Текст книги "Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует"

Автор книги: Ли Смолин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 31 страниц)

Эксперименты такого рода не смогли обнаружить изменения в константах природы внутри нашей галактики или среди близлежащих галактик. На масштабе времени в миллионы лет, таким образом, константы не изменяются никаким обнаружимым образом. Но непрерывно продолжающийся эксперимент группы из Австралии нашёл изменения в отношениях, рассматривая свет от квазаров – свет, который был излучён примерно 10 миллиардов лет назад. Австралийские учёные не изучали атомные спектры самих квазаров; то, что они делали, более остроумно. На пути от квазара до нас свет путешествовал через многие галактики. Каждый раз, когда он проходил через галактику, некоторое количество света поглощалось атомами этой галактики. Атом поглощают свет на особых частотах, но из-за эффекта Допплера частота, на которой свет был поглощён, сдвинута в направлении красного конца спектра на величину, пропорциональную расстоянию от галактики до нас. В результате спектр света от квазара был декорирован лесом линий, каждая из которых соответствовала свету, поглощённому галактикой на определённом расстоянии от нас. Изучая отношения частот этих линий, мы можем поискать изменения в фундаментальных константах за время, в течение которого свет путешествовал от квазара. Поскольку изменения должны проявиться как отношения частот и имеется несколько фундаментальных констант, физики взялись за изучение простейшего отношения – постоянной тонкой структуры, которая составлена из констант, определяющих свойства атома. Её называют альфа, и она равна квадрату заряда электрона, делённому на скорость света и на постоянную Планка.

Австралийцы изучили измерения света от восьмидесяти экземпляров квазаров, используя очень точные измерения, полученные телескопом Кека (Keck) на Гавайях. Они вывели из своих данных, что около 10 миллиардов лет назад альфа была меньше примерно на 1 часть из 10 000 [83]83
  M.T. Murphy et al., «Further Evidence for a Variable Fine Structure Constant from Keck/HIRES QSO Absorption Spectra,» <Дальнейшие свидетельства изменения постоянной тонкой структуры из данных Keck/HIRES по QSO спектрам поглощения >, Mon. Not. Roy. Ast. Soc., 345: 609-38 (2003).


[Закрыть].

Это малое изменение, но если оно поддержится, это будет весомое открытие, самое важное за десятилетия. Это мог бы быть первый раз, когда было обнаружено, что фундаментальная константа природы меняется во времени.

Многие астрономы, которых я знаю, держат разум открытым. По всем оценкам данные были собраны и проанализированы экстремально тщательно. Никто не нашёл очевидных изъянов в методе или результатах австралийской команды, но сам эксперимент очень тонкий, привлечённые для него точности измерений находятся на пределе возможного, и мы не можем исключить вероятности, что некоторая ошибка проскользнула в анализ. Как следует из написанного, ситуация шаткая, что типично для новых экспериментальных технологий. Другие группы пытаются провести те же измерения, и результаты дискуссионны[84]84
  См., например,
  E. Peik at al., «Limit on the Present Temporal Variation of the Fine Structure Constant,» <Ограничение на текущее временное изменение постоянной тонкой структуры>, Phys. Rev. Lett., 93(17): 170801 (2004),
  и
  R. Srianand et al., «Limits on the Time Variation of the Electromagnetic Fine Structure Constant in the Low Energy Limit from Absorbtion Lines in Spectra of Distant Quasars,» <Ограничения на изменение во времени электромагнитной постоянной тонкой структуры в низкоэнергетическом пределе из линий поглощения в спектрах удалённых квазаров>, Phys. Rev. Lett., 92(12): 121302 (2004).


[Закрыть].

Многие теоретики скептически настроены к свидетельствам изменений в постоянной тонкой структуры. Они беспокоятся, что такое изменение будет чрезмерно неестественным, так как оно могло бы ввести в теорию электронов, ядер и атомов временную шкалу больших порядков величины, удалённую от шкал атомной физики. Конечно, речь могла бы идти о масштабе космологической константы. Фактически, масштаб, при котором постоянная тонкой структуры изменяется, не связан ни с чем другим, что было измерено, за исключением самой космологической константы. Так что, возможно, это другое загадочное явление, которое должно иметь дело с масштабом R.

