Мичио Каку
Паралелни светове (11)

9
В търсене на ехото от единадесетото измерение

„Необикновените твърдения изискват необикновени доказателства.“

Карл Сейгън

Колкото и примамливи да ни се струват, паралелните вселени, порталите към други измерения и дупките-червеи се нуждаят от неоспорими доказателства за съществуването си. Както отбелязва астрономът Кен Кросуел, „другите вселени могат да те опиянят — можеш да кажеш каквото си поискаш за тях и никой не може да ти възрази, защото никой не ги е виждал“^[1]. В миналото проверката на много от тези хипотези изглеждаше невъзможна поради примитивната ни експериментална апаратура. В последно време обаче развитието на компютърната техника, лазерите и спътниковите технологии поставиха много от теориите на крачка от експерименталната проверка.

Пряката проверка на тези идеи може да се окаже изключително трудна, но в някои случаи косвената е по силите ни. Понякога забравяме, че огромна част от астрономическото познание се получава непряко. Например никой не е стъпвал на Слънцето или звездите, но въпреки това научаваме от какво са съставени чрез проучване на излъчваната от тях светлина. Благодарение на спектралния анализ ние научаваме косвено, че звездите съдържат предимно водород и известно количество хелий. По същия начин никой не е виждал черна дупка — всъщност черните дупки са невидими и не могат да се наблюдават пряко. Въпреки това получаваме данни за съществуването им, като търсим акреционните им дискове и изчисляваме масата на тези мъртви звезди.

При всички тези експерименти ние търсим „ехото“ от звезди и черни дупки, за да определим естеството им. По същия начин единадесетото измерение може и да е недостижимо за нас, но все пак разполагаме с начини да проверим инфлационната и суперструнната теория. И всичко това — благодарение на революционния нов инструментариум, с който разполагаме.

GPS и теорията на относителността

Най-простият пример за това как сателитите революционизираха изследванията в областта на теорията на относителността е системата за глобално позициониране (Global Positioning System). Двадесет и четири сателита обикалят Земята и излъчват точни синхронизирани импулси, които позволяват триангулирането на определена точка на повърхността на планетата с изключителна точност. GPS се превърна в неделима част от навигацията, търговията и военното дело. Много устройства — от компютризираните карти в автомобилите до крилатите ракети — зависят от способността да се синхронизират сигналите в рамките на една 50-милиардна от секундата и да се локализира обект на Земята в рамките на 13 м.^[2] Но за да гарантират подобна невероятна точност, учените трябва да изчислят малките корекции в Нютоновите закони с оглед на теорията на относителността, според която радиосигналите леко ще изместят честотите си заради движението на сателитите в космоса.^[3] Всъщност ако направим глупостта да не отчетем корекциите спрямо теорията на относителността, часовниците Ha GPS ще избързват всеки ден с 40 000 милиардни от секундата и цялата система ще стане безполезна. Ето защо теорията на относителността е жизненоважна за търговията и военните. Физикът Клифърд Уил, който навремето запозна един генерал от Военновъздушните сили с така важните корекции в системата с оглед теорията на Айнщайн, веднъж отбеляза, че теорията на относителността е достигнала възраст, при която се налага да бъде известна дори на висшите служители от Пентагона.

Детектори на гравитационни вълни

Засега почти цялата информация в астрономията пристига под формата на електромагнитно лъчение, независимо дали става дума за звездна светлина или за микровълнови сигнали. Днес учените започват да използват първото ново средство за научни открития — самата гравитация. „Всеки път, когато поглеждаме към небето по нов начин, ние виждаме друга вселена“^[4], казва директорът на проекта за детектори на гравитационни вълни Гари Сандърс от „Кал Тек“.

Самият Айнщайн за първи път предполага за съществуването на гравитационни вълни през 1916 г. Да вземем примера, който разглеждахме по-рано — какво ще стане, ако Слънцето изчезне. Спомнете си аналогията с топката за боулинг върху матрак. Ако топката внезапно се махне, матракът незабавно ще се върне в първоначалното си положение, създавайки ударни вълни, които са разпространяват концентрично по него. Ако заместим топката за боулинг със Слънцето ще видим, че тези вълни пътуват с определена скорост — скоростта на светлината.

Макар че по-късно Айнщайн намерил точно решение на уравненията си, което позволява съществуването на гравитационни вълни, той нямал никаква надежда, че предположението му може да бъде проверено, докато е жив. Гравитационните вълни са изключително слаби. Дори ударните вълни от сблъскващи се звезди не са достатъчно мощни, за да се измерят експериментално.

Днес гравитационните вълни се регистрират единствено косвено. Физиците Ръсел Хълс и Джоузеф Тейлър Младши стигнаха до заключението, че ако анализираме двойна система от неутронни звезди, то всяка от тях ще излъчва поток от гравитационни вълни, подобни на следите в гъста меласа, тъй като орбитите им бавно се разпадат. Те анализираха смъртната спирала на PR 1913+16, разположени на около 16 000 светлинни години от нас. Двете звезди от системата обикалят една около друга за 7 ч и 45 мин, като при това излъчват гравитация в околното пространство.

С помощта на теорията на Айнщайн учените откриха, че двете звезди би трябвало да се приближават с по един милиметър при всяко завъртане. Въпреки че това е фантастично малко, за една година сближаването е около метър и разстоянието между двете звезди от 700 000 км бавно намалява. Трудът им показа, че системата се разпада точно според предсказанията на теорията на Айнщайн на основата на гравитационните вълни. (Всъщност уравненията на Айнщайн сочат, че двете звезди ще се сблъскат след 240 милиона години поради загубата на енергия, излъчена в околното пространство под формата на гравитационни вълни.) За труда си двамата спечелиха Нобелова награда през 1993 г.^[5]

Можем също да се върнем назад и да използваме този прецизен експеримент, за да измерим точността на самата обща теория на относителността. По този начин можем да открием, че точността на теорията е най-малко 99,7 процента.

Детектор на гравитационни вълни LIGO

За да извлечем годна за използване информация за ранната вселена, трябва да наблюдаваме гравитационните вълни не косвено, а пряко. През 2003 г. заработи първият детектор на гравитационни вълни LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и най-сетне осъществи старата от десетилетия мечта за изследване на тайните на вселената с помощта на гравитацията. Целта на LIGO е да регистрира събития, които са прекалено далечни или слаби, за да се уловят от обикновените телескопи — като сблъскващи се черни дупки или неутронни звезди.

LIGO представлява две огромни лазерни установки — в Ханфорд, Вашингтон, и в Ливингстън Периш, Луизиана. Всяка от тях разполага с две тръби с дължина 4 км, образуващи огромна Г-образна инсталация. Във всяка от тях се пуска лазер. На свръзката между тръбите двата лъча се сблъскват и вълните им влизат в интерференция помежду си. Когато и най-малката гравитационна вълна от сблъскващи се черни дупки или неутронни звезди достигне апарата, едната от тръбите се свива и изправя по различен начин от другата. Това е достатъчно, за да наруши деликатната интерференция между лазерите. В резултат на това вместо да се анулират, двата лъча създават характерна вълнообразна интерференция, която може да се анализира детайлно с помощта на компютър. Колкото по-силна е гравитационната вълна, толкова по-голямо е несъответствието между двата лазерни лъча и интерференцията.

