Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Looking for Evidence in the Cosmic Laboratory: Exploring the Universe

Поиск доказательств в космической лаборатории: Исследование вселенной

Проблема с проведением экспериментов в теории струн заключается в том, что для достижения уровня, на котором перестают работать Стандартная модель и общая относительность, требуются громадные количества энергии.

Хотя в следующей секции я обращаюсь к искусственным попыткам исследования этой области, здесь я рассматриваю различные направления, в которых движется струнная космология, пытаясь заглянуть в собственную лабораторию природы, вселенную в целом, чтобы найти те доказательства, которые необходимы последователям теории струн для проверки своих теорий.

Использование космических лучей для увеличения маленьких событий

Среди разнообразных явлений во вселенной есть два вида, которые производят большие объёмы энергии и могут способствовать некоторому пониманию теории струн: гамма-всплески (ГВ) и космические лучи.

Некоторые физические явления сложно увидеть из-за того, что они

• очень редкие (подобно, вероятно, распаду протона)

• очень маленькие (как события масштабов шкалы Планка или возможные отклонения гравитационных эффектов)

• происходят только при очень больших уровнях энергии (подобно высокоэнергетическим столкновениям частиц)

Или события делают трудно наблюдаемыми некие комбинации этих трёх причин.

Вряд ли учёные смогут наблюдать эти невероятные явления в лабораториях на Земле, по крайней мере для этого потребуется много работы, так что время от времени они осматривают места, в которых они скорее всего могли бы их обнаружить.

Так как и ГВ, и космические лучи содержат большое количество энергии, и требуется очень много времени, чтобы они достигли нас, учёные надеются, что смогут наблюдать за этими трудноуловимыми событиями при помощи изучения космических происшествий.

В течение многих лет физики использовали этот метод для исследования потенциальных неувязок в специальной теории относительности, однако итальянский физик Джованни Амелино-Камелиа из Римского университета в середине 90-х понял, что этот процесс может быть использован и для исследования масштабов планковской длины (и энергии).

Гамма-всплески

То, что в точности является причиной гамма-вспышек, ещё обсуждается, но, как кажется, они образуются, когда массивные объекты, такие как пара нейтронных звёзд или нейтронная звезда и чёрная дыра (самые правдоподобные теории), сталкиваются друг с другом.

Эти объекты вращаются вокруг друг друга в течение миллиардов лет, но в конце концов соударяются, выпуская энергию в самых сильнодействующих явлениях, наблюдаемых во вселенной, изображённых на рис. 12-1.

Рисунок 12-1: Когда некоторые звёзды умирают, они испускают массивные вспышки энергии.

Название "гамма-всплески" ясно подразумевает, что большая часть этой энергии покидает место происшествия в форме гамма-лучей, но так происходит не со всей энергией.

Эти объекты испускают вспышки света в целом диапазоне энергий различного уровня (или частот - энергия и частота фотонов связаны).

Согласно Эйнштейну, все фотоны из одной вспышки должны прибывать в одно и то же время, так как свет (независимо от частоты или энергии) движется с одной скоростью.

При помощи изучения ГВ, возможно, удастся сказать, правда ли это.

Расчёты, основанные на работе Амелино-Камелиа, показали, что фотоны от различной энергии, которые путешествуют миллиарды лет, могут, из-за (оценочно и, возможно, слишком оптимистично) эффектов квантовой гравитации на масштабах Планка, иметь разницу примерно в одну тысячную секунды (0.001 с.).

Космический гамма-телескоп Ферми (ранее Космический гамма-телескоп для больших пространств, или GLAST) был запущен в июне 2008 г. как совместный проект НАСА, Министерства энергетики США и правительственных агентств Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции.

Ферми - это обсерватория на низкой околоземной орбите, обладающая точностью, необходимой для обнаружения даже небольших деталей.

До сих пор нет доказательств того, что Ферми распознал нарушения общей относительности на масштабах Планка.

На сегодняшний день он обнаружил дюжину гамма-пульсаров - явление, которое до появления Ферми никогда не наблюдалось.