Ещё другим проявлением масштаба R могут быть загадочные массы нейтрино. Вы можете конвертировать масштаб R к масштабу масс, используя только фундаментальные константы физики, и итог будет того же порядка величины, как и разницы между массами различных видов нейтрино. Никто не знает, почему нейтрино, легчайшие из частиц, должны иметь массы, связанные с R, но это так – другая мучительная подсказка.

Могла бы быть финальная экспериментальная подсказка, содержащая масштаб R. Объединяя его с ньютоновской гравитационной константой, мы можем заключить, что могли бы быть эффекты, изменяющие гравитационную силу на масштабе миллиметров. В настоящее время группой в Университете Вашингтона, возглавляемой Эриком Адельбергером, проводятся ультра-точные измерения силы гравитации между двумя объектами, которые разделены миллиметрами. На июнь 2006 года всё, что они могли сказать публично, это что они не обнаружили свидетельств, что законы Ньютона нарушаются на масштабах 6/100 миллиметра.

По крайней мере, наши эксперименты должны определённо проверять фундаментальные принципы физики. Имеется великая склонность думать, что эти принципы, будучи раз открытыми, являются вечными, пока что история говорит о другом. Почти каждый принцип, раз объявленный, занял чьё-то место. Не важно, насколько они полезны, или насколько хороши приближения, которые они дают для явлений, раньше или позже большинство принципов падёт, как только эксперимент прозондирует естественный мир более точно. Платон объявил, что всё в небесных сферах движется по окружностям. Для этого имелись веские причины: всё выше сферы Луны, верилось, является вечным и совершенным. А нет движения более совершенного, чем однородное движение по окружности. Птолемей принял этот принцип и расширил его, сконструировав эпициклы – окружности, двигающиеся по окружностям.

Орбиты планет и в самом деле очень близки к круговым, а движение планет по их орбитам является почти однородным. Как-то всё было подогнано, что последняя круговая планетарная орбита принадлежала непокорному Марсу – и его орбита была столь близка к круговой, что отклонения были на пределе того, что можно было бы вывести из лучших наблюдений невооружённым глазом. В 1609 году после девяти лет усердной работы над марсианской орбитой Иоганн Кеплер понял, что это должен быть эллипс. В этот год Галилей направил телескоп в небо и начал новую эру астрономии, в которой со временем стало ясно, что Кеплер был прав. Окружности являются самыми совершенными формами, но планетарные орбиты не круговые.

Когда древние объявили круг самой совершенной формой, они имели в виду, что она самая симметричная: каждая точка на орбите такая же, как и любая другая. Принципы, которые тяжелее всего отбросить, это те, которые обращаются к нашей потребности в симметрии и повышают наблюдаемую симметрию до необходимости. Современная физика основана на коллекции симметрий, которые, как мы уверены, хранят большинство базовых принципов. Не менее, чем древние, многие современные теоретики инстинктивно верят, что фундаментальная теория должна быть самым симметричным из возможных законов. Должны ли мы доверять этому инстинкту, или мы должны прислушаться к урокам истории, которые говорят нам, что (как в примере с планетарными орбитами) природа становится менее, а не более симметричной, если мы рассматриваем её поближе?

Самыми глубоко встроенными в современную теорию симметриями являются те, которые происходят от эйнштейновский СТО и ОТО. Самой основной из них является относительность инерциальных систем отсчёта. По существу, это принцип Галилея, и он был основополагающей идеей физики с семнадцатого столетия. Он говорит, что мы не можем отличить движение с постоянной скоростью и направлением от покоя. Этот принцип отвечает за факт, что мы не чувствуем движения Земли или наше движение в самолёте, двигающемся в небе с постоянной скоростью. Пока нет ускорения, вы не можете почувствовать своего собственного движения. Другой способ выразить это заключается в том, что не имеется привилегированного наблюдателя и нет привилегированной системы отсчёта: пока ускорение отсутствует, один наблюдатель столь же хорош, как и другой.