LIGO е истинско инженерно чудо. Тъй като молекулите на въздуха могат да абсорбират лазерната светлина, тръбите трябва да бъдат обезвъздушени до една трилионна от атмосферното налягане. Всеки детектор е с обем 8500 куб. м, което прави установката най-големият изкуствен вакуум на света. Огромната чувствителност на LIGO се дължи отчасти на дизайна на огледалата, които се контролират от шест магнита, всеки от които е с размерите на мравка. Самите огледала са толкова добре полирани, че точността им е до една 75 милиардна от сантиметъра. „Представете си, че Земята е толкова гладка. Тогава средната височина на планините няма да надхвърля 2,5 см“^[6], казва Гари Лин Билигнси, който се грижи за огледалата. Те са толкова деликатни, че могат да се придвижват с по-малко от една милионна от метъра, което ги прави може би най-чувствителните в света. „Повечето инженери зяпват, като чуят какво се опитваме да правим“^[7], казва ученият Майкъл Цукер.

Поради невероятно прецизното си балансиране LIGO понякога страда от леки нежелателни вибрации с най-невероятен произход. Детекторът в Луизиана например не може да работи през деня заради дървосекачите, които работят на 450 м разстояние от него. (Уредът е толкова прецизен, че не би могъл да работи през деня дори ако разстоянието бе три-четири пъти по-голямо.) Дори нощем вибрациите от минаващите товарни влакове в полунощ и 6:00 сутринта ограничават работното му време.

Дори такива слаби неща като разбиващите се на километри оттук океански вълни могат да се отразят на резултатите. Вълните достигат бреговете на Северна Америка средно на всеки 6 сек и това създава тътен, който може да се засече от лазерите. Честотата на шума е толкова ниска, че прониква през земята. „Усеща се като грохот — обяснява Цукер. — Създава страхотно главоболие по време на сезона на бурите.“^[8] LIGO долавя също лунната и слънчевата гравитация, които създават приливни вълни с височина няколко милионни от милиметъра.

За да се елиминират всички тези невъобразимо малки шумове, инженерите на LIGO са направили всичко по силите си да изолират апарата. Всяка от лазерните системи е разположена върху огромни стоманени платформи, наредени една върху друга и разделени от ресори, поемащи всички трептения. Чувствителните оптични инструменти имат свои собствени системи за сеизмична изолация. Подът представлява дебела 75-сантиметрова бетонна плоча, която не е свързана със стените.^[9]

LIGO е част от международен консорциум, в който влиза и френско-италианският детектор VIRGO в Пиза, Италия, японският детектор TAMA недалеч от Токио и британско-германският GEO 600 в Хановер, Германия. Крайната цена на детектора ще бъде 292 милиона долара (плюс още 80 милиона за подготовка за влизане в действие и за подобрения), което го прави най-скъпият проект, финансиран някога от Националната фондация за наука.^[10]

Но дори с подобна чувствителност мнозина учени смятат, че LIGO няма да бъде достатъчно добър, за да долови наистина интересни събития, докато работи. Следващото подобрение на детектора — LIGO II — ще бъде направено през 2007 г., стига да се отпуснат необходимите средства. Ако LIGO не може да долови гравитационни вълни, залозите са в полза на LIGO II. Кенет Либрехт твърди, че новите подобрения ще подобрят прага на чувствителност на инструментите: „Така вместо да засичаме по едно събитие на десет години — което е доста неприятно — ще можем да улавяме сигнали на всеки три дни, което е далеч по-приемливо.“^[11]

За да засече с помощта на LIGO сблъсък на две черни дупки в радиус от 300 милиона светлинни години, ученият би могъл да чака от една до хиляда години. Мнозина астрономи биха размислили дали да се заемат с подобно изследване при положение, че свидетели на събитието могат да се окажат техните прапрапраправнуци. Но както казва Питър Соулсън, „на хората им доставя удоволствие да решават подобни технически предизвикателства — също както средновековните строители на катедрали, които продължавали да работят макар да знаели, че може и да не доживеят да видят готовата постройка. Но все пак, ако нямаше поне мъничък шанс да видя гравитационна вълна приживе, нямаше да работя това. Това не е просто Нобелова треска… Искаме работата ни да се запомни и с нивото на точност, към което се стремим. Ако успеем, значи сме си свършили работата“^[12]. С LIGO II имаме много по-големи шансове още приживе да открием наистина интересно събитие. LIGO II ще бъде в състояние да открие сблъскващи се черни дупки в радиус от 6 милиарда светлинни години с честота от десет на ден до десет на година.^[13]

Но дори LIGO II няма да бъде достатъчно мощен, за да засече гравитационни вълни от момента на сътворението. За целта ще трябва да чакаме появата на LISA след петнадесет или двадесет години.

Детектор на гравитационни вълни LISA

LISA (Laser Interferometry Space Antenna) е следващото поколение детектори на гравитационни вълни. За разлика от LIGO, тя ще се намира в космоса. Към 2010 г. NASA и Европейската космическа агенция планират да изведат в космоса три сателита, които ще обикалят около Слънцето на около 45 милиона км от Земята. Трите лазерни детектора ще образуват равностранен триъгълник (със страна 5 милиона км). Всеки сателит ще има по два лазера, което ще му позволява да се намира в непрекъснат контакт с другите два. Въпреки че мощността на лазерните лъчи ще бъде само половин ват, оптиката ще бъде толкова чувствителна, че ще може да регистрира вибрации от гравитационни вълни с точност едно на милиард трилиона (съответстващо на отклонение от една стотна от ширината на атом). LISA би трябвало да улавя гравитационни вълни от разстояние 9 милиарда светлинни години, което покрива по-голямата част от видимата вселена.

LISA ще бъде толкова прецизна, че ще е в състояние да улови ударните вълни от самия Голям взрив. Това ще ни даде най-точната засега картина на момента на сътворението. Ако всичко върви по план, LISA би трябвало да впери поглед в първата трилионна от секундата след Големия взрив, което я прави може би най-мощният космически инструмент.^[14] Смята се, че LISA ще ни осигури първите експериментални данни за същината на общата теория на полето — „теорията на всичкото“.

