На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Большой адронный коллайдер, могущий воздействовать на свойства материи, являет, можно сказать, философский камень наших дней. Кстати, камни из его окрестностей когда-то нашли себе место в стенах дома одного философа. Его имя - Франсуа-Мари Аруэ, известный широкой публике под фамилией Вольтер.

Шато-де-Ферней, где остроумный писатель жил с 1758 г. почти до самой своей смерти в 1778 г., находится примерно в полутора километрах от окольцованного БАК участка. В этом особняке Вольтер написал свое самое знаменитое произведение, «Кандид, или Оптимизм», жестокую сатиру на взгляды немецкого мыслителя Готфрида Лейбница. Вы спросите, что может быть общего у БАК и Лейбница (такого, каким его изобразил Вольтер)? Между ними, однако, существует глубокая связь, в которой фигурируют параллельные вселенные и альтернативные реальности.

Лейбниц, оспаривающий приоритет в изобретении дифференциального и интегрального исчисления у Ньютона, считал, что среди набора всех возможностей наш мир представляет оптимальный вариант. Эту идею Лейбниц почерпнул из развитого им вариационного исчисления, техники, позволяющей находить кратчайшие пути на искривленных поверхностях и решать связанные с этим задачи. Например, пусть требуется пересечь холм, затратив минимум усилий. Тогда вариационное исчисление укажет среди множества маршрутов один самый короткий.

Лейбниц пришел к мысли, что бог, создавая Вселенную, должен был выбрать для нее наилучшее устройство, если другие вообще возможны.

Карикатурный герой произведения Вольтера доктор Панглос, преподающий «метафизико-теолого-космолонигологию», доводит эту идею до абсурда, находя замысловатую подоплеку у всего, что происходит в «лучшем из миров».

«Вот, заметьте, носы созданы для очков, - отмечает Панглос, - потому мы и носим очки. Ноги, очевидно, назначены для того, чтобы их обувать, вот мы их и обуваем»⁸⁸.

Даже после того, как Панглос вместе со своим учеником Кандидом проходит через самые ужасные испытания, которые можно только себе вообразить, включая землетрясение в Лиссабоне и лапы инквизиции, он продолжает искать всему рациональные объяснения. Он приходит к следующему заключению: пусть в космической цепочке событий рвется одно единственное звено, и это приводит к непоправимым последствиям, но какими бы ужасными они не были, в конце концов добро восторжествует. Для Панглоса и Кандида им становится возможность разбить небольшой сад. Следя за злоключениями героев книги, нельзя не проникнуться вольтеровской иронией.

Так живем ли мы в «лучшем из возможных миров»? Эта концепция подразумевает, что существуют альтернативные реальности, возможно, даже вселенные, параллельные нашей. До недавнего времени идея параллельных вселенных относилась к области фантастики. Но сегодня на БАК планируются удивительные эксперименты, призванные проверить очередную версию идеи параллельных вселенных, так называемую гипотезу мира на бране. Согласно ей все наблюдаемое нами умещается на трехмерном острове, затерявшемся в море высших размерностей. Термином «брана» (от слова «мембрана») описываются образования вроде тех, на одном из которых может покоиться вся наблюдаемая нами Вселенная. Гипотеза гласит: единственные частицы, которым дозволяется покидать брану, - это гравитоны, переносчики гравитационного взаимодействия. Таким образом, ученые хотят заметить на БАК уход гравитонов в дополнительные размерности. Если такие измерения высшего порядка будут обнаружены, не исключено, что есть другие браны, параллельные нашей. А если к тому же они необитаемы, тогда мы и правда живем в самом благоприятном мире.

Концепция параллельных вселенных вошла в физику в абстрактной математизированной форме - через диаграммную технику Ричарда Фейнмана, позволяющую рассчитать вероятности обменных процессов с участием заряженных частиц. Всем возможностям приписываются определенные веса, которые затем суммируются. Один из способов написать явное выражение для этой «суммы историй» - применить аппарат интегралов по путям, являющийся, по сути, развитием вариационного исчисления Лейбница. В этом формализме, если даны начальное и конечное состояния квантовой системы, между ними возникает «холм» со всевозможными траекториями. Нам никогда не узнать, как именно участники взаимодействия пересекли этот холм. На самом деле они прошли по нему множеством тропинок одновременно. Все, что можно посчитать, - это куда они устремлялись наиболее охотно, какая тропинка приводила к цели кратчайшим путем.

