Мир в ореховой скорлупке [илл. книга-журнал] - Стивен Хокинг

По мере расширения браны объем пространства высокой размерности внутри нее будет увеличиваться. В конце концов образуется колоссальный пузырь, окруженный браной, на которой живем мы. Но действительно ли мы живем на бране? Согласно голографической идее, описанной в главе 2, информация о том, что происходит внутри области пространства-времени, может быть закодирована на ее границе. Так что, быть может, мы думаем, что живем в четырехмерном мире, потому что представляем собой лишь тени, отбрасываемые на брану тем, что происходит внутри пузыря. Однако, придерживаясь позитивистской точки зрения, нельзя спросить: «Что есть реальность: брана или пузырь?» И то и другое — математические модели, которые описывают наблюдения. Каждый свободен использовать ту модель, которая ему наиболее удобна. Что находится снаружи браны? Тут есть несколько возможностей (рис. 7.19).

1. Снаружи может не быть ничего. Хотя пузырь пара окружен водой, это лишь аналогия, помогающая нам визуализировать происхождение Вселенной. Можно представить себе математическую модель, которая будет просто браной с многомерным пространством внутри, за пределами которой нет абсолютно ничего, даже пустого пространства. Предсказания такой математической модели можно рассчитать без всяких ссылок на то, что снаружи.

2. Можно построить математическую модель, в которой внешняя сторона пузыря будет приклеена к внешней стороне другого пузыря. В действительности эта модель математически эквивалентна описанной выше возможности, что за пределами пузыря ничего нет, но с позиций психологии она имеет отличие: люди чувствуют себя комфортнее, находясь в центре пространства-времени, а не на его краю. Однако для позитивиста возможности 1 и 2 идентичны.

3. Пузырь может расширяться в пространство, которое не является полной копией того, что внутри пузыря. Эта возможность отличается от двух рассмотренных выше и больше похожа на случай кипящей воды. Могут образовываться и расширяться другие пузыри. Их столкновения и слияния с пузырем, на котором живем мы, чревато катастрофическими последствиями. Есть даже предположение, что сам Большой взрыв мог случиться из-за столкновения между бранами.

Подобные этим модели миров на бране — горячая тема научных исследований. Все эти построения в высшей степени гипотетические, но они предполагают новые типы эффектов, которые можно проверить наблюдениями. Они могут объяснить, почему гравитация выглядит столь слабой. В фундаментальной теории она может быть очень сильной, но растекание гравитационного взаимодействия по дополнительным измерениям будет означать его ослабление на больших расстояниях на бране, которую мы населяем.

Голография

Голография сохраняет информацию об области пространства на поверхности, размерность которой на единицу меньше. И это, по-видимому, является свойством гравитации, о чем говорит тот факт, что площадь горизонта событий служит мерой числа внутренних состояний черной дыры. В модели мира на бране голография — это однозначное соответствие между состояниями нашего четырехмерного мира и состояниями более высокой размерности. С позитивистской точки зрения нельзя определить, какое из описаний является более фундаментальным.

Следствием этого будет то, что планковская длина — наименьшее расстояние, которое мы можем изучать, не создавая черных дыр, — окажется намного больше, чем соответствует слабой гравитации на нашей четырехмерной бране. Самая маленькая матрешка может оказаться не такой уж крошечной и быть в пределах досягаемости для будущих ускорителей элементарных частиц. Фактически мы могли бы уже открыть наименьшую матрешку, фундаментальную планковскую длину, если бы США из-за финансового кризиса в 1994 г. не прекратили сооружение сверхпроводящего суперколлайдера SSC (Superconducting Super Collider), который уже был наполовину построен. Сейчас строится другой такой ускоритель — Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadron Collider) в Женеве (рис. 7.20).

Рис. 7.20

Схема размещения в туннеле Большого электрон-позитронного коллайдера LEP существующей инфраструктуры и установок будущего Большого адронного коллайдера LHC. Женева, Швейцария.

Эксперименты на нем и другие наблюдения, такие как измерения фона космического микроволнового излучения, возможно, позволят определить, живем ли мы на бране или нет. Если да, то, предположительно, потому, что антропный принцип выбрал модель бран из огромного паноптикума вселенных, допускаемых М-теорией. Переиначив слова Миранды из шекспировской «Бури», воскликнем:

О дивный браны мир, где существаТакие обитают!

Это и есть мир в ореховой скорлупке.

Краткий перечень результатов, полученных на коллайдере (август 2013):

Вставка из Википедии. Ссылки на результаты указаны в источнике.

Psychedelic — август 2013

• открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,3 ± 0,6 ГэВ

• при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;

• показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;

• обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;

• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;

• получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;

• исследованы события рождения адронных струй;

• подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;

• обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары;

• открыты новые, теоретически предсказанные частицы: , , , ;

• получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;

• объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г.

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

• лёгкие чёрные дыры;

• возбуждённые кварки;

• суперсимметричные частицы;

• лептокварки;

• неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики (например, W'- и Z'-бозоны).

Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче.

Прочие результаты

• Результаты работы эксперимента LHCf, работавшего в первые недели после запуска БАК, показали, что энергетическое распределение фотонов в области от нуля до 3,5 ТэВ плохо описывается программами, моделирующими данный процесс, приводя к расхождениям между реальными и модельными данными в 2–3 раза (для самой высокой энергии фотонов, от 3 до 3,5 ТэВ, все модели дают предсказания, почти на порядок превышающие реальные данные).

• 4 июля 2012 коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125,3 ± 0,6 ГэВ. Характеристики этой частицы довольно точно соответствуют предсказанному ранее бозону Хиггса. Является ли эта частица бозоном Хиггса, остаётся под вопросом.

• 15 ноября 2012 коллаборацией CMS было объявлено о наблюдении частицы Y(4140) с массой 4148,2 ± 2.0 (стат) ± 4,6 (сист) МэВ/c2 (статистическая значимость более 5σ), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г. Наблюдения сделаны в ходе обработки статистики 5,2 фб−1 столкновений протонов на энергии 7 ТэВ. Наблюдаемый распад данной частицы на J/ψ-мезон и Фи-мезон не описывается в рамках Стандартной модели.

Нерешённые проблемы современной физики

Теоретические проблемы

Вставка из Википедии.

Psychedelic — август 2013

Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.