Друга важна цел на LISA е да осигури „коз“ за рязкото разширяване на вселената. Засега инфлационната теория е в съответствие с всички космологични данни (като плоскостта, флуктуациите в космическото фоново лъчение и т.н.), но това не означава, че е вярна. За да я потвърдят окончателно, учените ще трябва да проучат гравитационните вълни, които са излъчени от самия процес на инфлация. „Пръстеният отпечатък“ на гравитационните вълни в момента на Големия взрив би трябвало да ни покажат разликата между инфлационната и която и да било друга конкурентна теория. Някои учени като Кип Торн от „Кал Тек“ смятат, че LISA може да успее да определи дали някоя от версиите на струнната теория не е вярна. Както обясних в 7 глава, теорията за инфлационна вселена предсказва, че гравитационните вълни от Големия взрив би трябвало да са изключително мощни, за да съответстват на бързото и експоненциално разширяване на ранната вселена. Същевременно екпиротичният модел предрича много по-бавно разширяване, съпътствано с далеч по-плавни гравитационни вълни. LISA би трябвало да отхвърли различните съперничещи си теории за Големия взрив и да ни подложи на решителна проверка струнната теория.

Лещите и пръстените на Айнщайн

Още по-мощно средство за изследване на космоса са гравитационните лещи и „пръстените на Айнщайн“. Още през 1801 г. берлинският астроном Йохан Георг фон Золднер успял да изчисли възможното пречупване на звездната светлина от гравитацията на Слънцето (Золднер обаче използвал аргументите на Нютон и резултатът му се отклонявал двойно от реалния. „Половината от това пречупване се получава от Нютоновото поле на слънчевото притегляне, а другата половина — от геометричната модификация («изкривяване») на пространството, предизвикана от Слънцето“^[15], пише Айнщайн).

През 1912 г., още преди да завърши окончателната версия на общата теория на относителността, Айнщайн разглежда идеята това пречупване да се използва като „леща“ — на същия принцип, по който действат и лещите на очилата ви. През 1936 г. чешкият инженер Руди Мандел писал на Айнщайн и го попитал дали гравитационните лещи биха могли да увеличат светлината от близка звезда. Отговорът бил положителен, но тогавашното ниво на техниката не било в състояние да регистрира явлението.

Айнщайн също се досетил, че можем да станем свидетели на оптични илюзии като двоен образ на едно и също тяло или подобно на пръстен изкривяване на светлината. Например при преминаването си покрай Слънцето светлината от някоя много отдалечена галактика ще мине от лявата и от дясната му страна, преди лъчите да се съединят и да достигнат до окото ни. При наблюдението на далечни галактики би трябвало да видим пръстеновиден образ — оптична илюзия, причинена от общата теория на относителността. Айнщайн стигнал до заключението, че „няма голяма надежда да наблюдаваме пряко феномена“ и добавил, че всичко това „няма особена стойност, но поне прави бедния [Мандел] щастлив“^[16].

През 1979 г., след повече от четиридесет години, Денис Уолш от обсерваторията „Джордъл Банк“ в Англия наблюдава квазара Q0957+561 и откри първото частично доказателство за ефекта.^[17] През 1988 г. бе наблюдаван първият пръстен на Айнщайн от радиоизточника MG1131+0456. През 1997 г. космическият телескоп „Хъбъл“ и английският радиотелескоп MERLIN уловиха първия напълно кръгъл пръстен на Айнщайн, докато анализираха далечната галактика 1938+666, с което за пореден път потвърдиха теорията на Айнщайн. (Пръстенът е съвсем малък — само една дъгова секунда, или грубо с големината на дребна монета, наблюдавана от километър и половина.) Ето как описват астрономите вълнението, което изпитаха от това историческо събитие. „На пръв поглед приличаше на артефакт и решихме, че е някакъв дефект на образа. Едва после си дадохме сметка, че наблюдаваме идеален пръстен на Айнщайн!“^[18], споделя Иън Браун от университета в Манчестър. Днес пръстените на Айнщайн са мощно оръжие в арсенала на астрофизиците. Досега в дълбокия Космос са наблюдавани около 64 двойни, тройни и множествени квазари (оптични илюзии) или грубо по един на всеки 500 квазара.

Чрез анализа на пречупването на светлината могат да се „видят“ дори невидимите форми на материята. Така могат да се съставят „карти“, показващи разпределението на тъмната материя във вселената. Тъй като гравитационните лещи изкривяват галактичните купове, създавайки големи дъги (вместо пръстени), възможно е да се изчисли концентрацията на тъмна материя в тях. През 1986 г. астрономите от Националната оптическа обсерватория към Станфордския университет и от Среднопиренейската обсерватория във Франция откриха първите огромни галактични дъги. Оттогава бяха наблюдавани около сто други, като най-величествената е в галактическия куп Abell 2218.^[19]

Лещите на Айнщайн могат да се използват и като независим метод за измерване на количеството MACHO във вселената (които се състоят от обикновена материя като мъртви звезди, кафяви джуджета и междузвезден прах). През 1986 г. Богдан Пачински от Принстън се сети, че ако MACHO мине пред някоя звезда, ще увеличи яркостта й и ще създаде неин втори образ.

В началото на 90-те няколко научни екипа (сред които френският EROS, американско-австралийският MACHO и полско-американският OGLE) приложиха този метод към центъра на Млечния път и откриха над 500 микрооптични пречупвания (повече от очакваното, защото част от тази материя представлява звезди с малка маса и обекти, които не са истински MACHO). Същият метод може да се използва за откриване на екстрасоларни планети. Тъй като планетата ще упражнява слаб, но въпреки това доловим гравитационен ефект върху звездата, около която кръжи, гравитационната леща би трябвало по принцип да е в състояние да го регистрира. Благодарение на този метод вече бяха идентифицирани няколко кандидата за екстрасоларни планети, някои от които се намират недалеч от центъра на галактиката.

С помощта на лещата на Айнщайн може да се измери дори константата на Хъбъл и космологичната константа. Константата на Хъбъл се мери чрез едно много фино наблюдение. Яркостта на квазарите се засилва и отслабва периодично. Би трябвало да се очаква, че двойните квазари, които са образи на едно и също тяло, ще променят светенето си в унисон. Оказва се, че това не е точно така. С помощта на известното разпределение на материята учените могат да изчислят забавянето, разделено на необходимото на светлината време да достигне до Земята. Чрез измерване на забавянето в промяната на яркостта на двойните квазари може да се изчисли разстоянието до тях. Щом се знае какво е червеното отместване, може да се изчисли и константата на Хъбъл. (Този метод бе приложен към квазара Q0957+561 и се оказа, че се намира на приблизително 14 милиарда светлинни години от Земята. След това константата на Хъбъл бе измерена и чрез анализа на още седем други квазара. Като се имат предвид допустимите грешки, резултатите са съвместими с известните дотогава стойности. Интересното в случая е, че този метод е напълно независим от яркостта на звезди като цефеидите и свръхновите от тип Ia, което означава и независима проверка на предишните резултати.)