Эйнштейн в 1905 году сделал то, что применил этот принцип к свету. Следствием было то, что скорость света должна рассматриваться как константа вне зависимости от движения источника света или наблюдателя. Не имеет значения, как мы движемся друг относительно друга, вы и я определим у фотона в точности одинаковую скорость. Это основа эйнштейновской СТО.

Имея СТО, мы можем сделать много предсказаний о физике элементарных частиц. Вот одно, касающееся космических лучей. Это сообщество частиц, как мы уверены, в большей части протонов, которые путешествуют через вселенную. Они достигают верхних слоёв атмосферы Земли, где сталкиваются с атомами в воздухе, производя ливни других видов частиц, которые могут быть обнаружены на поверхности. Никто не знает источника этих космических лучей, но чем выше их энергия, тем реже они попадаются. Они наблюдались при энергиях, более чем в 100 миллионов раз больших, чем масса протона. Чтобы иметь такую энергию, протон должен двигаться очень, очень близко к скорости света – пределу скорости, который в соответствии с СТО ни одной частице не позволено преодолеть.

Мы убеждены, что космические лучи приходят от удалённых галактик; если так, они должны были путешествовать через вселенную миллионы, а, возможно, миллиарды световых лет, прежде чем прибыли сюда. Давно в 1966 году два советских физика Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин и (независимо) физик из Корнелльского университета Кеннет Грейзен сделали выдающееся предсказание по поводу космических лучей, используя только СТО[85]85
  K. Greisen, «End to the Cosmic Ray Spectrum?» <Конец спектра космических лучей?> Phys. Rev. Lett., 16(17): 748-50 (1966),
  и
  Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин, «Верхний предел спектра космических лучей,» Письма в ЖЭТФ, 4: 78–80 (1966).


[Закрыть]. Это предсказание, обычно известное как предсказание GZK (ГЗК), достойно описания, поскольку оно только в настоящее время проверяется. Это самый экстремальный тест СТО, который когда-либо делался. Это, фактически, первый тест приближения СТО к планковскому масштабу, масштабу, на котором мы можем увидеть эффекты квантовой теории гравитации.

Хорошие учёные получают преимущество от всех инструментов, которые есть в их распоряжении. Грейзен, Зацепин и Кузьмин поняли, что мы имеем доступ к лаборатории, в гигантское количество раз превосходящей всё, что мы когда-либо сможем построить на Земле, – к самой вселенной. Мы можем детектировать космические лучи, которые достигают Земли после путешествия в миллиарды лет через значительную часть вселенной. Когда они путешествуют, очень малые эффекты – эффекты, которые могли бы быть слишком мелкими, чтобы показаться в земных экспериментах, – могут увеличиться до точки, где мы можем их увидеть. Если мы используем вселенную как экспериментальный инструмент, мы сможем заглянуть намного глубже в структуру природы, чем люди когда-либо представляли.

Ключевой момент в том, что пространство, через которое путешествуют космические лучи, не пусто; оно заполнено космической микроволновой фоновой радиацией. Грейзен и советские учёные поняли, что протоны с энергией больше, чем особая величина, будут взаимодействовать с фотонами фоновой радиации и что это взаимодействие будет создавать частицы (вероятнее всего, пионы, они же пи-мезоны). Это создание частиц требует энергии, а, поскольку энергия сохраняется, высоко-энергичные протоны будут замедляться. Таким образом, пространство в результате непрозрачно для прохождения любых протонов, которые несут энергии больше, чем необходимо для создания пионов.