Разрабатывая в 40-х гг. свой метод под началом своего научного руководителя Джона Уилера, Фейнман и не думал его представлять как нахождение траекторий в лабиринте параллельных вселенных. Математика сработала на ура, предсказания блестяще подтвердились - что еще надо? Однако в 1957 г. другой ученик Уилера, Хью Эверетт, взглянул на дело шире и предложил свою «многомировую интерпретацию» квантовой механики.

Согласно гипотезе Эверетта, всякий раз, когда микроскопическая частица испытывает воздействие, Вселенная не стоит спокойно, а распадается на пучок немного различающихся возможностей. Измеряя результат взаимодействия, экспериментатор тоже расщепляется на несколько версий, соответствующих альтернативным вариантам развития событий. Каждый его экземпляр получает свой результат измерения, не такой, как у других, и объясняет его появление вероятностью. Но в действительности никакой вероятности у события нет, потому что любой исход эксперимента наблюдается одной из копий экспериментатора, которая не может связаться со своими двойниками и сравнить результаты. Со временем число параллельных вселенных - и их квартирантов - достигает немыслимой величины. По сравнению с ним число атомов в наблюдаемой области космоса выглядит жалкой горсткой.

Несмотря на этот фантастический вывод, в 70-х гг. маститый теоретик Брайс Девитт воспринял эвереттовские построения всерьез. Ему мы, кстати, обязаны названием концепции. Девитт неустанно ее пропагандировал, доказывая, что это единственный разумный способ внести в квантовую механику объективное зерно и изгнать из акта измерения субъективность. В самом деле, кому удастся выйти за пределы Вселенной, снять показания и заставить ее волновую функцию сколлапсировать в один из многочисленных вариантов? Как бы безумно ни смотрелась многомировая интерпретация, разве не безумнее предполагать, будто людям с их органами чувств под силу влиять на Вселенную, вопрошал Девитт? Хотя к тому времени Эверетт уже ушел из теоретической физики (а в 1982 г. в возрасте 51 года и из жизни), Девитт стал достойным продолжателем его идеи о том, что мы живем в разрастающейся паутине параллельных вселенных.

Вместе с Уилером Девитт досконально проработал вопрос о применении квантовых принципов к гравитации. Первый стремился переформулировать эйнштейновскую теорию относительности на языке метода суммирования по историям. В квантовой механике состояния отличаются друг от друга положением, импульсом, спином и т. д. Словно из отдельных нот складывается музыкальная композиция. А как выглядит фортепианная клавиатура общей теории относительности? Наконец, Уилер сообразил, что его симфонию окрасят тембры всевозможных трехмерных геометрий. Вдохновленный этой догадкой, он принялся уговаривать Девитта помочь ему с математической реализацией. Девитт позже вспоминал: «Уилер приставал с этим ко всем. Однажды, по-моему, в 1964 г., он мне позвонил и сказал, что у него пересадка в аэропорту Рэлея-Дурхэма - я тогда был в Северной Каролине - и у него будет пара свободных часов. Не смог бы я туда приехать и поговорить о физике? Он ко всем, я знал, пристает с вопросом: “Какова в квантовой гравитации область определения?” И, по-видимому, он наконец догадался, что это пространство трехмерных геометрий. Меня тогда занимали другие задачи, но эта. в общем, тоже заслуживала внимания… Я прямо там, в аэропорту, записал это уравнение на каком-то клочке бумаги. Уилер пришел от него в восторг»⁸⁹.

Так появилось уравнение Уилера-Девитта, позволяющее приписать веса трехмерным геометриям и, просуммировав их, определить самый вероятный вариант эволюции Вселенной. Теоретически, оно должно было помочь физикам понять, как знакомая нам реальность выкристаллизовалась из неразберихи случайностей. На практике, однако, в интересных случаях оно принимало весьма громоздкий вид.

В 1973 г. Коллинз и Хокинг рассмотрели этот вопрос на классическом уровне в своей знаковой работе «Почему Вселенная изотропна?». Перебирая многочисленные решения уравнений Эйнштейна - как изотропные, так и анизотропные космологии, они пытались понять, какие из них содержат сегодняшнюю Вселенную. Является ли космология изотропной или анизотропной, зависит от эквивалентности или неэквивалентности различных направлений. В первом случае Вселенная расширяется одинаково по всем направлениям, словно круглый шарик, когда его надувают. А если посмотреть в разные стороны в анизотропной Вселенной, то скорости увеличения расстояний в космосе будут тоже отличаться. Когда надуваешь воздушный шарик в форме сосиски, он становится все длиннее и длиннее, хотя поперечный размер почти не меняется.