Космологичната константа, от която може би зависи бъдещето на нашата вселена, също може да се измери чрез този метод. Изчисленията са малко груби, но резултатите също се съгласуват с получените по друг начин. Тъй като общият обем на вселената преди милиарди години е бил по-малък, вероятността да се намерят образуващи леща на Айнщайн квазари е била по-голяма. Така чрез преброяването на двойните квазари през различните етапи от еволюцията на вселената грубо може да се изчисли нейния обем и оттук — космологичната константа, която е причина за разширяването й. През 1998 г. астрономи от Харвард-Смитсъновия център по астрофизика направиха изчисленията на космологичната константа и стигнаха до заключението, че тя по всяка вероятност се определя от не повече от 62 процента от общото съдържание на материята и енергията във вселената. (Според WMAP резултатът е 73 процента.)^[20]

Тъмната материя във вашата стая

Ако наистина изпълва вселената, тъмната материя не съществува единствено в студения вакуум на междузвездното пространство. Всъщност би трябвало да я има дори в собствената ви стая. Днес редица изследователски екипи се състезават кой пръв ще открие частица тъмна материя в лабораторни условия. Залозите са много високи. Екипът, успял да изолира подобна частица с детекторите си, ще бъде първият, открил нов вид материя през последните 2000 години.

Главната идея зад тези експерименти е да има голямо количество чист материал (като натриев йодид, алуминиев окис, фреон, германий или силиций), в който да могат да си взаимодействат частиците на тъмната материя. Понякога частица тъмна материя може да се сблъска с ядрото на атом и да породи характерно разпадане. Учените биха могли да фотографират следите на участващите в разпадането частици и да потвърдят съществуването на тъмна материя.

Експериментите са умерено оптимистични, тъй като новите чувствителни инструменти дават най-добрия досега шанс да се наблюдава тъмна материя. Нашата Слънчева система обикаля около черната дупка в галактическия център със скорост 220 км/сек. В резултат на това планетата ни преминава през значително количество тъмна материя. Физиците предполагат, че през всеки квадратен метър на Земята (дори и през телата ни) прелитат по един милиард частици тъмна материя на секунда.^[21]

Макар и да живеем във „вятър от тъмна материя“, който духа през Слънчевата система, лабораторните експерименти за откриването й бяха изключително трудни за изпълнение — нейните частици взаимодействат изключително слабо с обикновената материя. Например учените очакват да открият между 0,1 и 10 случая на година в един килограм опитен материал. С други думи ако искаме да наблюдаваме тъмна материя, ще се наложи да се взираме напрегнато в големи количества материал в продължение на години.

До момента експериментите с акроними като UKDMC в Обединеното кралство, ROSEBUD в Канфранк, Испания, SIMPLE в Рустрел, Франция, и EDEWEISS във Фрежу, Франция, не са успели да засекат подобни следи.^[22] Един експеримент с названието DAMA в околностите на Рим вдигна доста шум през 1999 г., когато учените съобщиха, че са засекли частици тъмна материя. DAMA използва 100 км натриев йодид и е най-големият детектор в света. Когато обаче другите детектори се опитаха да повторят резултата, не успяха да открият нищо и това хвърли сянка на съмнение върху оригиналния експеримент.

„Ако детекторите наистина успеят да регистрират и потвърдят подобен сигнал, това несъмнено ще бъде едно от най-големите постижения на XXI век — отбелязва физикът Дейвид Б. Клайн. — Скоро може би ще бъде решена най-голямата загадка на съвременната астрофизика.“^[23]

Ако тъмната материя бъде открита в близко бъдеще, както се надяват повечето физици, тя би могла да подкрепи теорията за суперсиметрията (а след време — и на суперструнната теория) без използването на ускорители на частици.

Суперсиметрична тъмна материя

Един бърз преглед на предсказаните от суперсиметрията частици показва, че има няколко възможни кандидати, които да обяснят тъмната материя. Един от тях е неутралиното — фамилия от частици, съдържащи суперпартньора на фотона. Теоретично неутралиното като че ли отговаря на наличните данни. Освен че зарядът му е отрицателен и следователно го прави невидимо, то е масивно (т.е., въздейства му единствено гравитацията) и стабилно. (Това е така, защото неутралиното има най-ниската маса от всички останали частици в групата и следователно не може да се разпадне до по-ниско състояние.) И на последно и най-важно място вселената би трябвало да е пълна с неутралино, което го прави идеален кандидат за тъмната материя.

Неутралиното има още едно голямо преимущество — частиците могат да решат и въпроса защо на тъмната материя се падат до 23 процента от материално/енергийното съдържание на вселената, докато на водорода и хелия се падат нищожните 4 процента.

Да си припомним, че когато възрастта на вселената е била 379 000 години, температурата е спаднала до такава степен, че атомите вече не са се разкъсвали от сблъсъците, причинени от огромната горещина на Големия взрив. Точно тогава разширяващото се огнено кълбо започнало да се охлажда, да се кондензира и да образува стабилни и цели атоми. Изобилието от атоми днес се дължи именно на онзи период. Изводът е, че количеството материя датира от времето, когато вселената се е охладила достатъчно, за да поддържа стабилна материя.

Същият аргумент може да се използва за пресмятане на количеството неутралино. Малко след Големия взрив температурата се е понижила достатъчно, за да може да се образува неутралино, без да бъде унищожено. Като направим изчисленията ще открием, че количеството неутралино е много по-голямо от количеството атоми и на практика приблизително съответства на действителното количество тъмна материя днес. Следователно суперсиметричните частици могат да обяснят защо тъмната материя се среща в такова изобилие във вселената.

Изследователски проект Sloan Sky Survey

Въпреки че много от постиженията през XXI в. ще бъдат достигнати благодарение на сателитите, това не означава загърбване на намиращите се на Земята оптични и радиотелескопи. Цифровата революция коренно промени начина на използване на тези уреди и направи възможно подлагането на статистически анализ на стотици хиляди галактики. Свързаната с телескопите технология в момента преживява неочакван втори разцвет.

Астрономите винаги са се борели да ползват най-големите телескопи в света. Те ревниво пазеха отпуснатото им скъпоценно време за работа с апаратурата и прекарваха по цели нощи, треперейки в студените влажни помещения. Подобен безнадеждно остарял начин на наблюдение бе твърде неефективен и често ставаше причина за яростни разправии сред учените, които се чувстваха онеправдани от „жреците“, монополизирали телескопа. Всичко това започна да се променя с появата на интернет и високоскоростните компютри.

Днес много от телескопите са напълно автоматизирани и могат да се програмират от астрономи, намиращи се на някой друг континент на хиляди километри от тях. Резултатите от тези мащабни проучвания могат да се дигитализират и да се пуснат в интернет, за да бъдат анализирани от мощни суперкомпютри. Добър пример за силата на този метод е програмата SETIhome на университета в Бъркли, чиято цел е търсене на сигнали от извънземни цивилизации. Огромното количество данни от радиотелескопа Аресибо в Пуерто Рико се разделя на малки порции, които се изпращат по интернет до компютри по целия свят, най-вече на аматьори. Програма-скрийнсейвър анализира данните, когато компютърът не се използва. Чрез този метод изследователският екип успя да създаде най-голямата изчислителна мрежа в света, свързваща около 5 милиона компютри по цялото земно кълбо.

