Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Давайте забудем о том, что Земля по-прежнему существует, и подумаем о том, почему она до сих пор не погибла. Прежде всего учтем, что, несмотря на колоссальные энергии, мы можем производить в БАК только частицы ниже определенной массы. Как мы уже говорили, верхний предел — примерно 14 тысяч масс протона. На практике он еще ниже, так как сталкиваются на самом деле кварки и глюоны, а не протон целиком. На самом деле будут создаваться частицы лишь примерно в тысячу раз массивнее протона.

С другой стороны, если мы хоть что-то понимаем в устройстве Вселенной, то знаем, что минимальная масса черной дыры составляет примерно 20 миллиардных долей килограмма — это так называемая масса Планка. Кажется, что она очень мала, но это примерно в квадрильон раз больше, чем самые массивные частицы, которые можно получить в БАК.

Откуда берутся эти пределы? Из неопределенности. В главе 2 мы увидели, что нельзя с определенностью сказать, где находится частица, и чем меньше ее масса, тем больше неопределенность. С другой стороны, когда мы говорим о черных дырах, то имеем в виду, что вся их масса заключена в пределах горизонта событий. Вывод: если черная дыра слишком мала, то она вся «не поместится» в пределы горизонта событий. Точка пересечения — величина массы Планка.

Все наши знания показывают, что черные дыры размером меньше массы Планка образовываться не могут. Но вдруг мы ошиблись и они все равно образуются?

В главе 5 мы убедимся, что черные дыры в конце концов исчезают. Чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется. Рассуждать о том, насколько быстро испарится черная дыра из БАК, бессмысленно, даже если предположить, что такая дыра все-таки образуется. Для сравнения скажем, что с того момента, когда черная дыра сформируется, до того момента, когда она исчезнет, она сможет пройти лишь микроскопическую долю размера ядра атома. Иначе говоря, у нее не будет времени, чтобы что-то поглотить.

Более того, мы дадим руку на отсечение, что черная дыра испарится. Если физика частиц нас чему-то и научила, так этому простому правилу: если частицу удается создать в столкновении, значит, она способна распадаться.

Ультрасупермегакошмарный сценарий № 2. Образуются страпельки, которые затем сольются в кристалл, отчего весь мир станет странным. То есть странной материей

До сих пор мы вели разговор в основном о таком способе использования БАК, когда в нем будут сталкиваться друг с другом отдельные протоны. С другой стороны, БАК можно настроить иначе, и в нем будут сталкиваться отдельные ядра тяжелых атомов, в основном свинца, и эта ионная настройка породила дополнительный набор страхов.

Вероятно, вы думаете, будто мы уже рассказали вам обо всех потенциальных ужасах. Однако множество космических лучей, которые прошивают нашу атмосферу, состоит из тяжелых ионов. Чем это отличается от происходящего в БАК? Разница в том, что тяжелые ионы в атмосфере сталкиваются с легкими атомами вроде кислорода, азота и водорода, поэтому мы на Земле никогда не видели, что бывает, когда сталкиваются два куска свинца.

Однако мы видели, что при этом происходит на Луне. На Луне ведь нет атмосферы, и космические лучи постоянно ее бомбардируют. Мы совершенно уверены, что Луна не уничтожена, поэтому и мы должны, вероятно, чувствовать себя в безопасности.

Вас это не убеждает, и мы слышим, как вы уточняете: «В безопасности? От чего?»

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала указать, что помимо u-кварков и d-кварков, о которых мы уже говорили, существуют и другие разновидности кварков. Всего их шесть, и u-кварки и d-кварки самые легкие — так уж совпало. Следующий по легкости — так называемый странный кварк, заряд которого, как и у d-кварка, равен — 1/3.

Мы уже отмечали, что по большей части тяжелые частицы при всяком удобном случае распадаются на более легкие. Странные кварки имеют то же обыкновение. Однако есть вероятность, что гиперядра, содержащие один или два странных кварка, окажутся легче обычных ядер. Не верите? Как выяснилось, лишь 2 % массы обычного протона составляют u-кварки и d-кварки. Все остальное получается из энергии — энергии движения кварков и энергии взаимодействия между кварками и глюонами.