Следовательно, пространство функционирует как фильтр. Протоны, составляющие космические лучи, могут путешествовать, только если они имеют энергии меньше, чем это требуется, чтобы создать пионы. Если они имеют больше, они делают пионы и замедляются, и так происходит до тех пор, пока протоны не замедлятся до такой точки, в которой они больше не смогут делать пионы. Это выглядит, как если бы вселенная устанавливала предел скорости для протонов. Грейзен, Зацепин и Кузьмин предсказали, что протоны с энергией больше, чем энергия, необходимая для того, чтобы сделать пионы таким способом, не будут достигать Земли. Энергия, при которой они предсказали, что будет происходить создание пиона, составляет около миллиардной доли энергии Планка (10¹⁹ ГэВ) и называется отсечкой GZK.

Это гигантская энергия, которая ближе к энергии Планка, чем любая другая энергия, которую мы знаем. Она более чем в 10 миллионов раз превышает энергию, которая будет достигнута на самых усложнённых ускорителях частиц, планируемых в настоящее время.

Предсказание GZK обеспечивает строгий тест СТО Эйнштейна. Оно зондирует теорию на намного более высокой энергии и на скорости, более близкой к скорости света, чем это было сделано или даже возможно на Земле. В 1966 году, когда было сделано предсказание GZK, можно было наблюдать только космические лучи с энергиями намного ниже, чем предсказанная отсечка, но недавно были построены несколько инструментов, которые могут детектировать частицы космических лучей при или даже выше предсказанной отсечки. Один такой эксперимент, названный AGASA (по Akeno Giant Air Shower Array – Массив гигантских атмосферных ливней Акено), осуществлённый в Японии, сообщает, по меньшей мере, о дюжине таких экстремальных событий. Энергия, заключавшаяся в этих событиях, превышает 3∙10²⁰ электрон-вольт – грубо это равно энергии, которую подающий вкладывает в быстрый мяч в бейсболе, но вся она переносится одним протоном.

Эти события могут быть сигналом, что СТО нарушается при экстремальных энергиях. Сидни Колеман и Шелдон Глэшоу предположили в конце 1990-х, что нарушение СТО могло бы повысить энергию, необходимую для создания пиона, таким образом, повышая энергию отсечки GZK и позволяя протонам более высоких энергий достигать детекторов на Земле[86]86
  S. Coleman and S.L. Glashow, «Cosmic Ray and Neutrino Tests of Special Relativity,» <Космические лучи и нейтринные тесты СТО>, Phys. Rev. B, 405: 249-52 (1997);
  S. Coleman and S.L. Glashow, «Evading the GZK Cosmic-Ray Cutoff,» <Как обойти GZK-отсечку космических лучей>, [http://arxiv.org/abs/hep-ph/9808446].


[Закрыть].

Это не единственное возможное объяснение наблюдению таких высоко-энергичных протонов из космических лучей. Возможно, что они сами происходят близко от Земли, так что у них нет времени, чтобы быть замедленными через взаимодействие с космическим микроволновым фоном. Это можно было бы проверить, увидев, что протоны, о которых идёт речь, прибывают из любого привилегированного места в небе. До сегодняшнего дня нет таких свидетельств, но возможность остаётся.

Есть также возможность, что эти экстремальные высоко-энергичные частицы совсем не являются протонами. Они могли бы быть пока не известными видами стабильных частиц, с массой, намного большей, чем у протона. Если это так, это тоже было бы крупное открытие.

Конечно, всегда возможно, что ошибочен эксперимент. Команда AGASA сообщает, что их измерения энергии точны с неопределённостью в 25 процентов, что является большим процентом ошибки, но всё ещё не достаточным, чтобы объяснить существование высоко-энергичных событий, которые они видят. Однако, их оценка степени точности их эксперимента тоже могла быть ошибочной.

К счастью, проводимый в настоящее время эксперимент разрешит рассогласования. Это Детектор космических лучей Аугера, уже запущенный в работу в пампасах западной Аргентины. Если детекторы Аугера подтвердят японские наблюдения, и если другие возможные объяснения могут быть опущены, это было бы самым важным открытием последних ста лет – первое нарушение основных теорий, содержащих в себе научную революцию двадцатого столетия.

