Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   44   45   46   47   48   49   50   51   ...   66


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.


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.


Несомненно, когда речь заходит о дополнительных размерностях, я предубежден. Я работал над аспектами дополнительных размерностей более пятнадцати лет, так что они занимают особое место в моем сердце. Но, с этой верой, как описателю, мне тяжело представить открытие, которое было бы более завораживающим, чем находка доказательства измерений за пределами трех, к которым мы все привыкли. По моему мнению, в настоящее время нет другого серьезного предположения, чье подтверждение так основательно потрясет основы физики и так полно установит, что мы должны быть готовы к вопросам, относящимся к кажущимся самоочевидными элементам реальности.


Хиггс, суперсимметрия и теория струн


Помимо научных попыток поиска неизвестного и шансов нахождения доказательства дополнительных размерностей, имеется пара специфических мотивов для недавнего обновления ускорителя в Фермилабе и для строительства мамонта – Большого Адронного Коллайдера. Один заключается в поиске частиц Хиггса. Как мы обсуждали в Главе 9, неуловимые частицы Хиггса должны быть мельчайшими составляющими поля Хиггса – поля, которое по предположениям физиков формирует Хиггсов океан и через это придает массу другим фундаментальным семействам частиц. Сегодняшние теоретические и экспериментальные изыскания предполагают, что Хиггс должен иметь массу в диапазоне от ста до тысячи масс протона. Если нижний предел этого диапазона окажется правильным, то Фермилаб имеет достаточно хорошие шансы открытия частицы Хиггса в ближайшем будущем. И определенно, если Фермилаб потерпит неудачу и если оценка диапазона масс, тем не менее, точна, Большой Адронный Коллайдер должен произвести частицы Хиггса в изобилии к концу десятилетия. Обнаружение частиц Хиггса будет важнейшей вехой, так как оно подтвердит существование семейств полей, которые теоретическая практика физиков и космологов вызвала к жизни десятилетия назад без какого-либо экспериментального доказательства.


Другая главная цель как Фермилаба, так и Большого Адронного Коллайдера заключается в обнаружении доказательства суперсимметрии. Повторим из Главы 12, что суперсимметричные пары частиц, чьи спины отличаются на половинку единицы, являются идеей, которая исходно появилась из исследований теории струн в начале 1970х. Если супперсимметрия имеет место в реальном мире, то для каждого из известных видов частиц со спином-1/2 должны существовать виды-партнеры со спином-0; для каждого из известных видов частиц со спином-1 должны существовать виды-партнеры со спином-1/2. Например, для электрона со спином-1/2 должна существовать частица со спином-0, называемая суперсимметричным электроном или, для краткости, сэлектроном; для кварков со спином-1/2 должны существовать суперсимметричные кварки со спином-0 или скварки; для нейтрино со спином-1/2 должны существовать снейтрино со спином-0; для глюонов, фотонов и W- и Z-частиц со спином-1 должны существовать глюино, фотино и вино и зино со спином-1/2. (Да, физики вошли в раж).


Никто никогда не детектировал любой из этих обозначенных двойников, а объяснение в том (физики надеются, скрестив пальцы), что суперсимметричные частицы тяжелее, чем их известные дубликаты. Теоретические рассмотрения наводят на мысль, что суперсимметричные частицы должны быть в тысячи раз тяжелее протона, и в этом случае их отсутствие в экспериментальных данных не должно быть удивительным: существующие атомные ускорители не имеют адекватной мощи, чтобы произвести их. В пришедшем десятилетии это изменится. Уже заново обновленный ускоритель в Фермилабе имеет шанс открыть некоторые суперсимметричные частицы. И, как и с Хиггсом, если Фермилаб не сможет найти доказательств суперсимметрии и если ожидаемый диапазон масс суперсимметричных частиц достаточно корректен, Большой Адронный Коллайдер должен произвести их с легкостью.