Най-известният пример на съвременното цифрово проучване на вселената е Sloan Sky Survey — най-амбициозният предприеман някога проект за изследване на нощното небе. Подобно на предишния Palomar Sky Survey, при който се използваха събрани в обемисти томове остарели фотографски платки, Sloan Sky Survey има за цел да създаде точна карта на небесните тела. Проучването доведе до създаването на триизмерни карти на далечни галактики в пет цвята, както и червеното отместване на повече от един милион галактики. Крайният резултат е едромащабна карта на вселената, която е няколкостотин пъти по-голяма в сравнение с резултатите от предишните опити. Картата ще предава в детайли една четвърт от цялото небе и ще определя положението и яркостта на 100 милиона небесни тела. Освен това ще определя разстоянието до повече от един милион галактики и около 100 000 квазара. Общото количество събрана от проучването информация ще бъде 15 терабайта, което надхвърля количеството информация в Библиотеката на Конгреса.

Сърцето на проекта е един 2,5-метров телескоп в южната част на Ню Мексико, оборудван с една от най-високотехнологичните камери, изработвани досега. Камерата съдържа тридесет запечатани във вакуум деликатни светлинни CCD-сензори (подобно на сензорите на настолните скенери) с площ 13 кв. см. Всеки сензор, държан на температура –80°C с помощта на течен азот, съдържа 4 милиона елемента. Така цялата събрана от телескопа светлина може да се дигитализира моментално от сензорите и е готова за компютърна обработка. Проектът струва по-малко от 20 милиона долара и успява да създаде зашеметяваща картина на вселената на цена една стотна от цената на космическия телескоп „Хъбъл“.

Дигитализираните данни се публикуват в интернет, където са на разположение на астрономите. По този начин можем да използваме интелектуалния потенциал на учените от цял свят. Често в миналото астрономите от Третия свят нямаха достъп до най-новите телескопски данни и публикации. Това бе невероятна загуба на научен талант. Днес благодарение на интернет учените могат да свалят данните от наблюденията, да четат статии, както и да публикуват трудовете си в мрежата със скоростта на светлината.

Sloan Sky Survey вече променя начина на работа на астрономите с новите резултати, основани на анализа на стотици хиляди галактики — нещо, което бе неосъществимо само допреди няколко години. Например през май 2003 г. екип учени от Испания, Германия и САЩ обявиха, че са анализирали 250 000 галактики в търсене на следи от тъмна материя. От този огромен списък те се съсредоточиха върху 3000 галактики с обикалящи около тях звездни купове. Използвайки Нютоновите закони за движението, те анализираха движението на спътниците и изчислиха количеството тъмна материя, което би трябвало да заобикаля централната галактика. Резултатите вече отхвърлиха една от конкурентните теории. (Алтернативната теория бе предложена през 1983 г. и се опитваше да обясни аномалиите в орбитите на звездите в галактиките, като модифицираше самите закони на Нютон. Беше изказано предположението, че тъмната материя всъщност не съществува, а става въпрос за грешка в самите закони. Данните от изследването опровергаха тази теория.)

През юли 2003 г. друг екип учени от Германия и САЩ обявиха, че с помощта на Sloan Sky Survey са анализирали 120 000 съседни галактики, за да открият отношението между галактиките и черните дупки в центъра им. Въпросът бе кое се е появило първо — черните дупки или звездните струпвания? Резултатът сочи, че образуването на галактиката и на черната дупка е едно цяло и че може би е станало едновременно. Оказа се, че при 20 000 от галактиките черните дупки продължават да растат (за разлика от черната дупка в Млечния път, която като че ли е притихнала). Резултатите показват, че съдържащите растящи черни дупки галактики са много по-големи от Млечния път и че черните дупки растат, защото поглъщат сравнително студените междузвездни газове.

Компенсиране на температурните флуктуации

Друг начин за съживяване на оптичните телескопи е използването на лазери, компенсиращи изкривяването на образите от атмосферата. Звездите не блещукат, защото трептят, а поради малките температурни флуктуации в атмосферата. Това означава, че в космоса, далеч от земната атмосфера, звездите светят равномерно. Въпреки че блещукането придава голяма част от красотата на нощта, то е истински кошмар за всеки астроном и резултат от него са замъглени картини на небесните тела. (Спомням си как като дете разглеждах неясните изображения на Марс и си мечтаех да има някакъв начин да се получат кристално ясни снимки на червената планета. Бях уверен, че тайната на извънземния живот ще се разбули веднага щом се намери начин да се елиминират атмосферните пречки.)

Един от начините да се компенсира това замъгляване е да се използват лазери и мощни компютри, които да извличат изкривяването. Този метод използва „адаптивна оптика“, предложена за първи път от моя харвардски състудент Клер Макс от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ и други учени, които използваха огромния телескоп „У. М. Кек“ на Хаваите (най-големият телескоп в света), както и 3-метровия телескоп Шейн от обсерваторията „Лик“ в Калифорния. Например, като се насочи лазерен лъч към космоса, могат да се изчислят температурните флуктуации в атмосферата. Информацията се анализира от компютър, който прави малки допълнителни настройки в огледалото на телескопа и компенсира дефектите. Така е възможно приблизителното премахване на атмосферните влияния.

Методът бе проверен успешно през 1996 г. и оттогава благодарение на него разполагаме с кристално ясни изображения на планети, звезди и галактики. Системата изстрелва в небето променлив цветен лазерен лъч. Лазерът е свързан с 3-метровия телескоп, чиито поддаващи огледала се настройват по такъв начин, че да компенсират атмосферните деформации. Самият образ се улавя от CCD-камера и се дигитализира. Със скромния си бюджет системата получава образи, които са почти съвместими с тези от телескопа „Хъбъл“. Благодарение на този метод, вдъхващ нов живот на оптичните телескопи, можем да видим подробности на другите планети и дори да надникнем в сърцето на квазар.

Благодарение на метода разделителната способност на телескопа „Кек“ се увеличи десет пъти. Обсерваторията на Хаваите е разположена на върха на угасналия вулкан Мауна Кеа на височина почти 4300 м и е оборудвана с два телескопа с тегло по 270 т. Всяко от огледалата е с диаметър 10 м и е съставено от 36 шестоъгълни парчета, всяко от които може да се манипулира от компютър независимо от останалите. През 1999 г. на „Кек II“ бе инсталирана адаптивна оптична система, състояща се от малко огледало, което може да променя формата си 670 пъти в секунда. Системата вече успя да улови изображения на звезди, обикалящи около черната дупка в центъра на нашата галактика, да види повърхността на Нептун и Титан (една от луните на Сатурн) и дори една екстрасоларна планета, затъмняваща своята звезда на разстояние 153 светлинни години от нас. Светлината от HD 209458 намаля точно както беше предсказано, когато планетата премина пред нея.

Свързване на радиотелескопите един с друг

Компютърните технологии предизвикаха революция и при радиотелескопите. В миналото те бяха зависими от големината на антената си. Колкото по-голяма е антената, толкова повече сигнали от космоса можеха да се уловят и анализират. Но колкото по-голяма е антената, толкова по-скъп е и телескопът. Един от начините да се реши този проблем е да се свържат няколко антени в една и да се получи някакво подобие на огромен радиотелескоп. (Най-големият радиотелескоп на Земята би могъл да бъде с размерите на самата планета). Предишните усилия за свързване на радиотелескопи в Германия, Италия и САЩ показаха, че методът е отчасти уместен.