Что означает наблюдать частицы космических лучей с такой экстремальной энергией? Когда частица такой энергии ударяется о верхние слои атмосферы, она производит ливень других частиц, которые проливаются вниз на площадь во много квадратных километров. Эксперимент Аугера состоит из сотен детекторов, занимающих более 3000 квадратных километров аргентинских пампасов. Также на этой площади несколько световых сенсоров высокого разрешения сканируют небо, чтобы захватить свет, произведённый ливнем частиц. Объединяя сигналы, полученные от всех этих детекторов, исследователи Аугера могут определить энергию исходной частицы, которая врезалась в атмосферу, точно так же, как направление, с которого она прибыла.

Как об этом пишут, обсерватория Аугера только выпустила свои первые данные. Хорошая новость, что эксперимент работает хорошо, но всё ещё не вполне достаточно данных, чтобы решить, имеется ли отсечка, предсказанная на основе СТО, или нет. Всё ещё разумно надеяться, что по истечении нескольких лет будет достаточно данных, чтобы решить проблему.

Даже если команда Аугера объявит, что СТО остаётся жизнеспособной, одна эта находка будет самой важной в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет – это значит, со времён неудачи поиска распада протона (см. главу 4). Долгая тёмная эра, во время которой теория развивалась без руководства со стороны эксперимента, наконец, закончится. Но если Аугер откроет, что СТО не полностью верна, это возвестит приход новой эры в фундаментальной физике. Стоит уделить некоторое время, чтобы рассмотреть последствия такой революционной находки и куда она может привести.

14
Равняясь на Эйнштейна

Предположим, что проект Аугера или некоторый другой эксперимент покажет, что СТО Эйнштейна нарушается. Это будет плохой новостью для теории струн: Это означало бы, что первое великое экспериментальное открытие двадцать первого века было полностью неожиданным для самой популярной «теории всего». Теория струн предполагает, что СТО верна точно в том виде, как она была записана Эйнштейном сто лет назад. На самом деле важным достижением теории струн было сделать теорию струн согласующейся как с квантовой теорией, так и с СТО. Так что теория струн предсказывает, что независимо от того, как далеко находятся их источники друг от друга, фотоны с разными частотами путешествуют с одной и той же скоростью. Как мы видели, теория струн не делает много предсказаний, но это одно из них; фактически, это единственное предсказание теории струн, которое может быть проверено с помощью существующей технологии.

Что означало бы для предсказаний СТО быть фальсифицированными? Имеются две возможности. Одна в том, что СТО неверна, но другая возможность приводит к углублению СТО. На этом разграничении основывается история, возможно, самой удивительной новой идеи, появившейся в фундаментальной физике в последнее десятилетие.

Имеются несколько экспериментов, которые могли бы обнаружить нарушение или модификацию СТО. Эксперимент Аугера мог бы сделать это, но также это могли бы сделать наши наблюдения гамма-вспышек. Это гигантские взрывы, которые за несколько секунд могут произвести столько света, сколько излучает целая галактика. Как подразумевает название, большая часть этого света излучается в виде гамма-лучей, которые являются очень энергичной формой фотонов. Сигналы от этих взрывов достигают Земли в среднем около раза в день. Впервые они были обнаружены в конце 1960-х военными спутниками, построенными для поиска нелегальных испытаний ядерного оружия. Сегодня они наблюдаются научными спутниками, чья цель и заключается в их обнаружении.

Мы не знаем точно, что является источником гамма-вспышек, хотя имеются правдоподобные теории. Они могут возникать от столкновения двух нейтронных звёзд или нейтронной звезды и чёрной дыры. Каждая пара могла бы вращаться друг вокруг друга миллиарды лет, но такие системы нестабильны. Поскольку они излучают энергию в виде гравитационных волн, они очень медленно сближаются в направлении друг друга по спирали, пока, наконец, не столкнутся, породив самое неистовое и энергичное из известных событий.