Подтверждение суперсимметрии будет самым важным достижением в физике элементарных частиц более чем за два десятилетия. Оно установит следующий этап в нашем понимании физики частиц за пределами успешной стандартной модели и обеспечит обстоятельное доказательство того, что теория струн следует правильному пути. Но заметим, что это не подтвердит саму теорию струн. Даже если суперсимметрия была открыта в ходе разработки теории струн, физики с тех пор давно осознают, что суперсимметрия более общий принцип, который может быть легко включен в традиционные подходы с точечными частицами. Подтверждение суперсимметрии должно установить необходимый элемент струнной схемы и должно задать следующие исследования, но оно не является "дымящимся пистолетом" теории струн.


С другой стороны, если сценарий мира на бране корректен, грядущие эксперименты на ускорителях имеют потенциал подтверждения теории струн. Как отмечалось коротко в Главе 13, если внешние измерения в сценарии мира на бране окажутся больше 10–16 сантиметра, то не только гравитация должна быть внутренне сильнее, чем мы ранее думали, но струны также должны быть существенно больше. Поскольку более длинные струны менее жесткие, они требуют меньше энергии, чтобы колебаться. В то время как в общепринятой струнной схеме колебательные моды струны должны иметь энергии, которые более чем в миллион миллиардов раз выходят за пределы досягаемости наших экспериментов, в сценарии мира на бране энергии колебательных мод струны могут быть также малы, как тысячи протонных масс. При таком раскладе высокоэнергетические столкновения в Большом Адронном Коллайдере будут близки к хорошо посланному мячу для гольфа, который рикошетирует внутри пианино; столкновения будут иметь достаточно энергии, чтобы возбудить многие "октавы" колебательных мод струны. Эксперименты будут обнаруживать богатство новых, никогда ранее не виданных частиц, – что означает, новых, никогда ранее не виданных колебательных мод струны, – чьи энергии будут соответствовать гармоническим резонансам струнной теории.


Свойства этих частиц и взаимосвязи между ними будут безошибочно показывать, что все они являются частью одной и той же космической партитуры, что все они суть различные, но связанные ноты, что все они являются особыми колебательными модами одного вида объектов – струн. В обозримом будущем это наиболее вероятный сценарий для прямого подтверждения теории струн.


Космические истоки


Как мы говорили в предыдущих главах, космическое микроволновое фоновое излучение играет доминирующую роль в космологических исследованиях с момента его открытия в середине 1960х. Причина ясна: на ранних этапах вселенной пространство было заполнено смесью электрически заряженных частиц – электронов и протонов, – которые с помощью электромагнитного взаимодействия непрерывно испускали и поглощали фотоны сюда и туда. Но всего через 300 000 лет после Взрыва вселенная охладилась достаточно, чтобы электроны и протоны соединились в электрически нейтральные атомы, – и дальше с этого момента радиация путешествует сквозь пространство большей частью беспрепятственно, обеспечив четкую мгновенную фотографию ранней вселенной. Имеется грубо 400 миллионов этих первичных фотонов космического микроволнового излучения, нетронутых реликтов ранней вселенной, рассеянных в каждом кубическом метре пространства.


Начальные измерения микроволновой фоновой радиации определили, что ее температура в высшей степени однородна, но, как мы обсуждали в Главе 11, более пристальная проверка, впервые выполненная в 1992 Зондом Космического Фона (Cosmic Background Explorer – COBE) и с тех пор усовершенствованная большим числом наблюдений, нашла доказательство малых температурных вариаций, как показано на Рис 14.4а. Данные отмечены серым со светлыми и темными пятнами, показывающими температурные вариации примерно в несколько десятитысячных градуса. Неровности рисунка показывают мелкие, но неопровержимо реальные неровности температуры радиации по небу.