Как известно из астрономических наблюдений, современная Вселенная в больших масштабах близка к изотропному варианту. Мы видим, что пространство расширяется во всех направлениях примерно одинаково. Реликтовое излучение, которое представляет собой моментальный снимок «эпохи рекомбинации», наступившей через 300 000 лет после Большого взрыва, тоже отличается высокой изотропией. (Как мы уже упоминали, спутники СОВЕ и WMAP все-таки зарегистрировали крошечные отклонения от изотропии.) Коллинз и Хокинг задались вопросом, должна ли была ранняя Вселенная, чей возраст насчитывал доли секунды, тоже быть изотропной. Почему она не может быть похожа на дикий морской берег, хаотично испещренный песчаными барханами?

Чтобы понять, как в поначалу хаотическом мире мог бы установиться порядок, двое ученых ввели в рассмотрение Многомир - своего рода Вселенную вселенных, заключающую в себе весь набор геометрических альтернатив. Какие подвиды в этом космическом зоопарке, спрашивали теоретики, легче всего поддались укрощению и превратились в хорошо знакомое нам изотропное пространство, которое мы сегодня наблюдаем? Из вычислений следовал удивительный результат: лишь бесконечно малая доля первичного множества готова была совершить такой эволюционный скачок. Космос с современными его свойствами могли дать только вселенные, которые уже тогда имели высокую степень изотропии. Любое отклонение от идеальной формы, имевшее место в самом начале, за время жизни Вселенной разрослось бы до чудовищных размеров. Но как тогда в эту картину вписать сегодняшний день, который, как оказывается, является скорее исключением, чем правилом?

Вместо того чтобы искать объяснение этому парадоксу, основанное исключительно на физических законах, Коллинз и Хокинг решили обратиться к принципу, который австралийский физик Брэндон Картер окрестил антропным. Он гласит: устройство Вселенной определяется фактом существования человечества. Если бы Вселенная была устроена в известной степени по-другому - не образовалось бы Солнце, не было бы планет вроде Земли, не появилось бы некое подобие человечества и, значит, некому было бы испытывать действительность на собственном опыте. Следовательно, одно то, что мы, разумные существа, живем в этом мире, означает: Вселенная обязана была родиться такой, какая она есть, чтобы дать шанс таким любознательным наблюдателям, как мы. Давайте посмотрим, как Коллинз и Хокинг с помощью антропного аргумента объяснили, почему Вселенная изотропна. «Допустим, есть бесконечное множество вселенных со всевозможными, непохожими друг на друга начальными условиями. Схлопывания обратно в точку избегают только те вселенные, которые расширяются достаточно быстро, и именно в них появятся галактики, а значит, разумная жизнь. [Они], как правило, будут стремиться стать изотропными. В этой концепции тот факт, что мы наблюдаем изотропную Вселенную, неразрывно связан с самим нашим существованием»⁹⁰.

Дабы проиллюстрировать антропный принцип, представим себе, что мы собираем по всему свету газетные вырезки, где опубликованы результаты лотерей. Как нетрудно догадаться, большое количество везунчиков в данном случае - следствие того, что газеты пишут в основном о выигрышах. Хотя лотерейные билеты покупают миллионы людей, в новостные заголовки попадают лишь те, кто сорвал джекпот. Если бы мы узнавали про лотерейные истории исключительно из газет, нас бы, наверное, мучил вопрос, почему в лотерею так легко выиграть. Ведь, казалось бы, это не только невыгодно для организаторов таких мероприятий, но и грубо нарушает все законы теории вероятности. Однако объяснение лежит на поверхности: принцип отбора самых сенсационных историй отсеивает всех участков лотереи, кроме небольшой горстки тех, которым улыбнулась фортуна. Аналогично принцип отбора сознательных наблюдателей отсеивает все вселенные, кроме небольшой горстки тех, в которых зарождается разумная жизнь.

Благодаря работам почтенных ученых, таких как Девитт, Коллинз и Хокинг, в которых повествуется об огромном или даже бесконечном архиве вселенных, фантастическая концепция альтернативной реальности в последние десятилетия XX в. обрела ощутимые научные очертания. Теоретики стали смелее упоминать параллельные миры, недоступные оку телескопа. Теперь, если какой-то физический параметр не получал своего объяснения в наблюдениях реальной Вселенной, физики зачастую прибегали к эффектам, следующим из гипотезы о Многомире, по большей части скрытом от наших взоров.