СТО Эйнштейна говорит нам, что весь свет путешествует с одинаковой скоростью независимо от его частоты. Гамма-вспышки обеспечивают лабораторию для проверки этого утверждения, поскольку они дают очень короткую вспышку фотонов в широком диапазоне энергий. Самое важное, им могут потребоваться миллиарды лет, чтобы достичь нас, и в этом заключается сердцевина эксперимента.

Предположим, что Эйнштейн ошибся и фотоны с различными энергиями путешествуют со слегка различными скоростями. Если два фотона, созданные в одном и том же удалённом взрыве, достигли Земли за разные времена, это, несомненно, будет указывать на нарушение СТО.

Что могло бы подразумевать такое важное открытие? Это могло бы, в первую очередь, зависеть от физического масштаба, на котором происходит нарушение. Одна ситуация, когда мы ожидаем, что разрушение СТО происходит на планковской длине. Вспомним из предыдущих глав, что длина Планка составляет около 10⁻²⁰ от размера протона. Квантовая теория говорит нам, что этот масштаб представляет порог, ниже которого классическая картина пространства-времени распадается. Эйнштейновская СТО является частью классической картины, так что мы можем ожидать, что она нарушится точно в этой точке.

Могут ли какие-нибудь эксперименты увидеть эффект нарушения структуры пространства и времени на планковском масштабе? С помощью современной электроники могут быть обнаружены очень мелкие разницы во временах прибытия фотонов, но достаточно ли современная электроника хороша, чтобы измерить даже ещё более ничтожные эффекты квантовой гравитации? За десятилетия мы, теоретики, приучились, что планковская длина столь мала, что ни один осуществимый сегодня эксперимент не смог бы её обнаружить. Точно так же большинство профессоров физики сотню лет назад были уверены, что атомы слишком малы, чтобы увидеть их, мы повторяли эту ложь в бесчисленных статьях и лекциях. Но это ложь.

Поразительно, это говорилось, пока в середине 1990-х для нас не стало ясно, что мы на самом деле могли бы прозондировать масштаб Планка. Как временами происходит, несколько людей осознали это, но в итоге были отвергнуты, когда они попытались опубликовать свои идеи. Одним был испанский физик Луис Гонсалес-Местрес из Центра национальных научных исследований в Париже. Открытие, подобное этому, может быть сделано несколько раз независимо, пока кто-то не привлечёт внимания сообщества специалистов, в известном смысле, навязав его. В данном случае это был Джованни Амелино-Камелиа из Университета Рима. Сейчас, разменяв свой пятый десяток лет, Амелино-Камелиа энергичен, сфокусирован и влюблён в физику, со всем шармом и огнём, ассоциирующимися с южной Италией. Квантово-гравитационное сообщество счастливо считать его своим членом.

Когда Амелино-Камелиа был постдоком в Оксфорде, он установил себе задачу поиска способа наблюдения физики на планковском масштабе. В то время это казалось совершенно сумасшедшей целью, но он вызвался доказать, что общепринятое знание неверно и можно достичь некоторого способа сделать это. Он был вдохновлён проверками распада протона. Распад протона (см. главу 4) был предсказан как экстремально редкое событие, но если вы соберёте достаточно протонов вместе, вы могли бы ожидать увидеть его. Гигантское число протонов выполнило бы функцию усилителя, сделав видимым нечто экстремально малое и редкое. Вопрос, которым задался Амелино-Камелиа, был в том, а не мог бы какой-то такой усилитель помочь обнаружить явления на планковском масштабе.

Мы уже отмечали два примера успешного усиления: космические лучи и фотоны от гамма-вспышек. В обоих случаях мы использовали саму вселенную как усилитель. Её огромные размеры очень сильно усиливают вероятность экстремально редких событий, а гигантское количество времени, которое нужно свету, чтобы пропутешествовать через неё, может усилить мельчайшие эффекты. На то, что эти виды экспериментов могли бы теоретически сигнализировать о нарушении СТО, внимание обращалось и ранее. Амелино-Камелиа открыл именно то, что мы могли бы на самом деле разработать эксперименты для зондирования планковского масштаба, а поэтому квантовой гравитации.