Хотя это впечатляющее открытие само по себе, эксперимент COBE также обозначил фундаментальное изменение в характере космологических исследований. До COBE космологические данные были грубыми. Напротив, космологическая теория считалась жизнеспособной, если она могла соответствовать приблизительным особенностям астрономических наблюдений. Теоретики могли предлагать схему за схемой лишь с минимальным анализом соответствия наблюдательным ограничениям. Тогда просто не было достаточного количества наблюдательных ограничений, а те, которые существовали, не были особенно точными. Но COBE инициировал новую эру, в которой стандарты ощутимо ужесточились. Теперь имеется растущий ком точных данных, с которыми теория должна успешно справляться, даже чтобы быть просто рассмотренной. В 2001 был запущен спутниковый Зонд Микроволновой Анизотропии имени Вилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP), совместный венчурный проект НАСА и Принстонского Университета, чтобы измерять микроволновое фоновое излучение с примерно в сорок раз большим разрешением и чувствительностью, чем у COBE.


(а) (b)


Рис 14.4 (а) Данные по космической микроволновой фоновой радиации, собранные спутником COBE. Радиация свободно путешествовала сквозь пространство с момента примерно 300 000 лет после Большого взрыва, так что эта картина представляет мельчайшие температурные вариации, существовавшие во вселенной около 14 миллиардов лет назад. (b) Усовершенствованные данные, собранные спутником WMAP.


Сравнивая начальные результаты WMAP, Рис. 14.4b, с результатами COBE, Рис.14.4а, вы можете немедленно увидеть, насколько более точную и более детальную картину смог обеспечить WMAP. Другой спутник, Планк (Plank), который разрабатывается Европейским Космическим Агентством, планируется к запуску в 2007 и, если все пойдет по плану, будет лучше WMAP по разрешению во много раз.


Наплыв точных данных просеивал поле космологических предположений, среди которых инфляционная модель является, несомненно, ведущим игроком. Но, как мы отмечали в Главе 10, инфляционная космология не однозначная теория. Теоретики предложили много различных вариаций (стоит просто перечислить несколько: старая инфляция, новая инфляция, теплая инфляция, гибридная инфляция, гиперинфляция, вспомогательная инфляция, вечная инфляция, расширенная инфляция, хаотическая инфляция, двойная инфляция, маломасштабная инфляция, гипернатуральная инфляция), каждая из которых содержит признак короткого взрыва и быстрого расширения, но все отличаются в деталях (в числе полей и форме их потенциальной энергии, в том, какие поля усаживаются на энергетическое плато, и так далее). Эти различия выдают слабо отличающиеся предсказания для свойств микроволновой фоновой радиации (разные поля с разными энергиями имеют слабо различающиеся квантовые флуктуации). Сравнение с данными WMAP и Plank должно быть способным отсеять многие предложения, существенно уточнив наше понимание.


Фактически, данные могут сузить поле предположений еще дальше. Хотя квантовые флуктуации, растянутые инфляционным расширением, обеспечивают убедительное объяснение наблюдаемым вариациям температуры, эта модель имеет соперника. Циклическая космологическая модель Стейнхардта и Турока, описанная в Главе 13, предлагает альтернативный взгляд. Когда две 3-браны циклической модели медленно направляются друг к другу, квантовые флуктуации будут подвергать воздействию различные части бран в слабо различающихся степенях. Когда браны в конце концов сталкиваются, грубо триллионом лет позже, различные области на бранах будут контактировать в слабо отличающиеся моменты, до некоторой степени как два куска шершавой наждачной бумаги, схлопнувшиеся друг с другом. Мельчайшие отклонения от совершенно однородного столкновения дадут мельчайшие отклонения от совершенно однородной эволюции на каждой бране. Поскольку одна из этих бран предполагается нашим трехмерным пространством, отклонения от однородности являются отклонениями, которые мы должны быть в состоянии обнаружить. Стейнхардт, Турок и их соратники доказывали, что неоднородности генерируют отклонения температуры такой же формы, как это появляется из инфляционной схемы, а потому с сегодняшними данными циклическая модель предлагает эквивалентно жизнеспособное объяснение наблюдениям.