Не исключено, что гиперядра в БАК окажутся способны образовывать страпельки (состоящие из примерно равного количества странных кварков, u-кварков и d-кварков). Все это довольно-таки спекулятивно, поскольку странные кварки живут так мало, что не доступны никаким реальным экспериментам. Мы даже не знаем, что будет, если вводить странные кварки в обычную материю. В результате получилось огромное количество самых разнообразных теорий.

Некоторые из этих теорий абсолютно апокалиптичны. Их создатели и сторонники боятся, что стоит нам получить одну страпельку, и она свяжется с обычной материей, а обычная материя превратится в странную материю с меньшей энергией. Это будет происходить неопределенно долго, а в итоге планета и всё на ней погибнет. По случайному совпадению именно этот сценарий конца света подробно освещен в фильме «Возвращение Супермена», только вместо странной материи там криптонит[74].

Это и правда страшновато — с той лишь поправкой, что никаких страпелек, судя по всему, не существует. Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхавенской национальной лаборатории сталкивает тяжелые ионы, что очевидно из названия. И никаких свидетельств существования страпелек там не обнаружили. От столкновения космических лучей страпельки тоже не получаются.

Так что спите спокойно. Физики часто придумывают устройства, которые способны уничтожить планету, но гигантская круглая дырка в земле к ним не относится.

VII. Удовлетворятся ли физики достигнутым, обнаружив частицу Хиггса?

Пока что мы достаточно твердо знаем, что мы ожидаем получить в БАК. Подавляющее большинство физиков несказанно удивятся, если частица Хиггса не будет обнаружена. Нам достоверно известно, что БАК не устроит нам конец света, а стандартная модель — не венец научной мысли. Почувствуйте привкус грядущего.

Теория струн

Неважно, кто вы — «крепкий орешек» от физики или всего лишь любитель, который краем уха прислушивается к новостям с передовой науки, — наверняка вы что-то слышали о так называемой теории струн. Теория струн разработана для того, чтобы объяснить несколько загадочных явлений, о которых мы до сих пор намеренно не упоминали[75].

Дело в том, что сила тяжести радикально отличается от остальных трех фундаментальных сил во Вселенной.

Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия требуют частицу-переносчик, и в каждом случае мы экспериментально обнаружили эти частицы. Однако теория гравитации — общая теория относительности — не просто не нуждается в гравитоне: до сих пор ученые никакого гравитона не обнаружили. Более того, странно, что теория, стоящая за материальными частицами (кварками, электронами и так далее), так сильно отличается от теории переносчиков взаимодействия (фотонов, глюонов и им подобных). Нам было бы очень приятно, если бы нашлась теория унификации, в идеале — «Теория Всего» (или ТВ, как говорят самые крутые пацаны).

Теория струн, несмотря на свою незавершенность, — главный претендент на роль ТВ, а ее центральный нападающий, как вы, наверное, уже поняли, — так называемая струна. Представьте себе струну как резинку — только очень тоненькую, диаметром в 10-35 м. И что же это за струны? Вообще говоря, они составляют все сущее.

Вы должны понимать, что стандартная модель полагает, будто все частицы, о которых мы говорили в этой главе, — кварки, электроны, фотоны и так далее — бесконечно малы. Это точки в буквальном смысле слова. Стандартная модель не объясняет, почему у одной частицы одна масса и заряд (и прочие свойства), а у другой — другие.

Теория струн говорит, что единственная причина, по которой частицы выглядят как точки, — то, что мы к ним недостаточно пристально присматриваемся. На самом деле «точечные частицы» — это крошечные петли, которые постоянно вибрируют. Если вам это что-то смутно напоминает, так и надо. Именно это мы наблюдали в квантовой механике, когда видели, что все что угодно — фотоны, электроны, вакуумные поля — постоянно осциллирует, колеблется туда-сюда.

Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее — не забывайте, что равенство Е = mc2 справедливо в обе стороны. Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, предполагается, что струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют, — это значит, что нам нужно больше измерений.