Новая физика рождается на высоте

Со времен Эйнштейна физики пытаются создать единую теорию, которая сможет описать весь существующий мир и все фундаментальные взаимодействия, им управляющие. 

Созданная в 70–80-е годы прошлого века Стандартная модель, возникшая как логическое развитие квантовой теории поля, позволила установить единство и взаимосвязь между тремя известными взаимодействиями (электромагнитным, слабым и сильным), а также упорядочить все известные на тот период времени частицы. Однако эта теория является неполной (в ней, например, нет места для гравитационных взаимодействий, а главное, она содержит более 20 свободных параметров) и, как свидетельствуют результаты астрофизических исследований, не может объяснить целый ряд явлений, приведших к появлению таких понятий, как темная материя и темная энергия.

Сейчас наиболее разработанным кандидатом на роль единой теории является М-теория, в которой фундаментальные частицы рассматриваются как микроскопические, но протяженные струны в значительно более многомерном пространстве, нежели рассматривал Эйнштейн (возможно, 11-мерном). Эти частицы и дополнительные измерения должны проявляться на очень малых расстояниях или (что то же самое с квантовой точки зрения) при очень высоких энергиях, которых пока невозможно достигнуть на существующих ускорителях, включая самый мощный Большой адронный коллайдер. Однако такие частицы сверхвысоких энергий есть в составе космических лучей, обнаруженных 100 лет тому назад. Более того, они постоянно бомбардируют Землю из далекого космоса, а высокогорные районы с их разреженной атмосферой лучше всего подходят для развертывания регистрирующих установок.

Об этом, в частности, говорилось на III Международном семинаре по космическим лучам, прошедшем около месяца назад в Душанбе и собравшем физиков-ядерщиков из разных стран. Семинары по этой тематике проводятся регулярно, но последний отличался тем, что состоялся после посещения в июле этого года российско-таджикской делегацией обсерватории космических лучей Чакалтая в Боливии. Важность поездки заключалась в достижении договоренности о во­зо­б­новлении совместных исследований в рамках эксперимента «Памир-Чакалтая», начатых в 80-х годах прошлого века и затормозившихся после распада СССР.

Деятельность центра «Памир-Чакалтая» в Таджикистане заключается в исследованиях преимущественно в урочище Ак-Архар. Эти высокогорные эксперименты очень перспективны, поскольку позволяют проводить изучение всей области фрагментации сталкивающихся частиц, недоступной для экспериментов на коллайдерах, сооружение которых к тому же обходится на несколько порядков дороже, чем использование «природного ускорителя» в высокогорье.

«Убежденность в том, что мы стоим на пороге перехода к новой физике, уже сформировалась в научных кругах, которые занимаются физикой высоких энергий, – объяснил нам суть предстоящих перемен профессор Олег Далькаров. – Стандартная модель, безусловно, многое описывает – это очень хорошая параметризация существующих явлений, но…»

Так уже неоднократно случалось в истории – взять, к примеру, теорию эфира или еще более древние времена, когда были теории теплорода или флогистона, которыми, казалось бы, все объяснялось. Но потом появился Людвиг Больцман и оказалось, что все не так, что мир устроен принципиально по-другому. Нечто подобное может произойти и сейчас. Несмотря на то что Стандартная модель очень многое хорошо формализует, физическая природа этих параметров совершенно непонятна. А это означает, что в самой модели уже таится то несоответствие, тот срыв, который возможен в самое ближайшее время. Тем более что сейчас ускорители уже подошли к энергиям, которые существовали в самые первые микросекунды после Большого взрыва. То есть мы прикасаемся к тому миру, в котором окружающее нас вещество было устроено по-другому.

Убежденность, что мы стоим на пороге перехода к новой физике, уже сформировалась

Что такое космические лучи? По сути, мы имеем дело с природным ускорителем частиц. Да, их немного, но они есть, и за время наблюдений можно накопить экспериментальный материал. В качестве примера можно привести удивительное явление выстроенности, которое было обнаружено в ходе эксперимента «Памир-Чакалтая». Оно свидетельствует о том, что частицы сверхвысоких энергий, начиная с 10 в 16-й степени эВ и выше, обладают странным свойством – выстраиваются в одной плоскости. Почему-то с ростом энергии размерность пространства в каком-то смысле сокращается.

По современным представлениям, мы живем в четырехмерном пространстве – три пространственные координаты и время. Но в действительности, если проследить нашу историю до Большого взрыва, то ни из одной теоремы не следует, что количество координат постоянно. Наоборот, резонно предположить, что пространственные координаты включались по мере того, как изменялась плотность энергии после Большого взрыва.

Вначале, когда начальная масса соответствовала массе Вселенной, время было равно нулю. Поэтому не исключается, что и другие координаты также равнялись нулю. Из выброшенной в космос энергии последовательно включались пространственные координаты, то есть наблюдаемая выстроенность может быть обусловлена тем, что при таких энергиях само пространство двумерно.

Планируемые в высокогорье исследования дадут возможность заглянуть немножко дальше, чем позволяют современные ускорители. Очень важно с самого начала правильно и нестандартно поставить экспериментальные работы, что позволило бы прийти к неожиданным и интересным результатам. Эксперимент должен быть построен так, чтобы были видны необычные явления, к примеру выстроенность. То есть те, которые наблюдаются в космических лучах и не имеют удовлетворительного объяснения в рамках современных теорий. Накопление необычных данных обязательно приведет к появлению новой теории, это дело ближайшего будущего, убежден профессор Далькаров.

Похоже, скоростные перелеты к звездам предстанут не такой уж фантастикой, если мы сами научимся сужать, «сплющивать» пространство, обходясь даже без аннигиляционного варп-двигателя искривления пространства, над которым сейчас работает группа из NASA.

Исследования космических лучей высоких энергий проводятся в нескольких высокогорных районах земного шара. Самая крупная станция находится в Тибете, в 80 км от Лхасы, на высоте 4300 метров. Главную роль там играли японцы, в конце прошлого века туда пришли итальянцы. Сейчас китайцы ищут новое место в Тибете для создания комплексной установки, похожей на ту, к развертыванию которой приступили на Памире.

В ходе семинара не раз прозвучало название «Памир – ХХI век». Новому проекту всегда хочется дать наиболее броское имя: как корабль назовешь, так он и поплывет. Кстати, в июле этого года в Рио-де-Жанейро состоялась большая международная конференция по космическим лучам, в которой участ­вовали более 1000 ученых, в том числе казахстанские.

Источник: forbes.kz