Типичное изменение в скорости фотона из-за квантовой гравитации должно было бы быть неправдоподобно малым, но эффект чрезвычайно усиливается за время его путешествия от гамма вспышки, которое может составлять миллиарды лет. Физики несколько лет назад осознали, используя грубые оценки размера эффектов квантовой гравитации, что промежуток времени между прибытиями фотонов с различной энергией, которые путешествовали так долго, мог бы составлять около 1/1000 секунды. Это мельчайший промежуток времени, но он хорошо попадает в область, которая может измеряться современной электроникой. На самом деле новейший детектор гамма-лучей, названный GLAST (Gamma Ray Large Area Space Telescope – Пространственный Гамма-лучевой Телескоп Большой Площади), имеет этот уровень чувствительности. Он запланирован к запуску летом 2007 года, и его результаты страстно ожидаются.

С того времени, как барьер был впервые пробит Амелино-Камелиа и его сотрудниками, мы открыли, что имеется множество способов зондирования планковского масштаба реальными экспериментами. Сумасшедший вопрос Амелино-Камелиа стал респектабельной областью науки.

Так предполагаемые новые экспериментальные результаты противоречат СТО на планковском масштабе. Что это могло бы сказать нам о природе пространства и времени?

Я упоминал в начале этой главы, что имеются две возможности. Мы уже обсуждали одну, которая состоит в том, что принцип относительности движения неверен – что означает, что мы должны на самом деле различать абсолютное движение от абсолютного покоя. Это было бы провал принципа, который был осью колеса физики со времён Галилея. Я лично нахожу эту возможность отвратительной, но, как учёный, я должен допускать, что это реальная возможность. На самом деле, если результаты AGASA, японского эксперимента по космическим лучам, подтвердятся, такое нарушение в СТО могло уже быть видно.

Но это единственная возможность? Большинство физиков, вероятно, могли бы сказать, что если фотоны с различными энергиями путешествуют с различными скоростями, то СТО неверна. Я определённо сказал бы так десять лет назад. Но я ошибся бы.

СТО Эйнштейна основывается на двух постулатах: Один есть относительность движения, а второй есть постоянство и универсальность скорости света. Может ли первый постулат быть верным, а второй ложным? Если это невозможно, Эйнштейн не стал бы выдвигать два постулата. Но я не думаю, что многие люди осознавали до недавнего времени, что вы можете получить последовательную теорию, в которой вы измените только второй постулат. Оказывается, что вы можете это сделать, и разработка этого была одной из самых восхитительных вещей, в которых я имел счастье принимать участие на протяжении моей карьеры.

Новая теория названа деформированной или двойной СТО, для краткости DSR (deformed, doubly special relativity). Она возникла из простого вопроса, который кажется приводящим к парадоксу.

Как отмечалось, мы убеждены, что длина Планка есть своего рода порог, ниже которого обнаруживается новый вид геометрии, из тех, что по своей внутренней сути квантово-механический. Различные подходы к квантовой гравитации согласуются в одном: Планковская длина в некотором смысле есть размер минимальной вещи, которая может быть наблюдаема. Вопрос в том, будут ли все наблюдатели согласны с тем, что это самая короткая длина?

Согласно СТО Эйнштейна различные наблюдатели не согласуются по поводу длин движущихся объектов. Наблюдатель, совпадающий с метровой палкой, скажет, что её длина метр. Но любой наблюдатель, двигающийся по отношению к первому, будет наблюдать её более короткой. Эйнштейн назвал это феноменом сокращения длины.

Но это подразумевает, что не может быть такой вещи как «самая короткая длина». Не имеет значения, насколько коротким что-либо является, вы можете сделать его ещё короче, начав двигаться относительно него со скоростью очень близко к скорости света. Таким образом, обнаруживается противоречие между идеей планковской длины и СТО.