(До Ферми полагалось, что пульсары - вращающиеся нейтронные звёзды с сильным магнитным полем, которые испускают энергию импульсами - излучали энергию в основном через радиоволны.)

Если Ферми (или какие-либо другие средства) действительно отметят нарушения относительности на масштабах Планка, то тогда потребность в успешной теории квантовой гравитации только возрастёт, так как это будет первым экспериментальным свидетельством того, что теория на самом деле перестаёт работать на этих масштабах.

Последователи теории струн тогда могли бы включить эти знания в свои теории и модели, возможно, уменьшив этим ландшафт теории струн до таких пределов, работа с которыми более правдоподобна.

Космические лучи

Космические лучи образуются, когда частицы, выпущенные при астрофизических явлениях, скитаются в одиночестве по вселенной, при этом некоторые из них передвигаются со скоростью, близкой к скорости света.

Некоторые остаются задержанными в галактическом магнитном поле, в то время как другие вырываются и странствуют между галактиками, двигаясь миллиарды лет, прежде чем столкнуться с другой частицей.

Эти космические лучи могут быть мощнее, чем наши самые совершенные ускорители частиц.

Прежде всего, космические лучи - на самом деле не лучи.

Это блуждающие частицы по большей части трёх форм: 90 процентов - свободные протоны, 9 процентов - альфа-частицы (два протона и два нейтрона, скреплённые вместе - ядра атомов гелия), и 1 процент - свободные электроны (бета-минус-частицы на языке физиков).

Астрофизические явления - всё от солнечных вспышек до столкновений двойных звёзд со сверхновой - регулярно излучают частицы в вакуум космоса, так что наша планета (и, в свою очередь, наши тела) постоянно подвергается бомбардировке ими.

Частицы могут странствовать по всей галактике, удерживаемые магнитным полем галактики в целом, до тех пор, пока не столкнутся с другой частицей.

(Частицы с большим количеством энергии, конечно, могут даже покинуть галактику.)

К счастью для нас, атмосфера и магнитное поле Земли защищает нас от самых активных из этих частиц, так что мы не подвергаемся непрерывному облучению большими (и смертельными) дозами радиации.

Энергетические частицы отражаются или теряют энергию, иногда сталкиваясь в верхних слоях атмосферы, расщепляясь при этом на более маленькие частицы с меньшей энергией.

Когда они достигают нас, мы подвергаемся атаке уже менее интенсивной версии этих лучей и их потомков.

Космические лучи имеют долгую историю в качестве экспериментального заменителя.

Когда Поль Дирак в 30-х годах XIX века предположил существование антивещества, ни один из ускорителей частиц не смог достичь необходимого уровня энергии, так что экспериментальное доказательство его существования возникло благодаря космическим лучам.

Когда частицы космических лучей двигаются сквозь пространство, они взаимодействуют с космическим микроволновым фоновым излучением (КМФИ).

Эта микроволновая энергия, которая пронизывает вселенную, довольно слаба, но для частиц космических лучей, движущихся почти со скоростью света, энергия КМФИ становится высокой.

(Это релятивистский эффект, так-как энергия связана с движением.)

В 1966 г. советские физики Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин, так же как и независимо от них Кеннет Грайзен из Корнелльского университета, обнаружили, что энергии этих столкновений было бы достаточно для создания частиц, называемых мезонами (а именно пи-мезонами, или пионами).

Энергия, используемая для создания пионов, должна откуда-то возникнуть (из-за принципа сохранения энергии), так что космические лучи теряли бы энергию.

Этот факт установил верхнюю границу того, как быстро космические лучи могут, в принципе, перемещаться.

По сути, предельная энергия ГЗК, необходимая для образования пионов, должна быть примерно равна 10^19 эВ (около одной миллиардной от энергии Планка, равной 10^19 ГэВ).

Проблема в том, что в то время как большинство частиц космических лучей находится значительно ниже этого порога, в некоторых очень редких случаях их энергия выше порога - около 10^20 эВ.

Самое известное из таких наблюдений было сделано в 1991 г. в обсерватории для исследования космических лучей Университета Юты "Глаз мухи" на территории Дагуэй Провинг Граунд, принадлежащей армии США.