Однако, более уточненные данные, которые будут собраны в течение следующих десяти лет, могут найти различие между двумя подходами. В инфляционной схеме не только квантовые флуктуации поля инфлатона растягиваются взрывом экспоненциального расширения, но и мельчайшая квантовая рябь в пространственной ткани также генерируется при интенсивном внешнем растягивании. Поскольку рябь в пространстве является ничем иным, как гравитационными волнами (как в нашей недавней дискуссии про LIGO), инфляционная схема предсказывает, что гравитационные волны производились в ранние моменты вселенной.[8] Их часто называют изначальные гравитационные волны, чтобы отличить их от волн, которые генерируются более недавними интенсивными астрофизическими событиями. В циклической модели, в отличие от этого, отклонения от совершенной однородности строятся медленно, в течение почти непостижимого промежутка времени, пока браны тратят триллион лет, медленно направляясь к их следующему шлепку. Отсутствие резких и энергичных изменений в геометрии бран и в геометрии пространства означает, что пространственная рябь не генерируется, так что циклическая модель предсказывает отсутствие изначальных гравитационных волн. Таким образом, если изначальные гравитационные волны удастся обнаружить, это будет еще одним триумфом инфляционной схемы и определенно исключит циклический подход.


Маловероятно, что LIGO будет достаточно чувствительным, чтобы обнаружить предсказанные инфляцией гравитационные волны, но возможно, что они будут наблюдаться косвенно или с помощью Plank, или с помощью другого спутникового эксперимента, названного экспериментом по Поляризации Космического Микроволнового Фона (Cosmic Microwave Background Polarization – CMBPol), который сейчас планируется. Plank и CMBPol, в особенности, не будут сфокусированы исключительно на температурных вариациях микроволнового фонового излучения, но также будут измерять поляризацию, направления среднего спина обнаруженных микроволновых фотонов. Через цепочку аргументов, слишком запутанных, чтобы их раскрывать здесь, это приводит к тому, что гравитационные волны от Взрыва должны оставить особый отпечаток на поляризации микроволнового фонового излучения, возможно отпечаток достаточно большой, чтобы быть измеренным.


Так что в течение десятилетия мы можем быстро получить ответ на вопрос, был ли Взрыв на самом деле шлепком, и является ли вселенная, о которой мы осведомлены, на самом деле 3-браной. В золотую эру космологии некоторые из самых диких идей могут быть на самом деле проверяемы.


Темная материя, темная энергия и будущее вселенной


В Главе 10 мы ознакомились со строгим теоретическим и экспериментальным доказательством, установившим, что не более чем 5 процентов массы вселенной происходит от составляющих, найденных в привычной материи, – протонов и нейтронов (электроны оцениваются менее, чем в 0,05 процента от массы обычной материи), – тогда как 25 процентов происходит от темной материи и 70 процентов от темной энергии. Но здесь все еще есть существенная неопределенность относительно идентификации всей этой темной мешанины. Естественная гипотеза заключается в том, что темная материя также составлена протонами и нейтронами, теми, которые как-то избежали совместного слипания в форме эмитирующих свет звезд. Но другие теоретические рассмотрения делают эту гипотезу очень маловероятной. Через детальные наблюдения астрономы имеют ясное знание о среднем относительном распространении легких элементов – водорода, гелия, дейтерия и лития, – которые рассеяны по всему космосу. До высокой степени точности соответствие их распространения теоретическим расчетам процессов приводит к уверенности, что эти ядра были синтезированы в течение первых нескольких минут вселенной. Это согласие является одним из величайших успехов современной теоретической космологии. Однако, эти расчеты предполагают, что объем темной материи не составлен из протонов и нейтронов; если на космологических масштабах протоны и нейтроны были бы доминирующими составляющими, существующий космический рецепт был бы отброшен и расчеты выдали бы результаты, которые исключаются наблюдениями.


