Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной
Шрифт:
Чтобы это понять, представьте себе поливальный шланг. Если вода разбрызгивается только в привычных измерениях, то эффект будет зависеть от количества воды в емкости и расстояния от разбрызгивателя до цели. Но если измерений на самом деле больше трех, то вода по выходу из шланга распределится на все эти измерения. Мы на заданном расстоянии от источника увидим намного меньше воды, потому что часть ее уйдет в другие измерения, видеть которые мы не можем (такая ситуация схематически изображена на рис. 65).
Если бы размеры дополнительных измерений были конечны, то вода достигла бы границ этих измерений и дальше никуда не пошла. Но количество воды, которую объект в любой конкретной точке многомерного пространства будет получать, окажется намного меньше того объема, которое он подушил бы, если бы вода вообще не уходила бы в дополнительные измерения. Точно так же гравитация может «растекаться» по измерениям, хотя и не вся, если измерения имеют конечные размеры. Большие измерения «разбавляют» силу тяготения, которую мы испытываем у себя, в трехмерном мире. Если эти измерения достаточно велики, сила тяготения у нас становится очень слабой, несмотря на то что фундаментальная сила тяготения в многомерном пространстве значительна. Не забывайте, однако, для того чтобы эта идея работала, дополнительные измерения должны быть просто громадными по сравнению с тем, что предсказывает нам теория, — ведь гравитация в трехмерном мире действительно очень слаба.
Тем не менее БАК экспериментально проверит и эту идею. Хотя сегодня они представляется невероятной, окончательный критерий истины для нас — практика, а вовсе не простота поиска и составления моделей. Если какая-то модель реально применима к окружающему нас миру, она оставит в эксперименте свой характерный след. Поскольку многомерная гравитация в данной модели является сильной на масштабах энергий, примерно соответствующих слабому взаимодействию, то есть на энергиях, которые будут получены на БАКе, то частицы при столкновении должны будут породить многомерный гравитон — частицу, передающую многомерное гравитационное взаимодействие. Гравитон обязательно должен быть многомерным и передвигаться в многомерном пространстве, потому что сила тяготения, с которой мы имеем дело, чрезвычайно слаба и никак не позволит создать гравитон в трехмерном мире. А вот в сценарии с большими дополнительными измерениями гравитация в целом окажется достаточно сильна, чтобы породить гравитон на энергиях, характерных для БАКа.
Результатом будет появление частиц, известных как моды Калуцы — Клейна (КК) и представляющих собой проекцию многомерного гравитона на наше трехмерное пространство. Эти частицы названы в честь Теодора Калуцы и Оскара Клейна, первыми предположивших существование в нашей Вселенной дополнительных измерений. КК–частицы взаимодействуют аналогично известным нам частицам, но обладают большей массой. Эти массы возникают у них в результате дополнительного импульса в направлении дополнительных измерений. Если КК–мода связана с гравитоном, как предсказывает модель больших дополнительных измерений, то, возникнув, она просто исчезнет из детектора. Свидетельством эфемерного визита такой частицы станет недостача энергии (на рис. 66 показано, как КК–частица рождается и уносит с собой энергию и импульс, которых так никто и не видел).
Разумеется, недостача энергии — признак не только модели с большими дополнительными измерениями, но и суперсимметричных моделей. Сигналы могут оказаться настолько похожими, что приверженцы той и другой модели, скорее всего, попытаются интерпретировать экспериментальные данные каждый в свою пользу — по крайней мере вначале. Но точное
В настоящий момент я, как и большинство моих коллег, сомневаюсь в том, что сценарий с большими дополнительными измерениями в самом деле является решением проблемы иерархии, хотя вскоре мы увидим совершенно другой пример модели с дополнительными измерениями, который представляется гораздо более многообещающим.
Мы не ждем, что дополнительные измерения окажутся настолько большими. Дело в том, что в изложенном сценарии дополнительные измерения должны быть просто огромными по сравнению с другими масштабами. Даже если при этом удалось бы решить проблему иерархии между слабым и гравитационным масштабами, возникла бы новая иерархия, связанная с размерами новых измерений.
Еще более тревожно то, что в этом сценарии эволюция Вселенной должна была бы выглядеть совершенно иначе, чем то, что мы наблюдаем вокруг. Ведь дополнительные очень большие измерения должны расширяться вместе с остальной Вселенной до тех пор, пока температура в них не опустится до очень низкого уровня. А чтобы модель хотя бы приближалась к истинной, предсказываемая ею эволюция Вселенной должна соответствовать той, что мы наблюдаем в трехмерном пространстве. Это сложная проблема для любого сценария с большими дополнительными измерениями.
Тем не менее полностью исключить эту идею нельзя. В принципе, при достаточной изобретательности авторы моделей смогут обойти или решить большинство из них. Но модели при этом, как правило, становятся переусложненными и запутанными, и большинство физиков выступает против них. Отчасти поэтому многие из них обратились к более многообещающим вариантам дополнительных измерений, таким, к примеру, как описанный в следующем разделе. Тем не менее только эксперимент может сказать наверняка, соответствуют ли модели с большими дополнительными измерениями действительности.
СВЕРНУТОЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Большие дополнительные измерения — не единственное потенциально возможное решение проблемы иерархии, даже в контексте многомерной Вселенной. Уже после того как идея дополнительных измерений перестала восприниматься в научном мире как нелепая и невозможная, мы с Раманом Сандрамом придумали, как нам кажется, вариант получше; большинство физиков согласны, что он с гораздо большей вероятностью может оказаться верным. Имейте в виду, сказанное вовсе не означает, что большинство физиков поддерживает новую идею. Многие считают, что без новых экспериментальных данных точно предсказать результаты работы БАКа или получить совершенно правильную модель можно лишь по счастливой случайности. Но наша идея, вероятно, имеет не самые плохие шансы оказаться верной; главное же, она, как большинство хороших моделей, представляет четкую поисковую стратегию, при помощи которой ученые смогут более полно использовать все возможности БАКа и, может быть, даже обнаружить доказательства того, что предложенная модель верна.
Решение, которое предложили мы с Раманом, предусматривает одно–единственное дополнительное измерение, притом не обязательно большое. И — в противоположность сценариям с большими дополнительными измерениями — эволюция Вселенной автоматически согласуется с современными космологическими наблюдениями.