Проблемът в случая е, че сигналите от различните антени трябва да се комбинират много точно и да се вкарат в компютъра. В миналото това бе почти непосилна задача. С появата на интернет и евтините бързи компютри цените паднаха значително. Днес създаването на радиотелескоп с ефективни размери колкото на Земята вече не е фантазия.

В САЩ най-високотехнологичното устройство, използващо интерференцията, е VLBA — сбор от десет антени, разположени в Ню Мексико, Аризона, Ню Хемпшир, Вашингтон, Тексас, Вирджинските острови и Хаваите. Всяка от станциите има огромна чиния с диаметър 25 м с тегло 240 т, разположена върху висока десететажна постройка. Радиосигналите се записват на ленти и се събират в оперативния център в Сокоро, Ню Мексико, където биват сравнявани и анализирани. Системата започна да работи през 1993 г., а цената й е 85 милиона долара.

Благодарение на сравняването на данните от десетте станции се получава един ефективен гигантски радиотелескоп с ширина 8000 км, способен да даде някои от най-ясните образи на небесни тела. Ефективността му е еквивалентна на това да седиш в Ню Йорк и да четеш вестник, намиращ се в Лос Анджелис. VLBA вече даде „филми“ на космически струи и експлозии на свръхнови. Негови са и най-точните измервания на разстояния до обекти извън Млечния път.

В бъдеще дори оптичните телескопи ще могат да използват мощта на интерферометрията, макар че това е доста трудно поради малката дължина на светлинната вълна. Има план за комбиниране на оптичните данни от двата телескопа на Хаваите, с което на практика ще се получи един гигантски телескоп, много по-голям от двата.

Измерване на единадесетото измерение

Откриването на други измерения също е завладяло умовете на учените наред с търсенето на тъмна материя и черни дупки. Един от най-амбициозните опити да се провери съществуването на паралелна вселена е дело на Колорадския университет в Денвър. Тамошните учени се опитват да измерят отклоненията от прословутия обратно квадратичен закон на Нютон.

Според Нютоновия закон за гравитацията силата на привличане между две тела намалява обратнопропорционално на квадрата от разстоянието помежду им. Ако увеличим разстоянието между Слънцето и Земята, силата на привличане между тях ще намалее четворно. Това от своя страна зависи от броя измерения на пространството.

Засега законът на Нютон продължава да е в сила за космологични разстояния между големи галактични купове. Никой обаче не е успял да провери адекватно закона на гравитацията при малки тела, тъй като това е неосъществимо. Силата на гравитацията е изключително малка и поради това и най-малкото външно влияние може да провали експеримента. Дори минаващите автомобили създават вибрации, които са достатъчни да обезсмислят опитите за измерване на гравитацията между две малки тела.

Физиците от Колорадо създадоха един деликатен инструмент, наречен високочестотен резонатор, който е в състояние да провери закона на гравитацията на разстояния до една десета от милиметъра. За първи път подобни измервания се правят за такива малки разстояния. За експеримента се използват две много тънки волфрамови нишки, поставени във вакуум. Едната от нишките трепти с честота 1000 цикъла в секунда, подобно на миниатюрен трамплин. След това физиците проверяват дали през вакуума се предават вибрации до другата нишка. Апаратът е толкова чувствителен, че е в състояние да отчете движение във втората нишка, причинено от сила с големина една милиардна от масата на песъчинка. Ако в закона на Нютон за гравитацията има отклонение, тогава при втората нишка ще се измерят малки несъответствия. След като анализираха разстояния до 108 милионна част от метъра, учените така и не намериха подобни отклонения. „Засега законът Нютон продължава да отстоява позициите си“^[24], отбелязва С. Д. Хойл от университета в Тренто в Италия, който анализира експеримента за списание „Нейчър“.

Отрицателният резултат само засили апетита на останалите физици, които пожелаха да проверят закона на Нютон на микроскопско ниво.

В университета в Пурдю се готви нов експеримент. Учените искат да измерят малките отклонения от Нютоновия закон не на разстояния от порядъка на милиметри, а на атомно ниво. За целта смятат да използват нанотехнологии, за да измерят разликата между никел 58 и никел 64. Тези два изотопа имат еднакви електрически и химични характеристики, но единият има шест неутрона повече от другия. Така единствената разлика между тях е в масата им.

Учените смятат да създадат устройство на Казимир, състоящо се от две неутрални плочи, изработени от тези два изотопа. Когато двете плочи се приближат една до друга не се случва нищо, тъй като те нямат заряд. Но ако разстоянието се намали драстично, започва да действа ефектът на Казимир и плочите започват слабо да се привличат една друга — ефект, който може да се измери в лабораторни условия. Тъй като двете плочи са изработени от различни изотопи на никела, те ще се привличат по малко по-различен начин в зависимост от гравитацията им.

За да се измери ефектът на Казимир, плочите трябва да се приближат изключително много една до друга. Учените ще използват нанотехнологии, за да намалят разстоянието до атомно ниво. За целта ще използват микроелектромеханични торсионни осцилатори, за да измерят малките трептения на плочите. Така всички разлики в трептенето на никел 58 и никел 64 ще може да се припише на гравитацията. По този начин учените се надяват да измерят отклоненията в закона на Нютон на атомно ниво. Ако оригиналното устройство наистина успее да открие несъответствия със закона, това може да бъде знак за съществуването на вселена с повече измерения, разделена от нашата на разстояние колкото големината на атом.

LHC

Устройството, което окончателно ще даде отговор на много от тези въпроси, е LHC, който е пред завършване недалеч от Женева, при прочутия Европейски център за ядрени изследвания CERN. За разлика от предишните експерименти върху странните форми на материята, които се появяват по естествен начин в нашия свят, LHC може би ще има достатъчно мощ, за да ги създаде директно в лабораторни условия. LHC ще бъде в състояние да работи с разстояния до 10^–19 м (10 000 пъти по-малко от размерите на протон) и да създаде температури, невиждани от времето на Големия взрив. „Физиците са убедени, че природата крие още фокуси в ръкава си, които би трябвало да бъдат разкрити при опитите — може би екзотичната частица, известна като Хигс-бозон, доказателство за съществуването на тайнствената суперсиметрия или пък нещо напълно неочаквано, което ще преобърне изцяло физиката на елементарните частици“, пише бившият директор на CERN и сегашен ректор на Лондонския университет Крис Левелин Смит.^[25] В екипа на CERN вече участват 7000 души, което е повече от половината учени на планетата, занимаващи се с физика на елементарните частици. Много от тях ще участват в експериментите с новото устройство.