Итак, если не протоны и нейтроны, то что составляет темную материю?


До сегодняшнего дня никто не знает, но нет недостатка в предположениях. Имена кандидатов пробегают диапазон от аксионов до зино, и любой, нашедший ответ, несомненно, будет оплачивать визит в Стокгольм. То, что никто еще не обнаружил частиц темной материи, устанавливает существенные ограничения на любое предположение. Причина в том, что темная материя не только расположена в удаленном пространстве; она распределена по всей вселенной, так что должна также доносится до нас здесь, на Земле. В соответствии со многими предположениями прямо сейчас миллиарды частиц темной материи простреливают ваше тело каждую секунду, так что жизнеспособными кандидатами являются только такие частицы, которые могли бы проникать через объемную материю не оставляя существенных следов.


Нейтрино являются одной из возможностей. Расчеты оценивают их реликтовое распространение со времен их производства в Большом взрыве в примерно 55 миллионов на кубический метр пространства, так что, если окажется, что один из трех видов нейтрино весит около одной сотой от миллионной (10–8) доли массы протона, они смогут заместить темную материю. Хотя недавние эксперименты дали сторогое доказательство, что нейтрино имеют массу, в соответствии с сегодняшними данными они слишком легкие, чтобы выполнить роль темной материи; они не дотягивают до нужной отметки на фактор более чем сто.


Другое перспективное предложение привлекает суперсимметричные частицы, особенно фотино, зино и хиггсино (партнеров фотона, Z-частицы и Хиггса). Это наиболее сдержанные суперсимметричные частицы, – они могут невежливо проходить через всю Землю без малейшего влияния на их движение, – а потому могут легко избежать детектирования.[9] Из расчетов, как много таких частиц могло бы быть произведено в Большом взрыве и сохраниться до сегодняшнего дня, физики оценивают, что они должны иметь массу порядка от 100 до 1 000 масс протона, чтобы заместить темную материю. Это интригующее число, поскольку различные изыскания моделей суперсимметричных частиц, точно так же, как теории суперструн, приходят к тому же диапазону масс для этих частиц без какой-либо связи с темной материей и космологией. Это должно быть загадочное и полностью необъяснимое совпадение, если, конечно, темная материя на самом деле состоит из суперсимметричных частиц. Так что поиски суперсимметричных частиц на сегодняшних и приходящих к ним на смену ускорителях могут также выглядеть как поиски самых вероятных кандидатов на темную материю.


Более прямые поиски частиц темной материи, текущих сквозь Землю, также будут на полном ходу через некоторое время, хотя это экстремально трудные эксперименты. Из миллиона или около того частиц темной материи, которые должны проходить через область размером с квартал города каждую секунду, не более одной частицы в день должно оставить какое-либо доказательство в специально разработанном оборудовании, которое многие экспериментаторы выстроили, чтобы обнаружить их. На сегодняшний день подтвержденных обнаружений частиц темной материи не достигнуто.[10] Поскольку приз все еще очень высоко в воздухе, исследователи продвигаются вперед со все большей интенсивностью. Имеется некоторая возможность, что в течение нескольких следующих лет задача идентификации темной материи будет решена.


Окончательное подтверждение, что темная материя существует, и прямое определение ее состава будет большим достижением. Впервые в истории мы сможем узнать нечто, что является одновременно полностью фундаментальным и необычайно неуловимым: строение значительной части материального содержимого вселенной.


Тем не менее, как мы говорили в Главе 10, недавние данные строго указывают, что даже при идентификации темной материи все еще имеется существенный кусок требуемых ухищрений в объяснении эксперимента: наблюдения сверхновых, которые дают доказательство расталкивающей космологической константы, составляющей до 70 процентов полной энергии во вселенной. Как самое захватывающее и неожиданное открытие последнего десятилетия, доказательство космологической константы – энергии, которая наполняет пространство, – требует убедительного завершающего подтверждения. Большое число подходов планируется или уже осуществляется.