В 1980 г. американский физик Алан Гут предложил космическую инфляцию, парадигму, способную разрешить ряд проблем современной космологии, в том числе ответить на вопрос, почему Вселенная такая однородная. Вместо антропного принципа он предположил, что очень ранняя Вселенная испытала стадию сверхбыстрого расширения. В ее ходе все шероховатости растянулись настолько, что стали ненаблюдаемыми: расправляя покрывало на кровати, мы тоже добиваемся, чтобы все складки исчезли. Теория ГУга, однако, хоть и выглядела многообещающей, столкнулась с массой трудностей. В частности, она предсказывала существование переходных зон, разделяющих области Вселенной с разными физическими условиями. Астрономии такие стенки известны не были, поэтому теория требовала правки.

Три года спустя советский космолог Андрей Линде связал инфляцию с концепцией Многомира в рамках единой модели так называемой хаотической инфляции. По версии Линде, Многомир представляет собой инкубатор, в котором обретаются зародыши бесчисленных дочерних вселенных. Эти зародыши бросает скалярное поле (наподобие поля Хиггса, но с большей амплитудой), которое случайно меняется от точки к точке и в каждой области пространства устанавливает свое значение вакуумной энергии. Подчиняясь общей теории относительности, ставящей геометрию в зависимость от массы и энергии, участки с самым плотным вакуумом начинают разрастаться быстрее всех. Ни для кого не секрет, что изобилие рабочих мест приводит к стремительному росту местного населения. Так же как закатанные в асфальт пригороды вытесняют хиреющие деревни, самые быстро расширяющиеся части Вселенной - инфляционные области - вмиг залавливают все остальное. Вывод Линде состоит в том, что мы живем в одном из таких распухших мегаполисов, а другие области загнаны «под ковер», откуда их никакими приборами не достать.

Решение проблемы однородности наблюдаемой Вселенной, предложенное инфляцией, многим пришлось по душе. Ей не нужно человечество, чтобы объяснить, как бурлящий хаос первозданной Вселенной приобрел консистенцию манной каши. В этом одно из основных преимуществ инфляции перед антропным принципом. Однако, вытолкав, в прямом смысле, сестер нашей Вселенной за пределы зрения приборов, инфляция почти лишила нас возможности ее проверить. К счастью, она предсказывает, что материя и энергия после стадии стремительного расширения должны быть распределены во Вселенной определенным образом. Этот характерный рисунок проявляется в карте реликтового излучения, построенной WMAP и другими спутниками. В последнее время астрофизики пришли, в общем-то, к единому мнению. Да, в общих чертах космическая инфляция дает более-менее правдоподобное описание ранних стадий развития Вселенной. Но в какой форме она протекала и чем была вызвана, предстоит еще выяснить.

Недавно выведенная разновидность теории параллельных вселенных, гипотеза мира на бране, имеет дело не с закрытыми комнатами нашего собственного пространства, а с измерениями, дополняющими привычную для нас тройку. Согласно этой глубокой идее, обычное пространство представляет собой трехмерную мембрану (коротко, просто «брану»), плавающую в полноразмерном мире, так называемом контейнере. Гипотеза состоит в том, что контейнер не впускает в себя никакие частицы, кроме гравитонов. А раз переносчики электрослабого и сильного взаимодействий не могут пуститься в свободное плавание, существование контейнера сказывается только на гравитационных процессах. Следовательно, если фотон не способен выйти в контейнер, мы последний и не увидим. А силы тяготения контейнер подтачивает: гравитоны уходят с браны и распыляются в нем. Это объясняет, почему гравитация гораздо слабее всех остальных сил.

Концепция браны является логическим продолжением теории струн. Только вместо струны, напоминающей извивающийся жгут для банги-джампинга, в ней фигурируют пульсирующие тела двух, трех и более измерений, наподобие гибких трамплинов или дрожащих капель дождя. Эти объекты могут иметь самые разные размеры: от крошечных (тогда мы будем их воспринимать как элементарные частицы) до настолько огромных, что в них поместится все наблюдаемое нами пространство. Отсюда недалеко до идеи о том, что все, кроме гравитонов, живет на бране.