LHC е мощна кръгла машина с диаметър 27 км — достатъчно, за да заобиколи напълно не един град на планетата. Тунелът му е толкова дълъг, че пресича границата между Швейцария и Франция. Цената му е такава, че за построяването му са необходими усилията на няколко европейски държави. Когато заработи през 2007 г., огромните мощни магнити ще принуждават протоните да се движат все по-бързо и по-бързо в тръбата му, докато мощността не достигне около 14 трилиона електронволта.

Устройството се състои от голяма кръгла вакуумна камера, по чиято дължина са разположени огромни магнити, които ще огъват потока частици и ще го карат да се върти в кръг. В камерата ще бъда вкарвана допълнителна енергия, което ще увеличава скоростта на протоните. Когато лъчът най-сетне удари мишената, ще се освободи колосално количество лъчение. Създадените при сблъсъка фрагментите ще се фотографират от серия детектори с надеждата да се открият нови екзотични субатомни частици.

LHC е наистина чудовищно устройство. Докато LIGO и LISA достигат до крайности по отношение на чувствителността, LHC няма да има равен на себе си в бруталната си мощ. Магнитите му, които ще огъват потока протони в грациозна дъга, ще генерират поле с мощност 8,3 тесла, което е 160 000 пъти повече от мощта на магнитното поле на Земята. За целта 12 000 ампера електричество ще бъде пуснато по макари, охладени до –271°C — при такава температура те ще изгубят съпротивлението си и ще станат свръхпроводими. LHC ще има общо 1232 магнита с дължина 15 м, разположени по 85 процента от дължината на машината.

Протоните в тунела ще бъдат ускорени до 99,999999 процента от скоростта на светлината, преди да ударят мишената, намираща се на четири места в тръбата, като при това всяка секунда ще се получат милиарди сблъсъци. До мишените ще има огромни детектори (най-големият е колкото шестетажна сграда), които ще анализират остатъците и ще търсят екзотични субатомни частици.

Както споменава Смит, една от целите на LHC е откриването на неуловимия Хигс-бозон, който е последната част от Стандартния модел, останал неоткрит досега. Именно тази частица е отговорна за спонтанното нарушаване на суперсиметрията в теориите и увеличава масата в квантовия свят. Очакванията за масата на Хигс-бозона са някъде между 115 и 200 милиарда електронволта (за сравнение протонът тежи 1 милиард електронволта).^[26] (Много по-малкият „Теватрон“ на „Фермилаб“ недалеч от Чикаго може да се окаже първата машина, регистрирала неуловимия Хигс-бозон, стига масата му да не е прекалено голяма. По принцип „Теватрон“ може да създаде до 10 000 Хигс-бозона, ако работи както е предвидено. LHC обаче ще създава частици със седем пъти по-голяма енергия. Със своите 14 трилиона електронволта на разположение, LHC може да се превърне в истинска „фабрика“ за Хигс-бозони и да произвежда милиони частици от сблъскващите се протони.)

Друга цел на LHC е да създаде условия, каквито не са съществували от времето на самия Голям взрив. В частност учените смятат, че първоначално Големият взрив е представлявал сбор от несвързани помежду си изключително горещи кварки и глуони, наречен кварково-глуонна плазма. LHC ще бъде в състояние да възпроизведе състоянието на вселената през първите 10 микросекунди след възникването си. Ускорителят ще може да сблъсква ядра на олово с енергия 1,1 трилиона електронволта. При този колосален сблъсък всички 400 протона и неутрона ще могат да се „стопят“ и да освободят кварките в горещата плазма. Така космологията може би ще се отдалечи от чистото наблюдение и ще се превърне донякъде в експериментална наука, провеждаща точни опити с кварково-глуонна плазма в лабораторни условия.

Има също надежда, че LHC ще може да открие сред остатъците от смачкани протони миниатюрните черни дупки, за които говорихме в 7 глава. Обикновено създаването на квантови черни дупки би трябвало да става при наличието на Планкова енергия, която е квадрилион пъти по-голяма от мощността на ускорителя. Но ако наистина съществува паралелна вселена, отдалечена от нашата на по-малко от милиметър, това ще намали енергията, при която квантовите гравитационни ефекти ще могат да се измерват и така миниатюрните черни дупки ще се окажат по силата на LHC.

И не на последно място има надежда, че LHC може би ще успее да открие доказателства за съществуването на суперсиметрия, което ще представлява историческо постижение на физиката на елементарните частици. Въпреки че струнната теория предсказва, че всяка субатомна частица си има „близнак“ с различен спин, суперсиметрията никога не е била наблюдавана — може би защото нашите инструменти не са достатъчно мощни, за да я открият.

Съществуването на частиците близнаци би помогнало за намирането на отговора на два наболели въпроса. Първо, вярна ли е струнната теория? Въпреки че прякото регистриране на струните е изключително трудно, могат да се доловят по-ниските октави или резонанси на струнната теория. Ако бъдат открити частици-близнаци, това ще означава експериментално потвърждение на струнната теория (въпреки че това няма да бъде пряко доказателство, че тя е вярна).

На второ място, тези частици ще се окажат може би най-приемливите кандидати за тъмната материя. Ако тъмната материя се състои от субатомни частици, те би трябвало да са стабилни и неутрални (в противен случай щяха да са видими) и освен това да реагират на гравитация. И трите свойства могат да се открият в предсказаните от струнната теория частици.

LHC, който ще бъде най-мощният ускорител на частици, е всъщност втори избор за повечето физици. През 80-те президентът Роналд Рейгън одобри създаването на SSC (Superconducting Supercollider) — чудовищна машина с диаметър 80 км, която трябваше да бъде построена в околностите на Далас, Тексас. В сравнение с нея LHC би изглеждал като джудже. Докато LHC е способен да получи сблъсъци на частици с мощност 14 трилиона електронволта, SSC бе проектиран да развива 40 трилиона електронволта. Отначало проектът бе одобрен, но по време на последните изслушвания Конгресът ненадейно го отхвърли. Това бе тежък удар за физиците и забави развитието на науката с цяло поколение.

Отначало дебатите бяха за цената на машината — 11 милиарда долара — и за по-важните научни приоритети. Самата научна общност бе силно разединена относно ускорителя — някои физици твърдяха, че проектът може да лиши от финансиране собствените им проучвания. Споровете така се разгорещиха, че „Ню Йорк Таймс“ излезе с критична редакционна статия за опасностите, на които „голямата наука“ може да подложи „малката наука“. (Тези аргументи бяха подвеждащи, тъй като финансирането на SSC щеше да се осигурява от друг източник, различен от този на малката наука. Истинският съперник беше космическата станция, която според мнозина учени е просто пилеене на пари.)

