулеса Х-1, находится в центре, который может состоять из миллионов черных дыр. Так что после прекращения конгрессом строительства ССК может оказаться, что самое эффективное средство для изучения десятого измерения может находиться в космосе.

Проверка непроверяемого

Обратившись к истории, мы увидим, что физики не раз торжественно провозглашали те или иные явления «непроверяемыми» или «недоказуемыми». Однако среди ученых всречается и другая позиция в отношении недоступности планковской энергии: благодаря непредвиденным открытиям в будущем возможны косвенные эксперименты с применением энергии, близкой к планковской.

В XIX в. некоторые ученые считали, что подтвердить состав звезд экспериментальным путем не удастся никогда. В 1825 г. французский философ и социолог Огюст Конт в своем «Курсе философии» (Cours de philosophie) заявлял, что звезды навсегда останутся для нас недосягаемыми светящимися точками в небе, так как расстояния, отделяющие нас от них, громадны. Технике XIX в. или любого другого, как утверждал Конт, просто не хватит мощности, чтобы оторваться от Земли и достичь звезд.

Несмотря на то что определение состава звезд было объявлено невыполнимой задачей для любой науки, как ни парадоксально, почти в то же время немецкий физик Йозеф Фраунгофер решил ее. С помощью призмы и спектроскопа он сумел расщепить белый свет далеких звезд и определить их химический состав. Поскольку каждый химический элемент звезд оставляет характерный «отпечаток пальца», а именно дает определенный световой спектр, Фраунгофер без труда осуществил «невыполнимое» и определил, что в составе звезд преобладает водород.

В свою очередь, это вдохновило поэта Иэна Буша на следующие строки:

Ты мигай, звезда ночная!Где ты, что ты – я-то знаю,Спектроскоп мне не соврет:Ты – горящий водород{82}.

Таким образом, хотя запасы энергии, необходимые для полетов к звездам в ракете, по-прежнему остались недосягаемыми для Конта (как и для любого современного ученого), решающий шаг в исследованиях не потребовал затрат энергии. Ключевую роль сыграло следующее наблюдение: сигналов, исходящих от звезд, а именно их излучения, достаточно, чтобы решить задачу и без непосредственных измерений. Точно так же можно надеяться, что сигналов планковской энергии (возможно, от космического излучения или пока еще неизвестного источника) окажется достаточно для исследования десятого измерения, следовательно, прямые измерения в огромных ускорителях частиц не понадобятся.