С тех пор исследования показывают, что предел ГЗК действительно существует.

Редкое появление частиц с энергией выше предела является отражением того факта, что, крайне редко, эти частицы достигают Земли до того, как они вступят в контакт с достаточным количеством фотонов КМФИ, чтобы замедлиться до предельной точки.

Эти наблюдения противоречат японскому проекту "Система гигантских атмосферных ливней Акено" (AGASA), который отмечает примерно в десять раз больше подобных событий.

Результаты AGASA подразумевают потенциальный провал концепции этого предела, следствием которого могли бы стать нарушения в теории относительности, однако данные изыскания снижают вероятность такого толкования.

И всё же только случайное наличие таких энергетических частиц предоставляет возможность для исследования этих диапазонов энергии, находящихся значительно выше того, что могут достичь современные ускорители частиц, так что у теории струн, возможно, есть шанс для экспериментальной проверки с использованием высокоэнергетических космических лучей, даже если они невероятно редки.

Анализ тёмной материи и тёмной энергии

Ещё одна астрономическая возможность получения результатов в поддержку теории струн возникает из двух главных загадок вселенной: тёмной материи и тёмной энергии.

Эти понятия подробно обсуждаются в главах 9 и 14.

Самый очевидный способ, которым тёмная материя могла бы помочь теории струн - если бы обнаружилось, что тёмная материя на самом деле состоит из суперсимметричных частиц, таких как фотино (суперпартнёр фотона) и других возможных частиц.

Другой возможностью для тёмной материи является теоретическая частица, названная аксионом, первоначально возникшая вне теории струн как средство сохранения отношений симметрии в квантовой хромодинамике.

Многие теории струн содержат аксион, так что это также может быть возможным, хотя на самом деле предполагаемые свойства не совпадают с теми, которые ищут космологи.

Некоторые из самых значимых работ в космологии и астрофизике сегодня посвящены попыткам обнаружить тёмную материю, и кажется, что во вселенной её должно быть довольно много.

Так что есть некая надежда, что физики преуспеют в исследовании тёмной материи в обозримом будущем.

Обнаружение космических суперструн

Космические струны (которые в данном случае не одно и то же с фундаментальными суперструнами теории струн) первоначально были предложены в 1976 г. Томом Кибблом из Имперского колледжа Лондона, предположившим, что после большого взрыва, пока вселенная проходила через фазу быстрого охлаждения, могли остаться дефекты.

Эти дефекты в квантовых полях похожи на то, когда вы быстро замораживаете воду в лёд, образуя при этом белую субстанцию, полную изъянов.

В течение 80-х годов XIX века некоторые учёные считали, что космические струны могли быть исходным материалом для галактик, однако данные КМФИ не подтвердили, что это так.

Годы спустя теория струн воскресит представление о космических струнах в новой форме.

Согласно некоторым моделям теории струн, суперструны, созданные в большом взрыве, могли расширяться вместе с самой вселенной, образуя космические суперструны.

Альтернативное объяснение описывает эти космические суперструны как следы от столкновения двух бран.

Космические суперструны должны быть невероятно плотными объектами.

Уже, чем протон, единственный метр космической суперструны может весить примерно как Северная Америка.

Вибрируя в пространстве, они могут порождать мощные гравитационные волны, покрывающие рябью пространство-время.

Единственный способ увидеть космические суперструны - через гравитационную линзу, в которой притяжение струн искривляет свет звёзд так, как показано на рис. 12-2.

Это могло бы значить, что мы видим одну звезду в двух различных положениях, одинаково ярких.

Рисунок 12-2: Притяжение космической суперструны может искривлять свет от звезды.

Согласно Джо Польчински, лучший способ поиска космических струн - наблюдение за пульсарами (такими, как те, что обнаруживает Ферми, как упоминалось ранее в этой главе).

Пульсары подобны вращающимся астрономическим маякам, регулярно выпускающим лучи электромагнитного излучения во вселенную, поведение которых следует установленному образцу.

Гравитация космических суперструн могла бы создать рябь в пространстве-времени, так изменяющую этот образец, что это возможно обнаружить здесь на Земле.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145416

Переводчики: ilves_ArtO