Но като погледнем назад, спорът се бе изместил и започна да се води на език, който се разбираше от широката общественост. В известен смисъл физиците бяха свикнали чудовищните им ускорители да се одобряват от Конгреса, защото руснаците също изграждаха свои. Всъщност руснаците изграждаха своя ускорител УНК (Ускорително-Натрупвателен Комплекс) като съперник на SSC. Залогът бе националният престиж. Но след това Съветският съюз се разпадна, изграждането на ускорителя бе прекратено и постепенно шансовете на програмата за създаването SSC започнаха да намаляват.^[27]

Настолни ускорители

Чрез LHC учените постепенно доближават горните граници на енергийната мощ на съвременното поколение ускорители, по-големи от градове и струващи десетки милиарди долари. Тези машини са толкова огромни, че само големи консорциуми от цели държави са в състояние да си ги позволят. Нужни са ни нови идеи и принципи, ако искаме да преодолеем бариерите пред конвенционалните ускорители. Светият граал на физиците днес е конструирането на „настолен“ ускорител, способен да създаде лъчи с енергия от милиарди електронволта и да бъде далеч по-малък и евтин от сегашните машини.

За да разберете проблема, представете си щафетно бягане, при което участниците са подредени по много голяма кръгла писта. Състезателите си предават щафетата в движение. Сега си представете, че при всяко предаване на щафетата бегачите получават допълнителен прилив на енергия и започват да тичат все по-бързо.

Същото е при ускорителя на частици — щафетата е поток от субатомни частици, движещи се по кръгла тръба. Всеки път когато потокът преминава от един бегач в друг, той получава нова порция радиочестотна енергия, която увеличава скоростта му все повече и повече. Точно на този принцип работят изградените през последния половин век ускорители. Проблемът при тях е, че вече се достигат границите на радиочестотната енергия, която може да се използва.

За да решат неприятния проблем, учените експериментират с коренно различни начини за вкарване на енергия в потока, като лазерни лъчи, чиято мощ нараства експоненциално. Едно от предимствата на лазерния лъч е в това, че светлината е „кохерентна“ — т.е., че вълните й трептят в прецизен унисон, благодарение на което е възможно създаването на изключително мощни лъчи. Днес лазерите са в състояние за кратко време да генерират енергия от порядъка на трилиони вата (теравата). (За сравнение една атомна електроцентрала може да генерира само милиони вата енергия, но постоянно.) Вече стават реалност лазери, които могат да генерират до сто трилиона вата (един квадрилион вата, или петават) енергия.

Лазерните ускорители работят на следния принцип. Светлината им е достатъчно гореща, за да създаде плазма (йонизирани атоми), която се движи с висока скорост в подобни на вълни осцилации, подобно на приливна вълна. Потокът от субатомни частици „сърфира“ по тази плазмена вълна. С добавянето на допълнителна лазерна енергия вълната набира скорост, с което увеличава енергията на частиците. Неотдавна учените от лабораторията „Ръдърфорд Епълтън“ насочиха лазер с мощност 50 теравата към твърда мишена и получиха насочен поток от протони с мощност 400 милиона електронволта (MeV). В Политехническото училище в Париж физиците успяха да ускорят електрони до 200 MeV за разстояние от един милиметър.

Създадените досега лазерни ускорители бяха малки и не особено мощни. Но да приемем за момент, че този ускорител може да се увеличи до такава степен, че да е в състояние да работи не в рамките на един милиметър, а на един метър. В такъв случай той ще е в състояние да ускорява електроните до 200 GeV и да изпълни целта на настолния ускорител. Друга граница бе достигната през 2001 г., когато учените от Станфордския линеен ускорителен център успяха да ускорят електрони в рамките на 1,4 м. Вместо да използват лазерен лъч, те създадоха плазмена вълна с помощта на лъч заредени частици. Макар получената енергия да бе ниска, експериментът показа, че плазмените вълни могат да ускоряват частици на разстояние повече от един метър.

Прогресът в тази многообещаваща област на изследвания е изключително бърз — получената от тези ускорители енергия се увеличава десетократно на всеки пет години. При това темпо в скоро време можем да станем свидетели на прототип на настолен ускорител. Ако проектът се увенчае с успех, пред подобна машина LHC ще прилича на остатък от ерата на динозаврите. Разбира се, пред този вид ускорители все още има редица пречки. Подобно на сърфиста, който се „изстрелва“ от измамната океанска вълна, задържането на потока частици върху плазмата е доста трудно (проблемите тук включват фокусирането на потока в лъч и запазването на неговата стабилност и интензитет). Но все пак никой от тези проблеми не изглежда неразрешим.

Бъдещето

Трябва да се направи още много, за да може да се докаже струнната теория. Уитън изразява надеждата, че веднага след Големия взрив вселената се е разширила толкова бързо, че може би заедно с нея се е разширила и някоя струна, която в момента е огромна и се носи нейде из космоса. „Макар и необичаен, това е любимият ми сценарий за потвърждаването на струнната теория — нищо друго не би могло да реши по-добре този въпрос от възможността да наблюдаваме струната през телескоп.“^[28]

Брайън Грийн изброява пет възможни примера на експериментални данни, които биха могли да потвърдят струнната теория или най-малкото да я направят по-приемлива:

1. Нищожно малката маса на подобното на призрак неутрино да бъде определена експериментално и струнната теория да успее да я обясни.

2. Може да се окаже, че малки нарушения на Стандартния модел нарушават физиката на елементарните частици, като разпадането на някои от тях.

3. Могат да се открият нов вид сили (различни от гравитацията и електромагнетизма), които да сочат към определен вид многообразие Калаби-Яу.

4. Могат да се открият в лабораторни условия частици на тъмната материя, които да се сравнят с предсказанията на струнната теория.

5. Благодарение на струнната теория може да се изчисли количеството тъмна енергия във вселената.^[29]

Моето лично мнение е, че потвърждаването на струнната теория може да стане единствено със средствата на чистата математика, а не на експериментите. Тъй като струнната теория се приема като „теория на всичкото“, тя би трябвало да бъде теория както на космическите енергии, така и на енергиите, с които се сблъскваме всеки ден. Ако успеем напълно да решим тази теория, бихме могли да изчислим свойствата на обикновените тела, а не само на екзотичните обекти в дълбокия космос. Например ако струнната теория е в състояние да изчисли масата на протона, неутрона и електрона от основните си принципи, това ще бъде едно от най-големите й постижения. Във всички модели във физиката (с изключение на струнната теория) масите на тези познати ни частици се добавят ръчно. В известен смисъл, ние не се нуждаем от LHC, за да проверим теорията, тъй като вече знаем масите на много субатомни частици. Всички те би трябвало да се определят от самата струнна теория без поддаващи се на настройка параметри.

Навремето Айнщайн е казал: „Убеден съм, че можем чрез чисто математически конструкции да открием концепциите и законите… които ще ни дадат ключа към разбирането на природните феномени. Опитът може да предложи подходящи математически концепции, но те със сигурност не могат да се изведат от него… Ето защо в известен смисъл смятам, че чистата мисъл може да обхване реалността — точно както са вярвали древните.“^[30]

Ако това е вярно, то може би М-теорията (или всяка друга теория, която най-сетне ни доведе до квантовата теория на гравитацията) ще направи възможно последното пътуване на целия разумен живот във вселената в невъобразимо далечното бъдеще, отдалечено от нас на трилиони и трилиони години — бягството от умиращия ни свят и търсенето на нов дом.