Теперь вы можете подумать, что кто-то, профессионально вовлечённый в проблему квантовой гравитации, мог бы споткнуться об это противоречие. Вы можете даже подумать, что некоторый блестящий студент на первом курсе физфака поднял этот вопрос. Как никак, каждый выдающийся физик, отвечающий за самую тяжёлую работу в теории струн и квантовой гравитации, однажды был наивным студентом. Не должны ли были, по меньшей мере, несколько из них увидеть эту проблему? Но, насколько мне известно, очень немногие это сделали до недавнего времени.

Один из них был Джованни Амелино-Камелиа. В некоторый момент в 1999 году он пришёл к только что описанному парадоксу, и он решил его. Его идея была в расширении рассуждений, которые привели Эйнштейна к СТО.

Второй постулат СТО, который говорит, что скорость света универсальна, оказывается почти противоречащим сам себе. Почему? Рассмотрим отдельный протон, отслеживаемый двумя наблюдателями. Предположим, что два наблюдателя двигаются по отношению друг к другу. Если они измеряют скорость этого отдельного протона, мы обычно ожидали бы, что они получат различные ответы, поскольку так ведут себя нормальные объекты. Если я вижу автобус, обгоняющий меня, что выглядит для меня, как будто он едет со скоростью 10 километров в час, поскольку я нахожусь в автомобиле, с визгом несущемся по автостраде при 140 километрах в час, наблюдатель, стоящий на обочине дороги, будет видеть автобус, двигающийся со скоростью 150 км/час. Но если я наблюдаю фотон при тех же условиях, СТО говорит, что придорожный наблюдатель измерит ту же самую скорость фотона, которую он имеет и по моему мнению.

Так почему здесь нет противоречия? Ключ в том, что мы не измеряем скорость непосредственно. Скорость есть отношение: Это определённое расстояние, отнесённое к определённому времени. Центральное прозрение Эйнштейна в том, что различные наблюдатели измеряют фотон, имеющий одну и ту же скорость относительно обоих наблюдателей, даже если они двигаются по отношению друг к другу, поскольку они различным образом измеряют пространство и время. Их измерения времени и расстояния изменяются от одного к другому таким образом, что одна скорость, а именно, световая, является универсальной.

Но если мы можем проделать это с одной константой, почему не можем с другой? Не могли бы мы сыграть тот же трюк с расстоянием? Это значит, мы понимаем, что в общем случае наблюдатели измеряют двигающуюся метровую палку как имеющую меньше метра в длину. Это будет верно для большинства длин, но не можем ли мы устроить вещи так, что, когда мы в конце получим любыми путями планковскую длину, эффект пропадёт? Это означает, что если палка в точности планковской длины, все наблюдатели будут согласны с её длиной, даже если она движется. Не можем ли мы тогда получить две универсальные величины, скорость и длину?

Эйнштейн сформировал первый трюк, поскольку ничто не может двигаться быстрее, чем свет. В мире имеются два вида вещей – вещи, которые двигаются со скоростью света, и вещи, которые двигаются медленнее, чем скорость света. Если один наблюдатель видит нечто, двигающееся медленнее скорости света, все наблюдатели будут видеть то же. А если один наблюдатель видит нечто, двигающееся точно со скоростью света, все наблюдатели тоже будут согласны с этим.

Идея Амелино-Камелиа была в том, чтобы сыграть ту же игру с длиной. Он предложил модифицировать правила, по которым измерения пространства и времени отличаются от одного наблюдателя к другому, так что если нечто имеет планковскую длину, тогда все наблюдатели будут согласны, что это имеет планковскую длину, а если оно длиннее, чем длина Планка, все наблюдатели будут согласны по этому поводу тоже. Эта схема может быть последовательной, поскольку ничто не может быть меньше для любого наблюдателя, чем длина Планка.