Браны в качестве модели элементарных частиц обсуждаются уже не одно десятилетие. Еще в 60-х гг. Дирак высказал мысль, что частицы могут быть не точечными, а протяженными объектами. Однако он не стал развивать эту идею, и она прошла как-то мимо физического сообщества. В 1986 г. техасские ученые Джеймс Хьюз, Цзюнь Лю и Джозеф Полчински впервые построили суперсимметричную теорию мембран, в которой показывалось, как с помощью этих объектов можно моделировать различные типы частиц. Год спустя Пол Таунсхенд из Кембриджского университета ввел в теоретическую физику термин «р-брана». Им он обозначил образования высших размерностей, населяющие 11-мерный мир, - своего рода капли воды замысловатой формы, плавающие в обширной и неспокойной атмосфере. (Буква «р» говорит, сколько измерений у самой мембраны).

Примерно в то же время Таунсхенд, его коллега Майкл Дафф и другие теоретики обнаружили глубокие связи между струнами и мембранами, получившие названия дуальностей. Дуальность - это, грубо говоря, математическое тождество двух случаев, когда в уравнениях пару значений некоторой переменной меняют местами. Например, при прочих равных физических условиях вместо микроскопически малого радиуса подставляют большой. Это как в карточных играх: если какая-то масть объявлена козырной, то вытащенная из колоды «маленькая» карта приобретает значительный вес и дает игроку шанс, побив даже тузы других мастей, выйти победителем. Аналогично в мембранной теории: подстановка вместо больших значений маленьких помогает доказать определенные тождества.

На мембранную теорию физическое сообщество почти не обращало внимания вплоть до середины 90-х гг. прошлого века. Но потом группа теоретиков обнаружила набор дуальностей, с помощью которого удавалось свести воедино все пять разновидностей теории струн. Когда в начале 80-х струнная теория начала серьезно претендовать на звание теории всего сущего, оказалось, что ее формулировка - при соблюдении всех разумных требований - допускает разночтения: по научной терминологии это типы I, IIa, IIb, а также гетеротические теории струн О и Е-типа. Физики только недоуменно разводили руками, ведь теория всего сущего должна быть одна. Как выбрать из этих версий ту самую?

Это как если бы несколько свидетелей преступления давали противоречивые показания. Один бы сказал: «Преступник был одет в длинный серый плащ», а второй убеждал бы следователя: «Нет, на нем была синяя куртка». И только потом криминалист догадался бы, что всему виной игра света и тени, которая и изменила внешность злодея. Из-за тени, отбрасываемой навесом под определенным углом, куртка визуально потемнела и удлинилась. Так и дуальности, подаренные нам мембранной теорией, помогли понять, что, меняя точку зрения, все пять вариантов теории струн можно сводить один к другому.

В 1995 г. на конференции, проходившей на юге Калифорнии, ведущий специалист по теории струн Эд Виттен торжественно заявил об открытии «дуальности дуальностей», позволяющей описать весь струнный ассортимент в рамках единой схемы, которую он назвал М-теорией. Расшифровывать этот термин Виттен отказался и вопрос о его значении оставил открытым. Например, буква «М», считал он, может означать «магическая», «матричная» или «мистическая». Остальным тут же в голову пришли «мембраны» и «мать всех теорий». На волне эйфории, вызванной этим заявлением, и чувствуя, что теория струн вот-вот приобретет законченную форму, теоретики окрестили столь эпохальное событие второй струнной революцией. (Первая случилась в 80-х, когда стало ясно, что в теории струн отсутствуют математические аномалии).

Один из свободных параметров объединенной теории струн - это размер так называемых больших дополнительных измерений (размерностей). В этой иерархии различают несколько типов измерений. Во-первых, это три пространственных измерения - длина, ширина и высота, которые вместе с временной координатой образуют четырехмерное пространство-время. Во-вторых, есть маленькие «компактифицированные» измерения (впервые о них заговорил шведский физик Оскар Кляйн), свернутые в крепкие узелки, настолько крошечные, что наши приборы их не в состоянии заметить. Как показали Виттен и другие, эти размерности могут образовывать 6-мерные конфигурации, названные по имени математиков Эудженио Калаби и Шин-Тун Яу пространствами Калаби-Яу. Наконец, имеется одиннадцатое измерение, размер которого предстоит определить. Дело в том, что благодаря дуальностям оно может разбухать, как заведенное на хороших дрожжах тесто. Именно на эту большую «лишнюю» координату мы, возможно, наткнемся в эксперименте.

Как же представить себе дополнительное измерение, отходящее под прямым углом к обычному миру? Наверное, это сродни попыткам рассказать о полете на воздушном шаре людям, которые никогда не отрывались от земли. До изобретения аэростата никто не видел землю с высоты птичьего полета. Но с приходом заполняемых горячим газом шаров, а потом и самолетов с космическими ракетами мы гораздо больше узнали о третьем измерении - высоте. Если одиннадцатое измерение существует и оно не свернуто, то что нам мешает в него выйти? Как уверены некоторые теоретики, причина тому - «клейкость» струн, из которых состоят вещество и излучение.

Одно из ключевых положений М-теории основано на понятии браны Дирихле, или просто D-браны. Эту идею в соавторстве с Цзинь Даем и Робертом Леем развивал теоретик Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предложивший рассматривать протяженные объекты, к которым могли бы крепиться открытые струны. Открытые струны - это струны, у которых концы не смыкаются, а висят свободно, как у спагетти. Их антипод - замкнутые струны, представляющие собой петли наподобие колец лука. Полчински с соавторами показал, что открытым струнам свойственно цепляться за D-браны, словно их концы смазаны клеем. Замкнутые струны лишены такой возможности.

В теории струн кварки, лептоны, фотоны и большинство других частиц являются состояниями открытых струн. В качестве исключения можно назвать гравитоны, представленные замкнутыми струнами. Таким образом, все частицы, не считая гравитонов, беспрепятственно прилипают к D-бранам. Гравитонам, в свою очередь, ничто не мешает оставить насиженное место на одной D-бране и устремиться перелетными птицами к другой.

Благодаря отличию струнной сущности гравитонов от остальных частиц в М-теории удалось смоделировать относительную слабость гравитационного взаимодействия и тем самым решить упомянутую выше проблему иерархии. В 1998 г. физики из Стэнфордского университета Нима Аркани-Хамед, Савас Димопулос и Джиа Двали, которых для этой работы свел вместе Игнациус Антониадас, обрисовали схему, включающую две D-браны, разделенные большим - около 1 мм - дополнительным измерением. Вторая D-брана в модели АДД (по инициалам авторов) играет роль параллельной вселенной или некой области нашей Вселенной. Она расположена прямо у нас перед носом, но совершенно невидима. Поскольку все поля Стандартной модели привязаны к нашей собственной бране, фотоны не в состоянии перепрыгнуть через пропасть и осветить параллельную брану. Из сильного и слабого взаимодействий тоже шпионов не выйдет - они и представления не имеют о спрятанном под боком мире. Единственный шанс на него наткнуться дают невидимые гравитационные нити.

Так как они, связывая наш мир с параллельным, проходят через ограниченный двумя бранами контейнер, тяготение истощается и становится гораздо слабее других взаимодействий. Представьте себе четыре бойлера, подключенные к системе отопления 10-этажного здания. Пусть первые три снабжают находящуюся за стенкой сауну с джакузи и бассейном, а четвертый тащит на себе все остальные этажи. Посетители сауны наверняка не будут испытывать недостатка в тепле, а вот жителям верхнего этажа, велика вероятность, придется запастись пуховыми одеялами, дабы не замерзнуть. По мощности бойлеры могут и не отличаться, но истощенный нагрузкой четвертый котел будет неспособен полноценно выполнять свои функции. Похожим образом ослабевает и гравитация, хотя изначально, в общем-то, ничем не уступает остальным силам, а все из-за утечки гравитонов, которые просачиваются с нашей браны в контейнер.

По сравнению с МССМ (Минимальной суперсимметричной стандартной моделью) у схемы с большими дополнительными измерениями есть важное преимущество: она предсказывает не несколько, а одну энергию объединения. Согласно этому подходу все взаимодействия сольются воедино при энергии порядка ТэВа, которая, по счастливому совпадению, как раз под силу БАК. Гравитация будет казаться слабее просто потому, что она совершает тайные вылазки в потусторонний мир. В таком случае, получается, нам не придется гнаться за невообразимыми планковскими энергиями - что такое ТэВ по сравнению с ними! - чтобы наблюдать объединение всех взаимодействий. Если это так, то мы сэкономим немало денег.

Кроме того, большие «лишние» измерения стали лакомым кусочком и для тех, кто силится разгадать тайну темной материи. В одном из вариантов модели АДД - так называемой модели складчатой Вселенной - ее авторы вместе с Неманей Калопером из Стэнфорда исследовали, что произойдет, если нашу брану, как меха аккордеона, многократно сложить. Тогда путь к далеким звездам, находящимся за миллиарды световых лет от нас, если идти по бране, можно срезать через одиннадцатое измерение. Это напоминает поездку по горному серпантину: хотя путь к вершине вдоль склона сравнительно короткий (и доступен для скалолазов), по дороге приходится проехать гораздо большее расстояние.

Поскольку гравитоны знают короткую дорогу через контейнер, две, как нам кажется, далекие звезды могут испытывать гравитационное притяжение друг друга. Оно будет ощущаться, но его нельзя будет увидеть, а значит, эта модель предоставляет одно из возможных объяснений темной материи. Попросту говоря, темная материя такого типа на самом деле никакая не темная, а обычное светящееся вещество, чья сила тяготения проникает через толщу контейнера.

Одна из привлекательных черт модели АДЦ - предсказание физических эффектов, которые в принципе доступны сегодняшнему эксперименту. В частности, на расстояниях меньше 1 мм должны наблюдаться отклонения от установленного закона тяготения. Здесь новая теория, по сути, идет вразрез как с Ньютоном, так и с Эйнштейном и гласит, что на маленьких масштабах в закон обратных квадратов необходимо ввести корректирующий множитель. Причем для астрономических расстояний (порядка или больше радиуса лунной орбиты) этот множитель становится несущественным, что объясняет, почему мы его до сих пор не заметили. Впрочем, на данный момент никаких отклонений уловить не удалось и на маленьких масштабах, и модель АДЦ является пока не более чем гипотезой. При всем том, что были проведены многочисленные эксперименты и задействована чувствительнейшая аппаратура. Например, группа экспериментаторов из Университета Вашингтона под началом Эрика Эйделбергера, проведя тонкие опыты с высокоточными крутильными весами, подтвердила закон обратных квадратов до расстояний гораздо меньше 1 мм. Этот результат заставляет усомниться в предложенной теоретической схеме, по крайней мере в простейшей ее форме.

В 1999 г. Лайза Рэндалл и Раман Сундрум построили модель мира на бране, которая не требует таких жертв от закона всемирного тяготения. В ней, как и в теории АДД, постулируется наличие пары трехмерных бран: на одной живет наша Вселенная со всем багажом Стандартной модели, а другая находится «вне зоны доступа», куда никто, кроме гравитонов, выбираться не рискует. Однако пространству между бранами теперь необязательно приобретать ощутимые размеры. Наоборот, параллельные браны могут подходить друг к другу вплотную, да так, что мы никакими приборами не обнаружим близкое соседство.

То есть Рэндалл и Сундрум придумали, как ослабить гравитацию, не привлекая большие дополнительные размерности. В их изящном способе за счет искривления пространства контейнера волновая функция гравитонов начинает концентрироваться вдали от нашей браны. Величина этого искривления напрямую зависит от расстояния от нашей браны в «лишнем» измерении. Как на море - чем дальше от берега, тем глубже. В итоге, гравитоны с большей вероятностью появляются вблизи «чужой» браны и лишь иногда заглядывают в нашу. Следовательно, они редко встречаются с частицами из нашего мира, и гравитация оказывается слабее всех остальных взаимодействий.

Разницу в подходах АДД и Рэндалл-Сундрума проиллюстрируем на примере планирования парковки, задача которой - освободить обочины главной городской магистрали от бесчисленных авто. Первый вариант (соответствующий модели АДД) - разбить в стороне просторную стоянку на одном уровне с магистралью. Однако место в мегаполисах на вес золота, поэтому проектировщики, возможно, захотят вырыть глубокий подземный гараж, в который машины будут попадать по специальным съездам. Цель достигнута - на обочинах автомобилей нет, но в отличие от первого случая городской пейзаж почти не пострадал. Этот второй вариант как раз в духе гипотезы Рэндалл-Сундрума.

Доведем аналогию до конца. Главная магистраль у нас будет играть трехмерного пространства, в котором мы живем, количество припаркованных на ней автомобилей будет являться мерой гравитационного взаимодействия, а съемки со спутника станут показаниями наших приборов. Когда нет нормальных стоянок и главная магистраль загромождена машинами, мы имеем дело с трехмерным пространством, в котором силы тяготения гораздо интенсивнее, чем наблюдается в природе. Ситуация с наружной парковкой соответствует слабой гравитации и большому дополнительному измерению, которое бы ученые легко углядели. Наконец, случай подземной парковки дает нам представление, как гравитацию ослабить, а дополнительное измерение спрятать от любопытных взоров экспериментаторов. Если кто-то попытается оценить дорожную обстановку со спутника, он примет эту местность за тихий городок, где машины большая редкость. Так и взгляд физиков, наблюдающих Вселенную, упирается в маску - из слабой гравитации и всего лишь трех измерений.

Если контейнер действительно, как пылесос, всасывает в себя гравитоны, то можно ли как-то засечь эту утечку с помощью БАК? Один из способов, который, кстати, уже пробовали применить на «Теватроне», - поиск таких событий, когда осколки столкновений выбирают какое-то выделенное направление. Эта асимметрия говорит о том, что некоторую долю энергии и импульса уносит непойманная частица (или частицы). Ею может оказаться гравитон, но сначала надо научиться исключать другие, гораздо более вероятные исходы, например вылет нейтрино. К сожалению, сегодня даже герметичные детекторы вроде АТЛАСа не способны задержать нейтрино. Его вообще почти ничто в природе не в силах остановить. О присутствии нейтрино судят лишь по недостаче импульса, предполагая, что виновна в ней только эта частица. Как надеются некоторые физики, статистические модели рождения нейтрино на ускорителях когда-нибудь станут настолько совершенными, что помогут с запасом отличить реальную картину от ожидаемой. Ответственность за это расхождение тогда можно будет возложить на гравитоны, сбегающие из столкновений через потусторонние ходы.

Чтобы убедиться в существовании «лишних» измерений, можно также попытаться поискать гипотетическую башню Калуцы-Кляйна, носящую имя одного из провозвестников единой теории поля, немецкого математика Теодора Калуцы, а также уже нам известного Кляйна. Так называется набор возбуждений, образованный населяющими контейнер частицами, которые как бы отбрасывают тени на нашу брану. Мы будем их воспринимать как частицы с зарядами, спинами и другими такими же свойствами, как у знакомых нам частиц, но обладающие необычайно большими массами.

В знаменитом «театре теней», описанном Платоном, узники с самого детства прикованы в пещере к своим местам так, что не в состоянии заглянуть в просвет. Они смотрят на стену прямо перед собой и принимают отбрасываемые на нее тени за чистую монету. Они, например, думают, что тени проходящих мимо людей, несущих различную утварь, - это реальные персонажи. В конце концов один узник сбегает, узнает про мир вне пещеры и рассказывает остальным об их заблуждении.

Подобным же образом данные с БАК (полученные АТЛАСом или CMS), может быть, станут для нас теми самыми «тенями на стене», по которым мы будем судить о частицах, бороздящих просторы полноразмерного пространства. У этих частиц должна быть «лишняя» компонента импульса, связанная с дополнительной степенью свободы. Поскольку самого измерения мы не видим, мы не можем наблюдать и то, как вдоль него движется частица. Зато из-за дополнительной составляющей импульса у частицы появляется излишек энергии, а значит, и массы. Ученые надеются, что энергия самых легких возбуждений Калуцы-Кляйна придется на нижнюю границу ТэВного диапазона и их удастся пронаблюдать на БАК.

Проявлениям калуца-кляйновских гравитонов и других частиц, поставляемых дополнительными измерениями, посвящены целые кипы статей. Среди каналов распада называются и превращение в электрон-позитронные пары, и в мюон-антимюонные, и т. д. По энергии продуктов можно будет сказать, что именно распалось. Изучая эти возбуждения, Мы смогли бы получить ценную информацию о размере, форме и остальных свойствах контейнера.

Поиск намеков на дополнительные измерения в список насущных задач БАК не входит. Но узнай мы, что наше мироздание покоится на ходящем ходуном фундаменте, нам, возможно, придется вооружиться мастерками и сменить кладку у физики элементарных частиц. Вдруг мы, как платоновские пещерные люди, до сих пор имели дело лишь с тенями, отбрасываемыми извне? С другой стороны, если все ограничивается привычным трехмерным пространством да временем, погоня за дополнительными измерениями ни к чему не приведет. Тогда теоретики вынуждены будут выдумать еще какой-нибудь правдоподобный ответ на вопрос, почему другие силы перевешивают гравитацию.

Кто знает, может быть, над БАК парит дух Вольтера, увлекаемый вихрями частиц, бегающими по кругу под деревушкой Ферней, где когда-то творил писатель. Он смотрит на поиски других возможных миров и улыбается. Кажется ли это ему стоящим научным занятием или он нас считает последователями Панглоса с его «метафизико-теолого-космолонигологией»? А возможно, он попросту порадуется, что нашел себе пристанище в «un jardin ouvert sur le monde», который и наверху, и внизу возделывают прилежные садовники, запасая пищу для ума и тела.