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 слоев 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 энерию, 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 удаленных галактик; если так, они должны были путешествовать через вселенную миллионы, а, возможно, миллиарды световых лет, прежде чем прибыли сюда. Давно в 1966 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.[10] 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 ученые 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 все, 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 ученые 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 усложненных 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, 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), осуществленный в Японии, сообщает, по меньшей мере, о дюжине таких экстремальных событий. Энергия, заключавшаяся в этих событиях, превышает 3 х 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 1990х, 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.[11]
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 идет речь, прибывают из любого привилегированного места в небе. До сегодняшнего дня нет таких свидетельств, но возможность остается.
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 неопределенностью в 25 процентов, что является большим процентом ошибки, но все еще 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, произведенный 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 все еще не вполне достаточно данных, чтобы решить, имеется ли отсечка, предсказанная на основе СТО, или нет. Все еще разумно надеяться, что по истечении нескольких лет будет достаточно данных, чтобы решить проблему.
Даже если команда Аугера объявит, что СТО остается жизнеспособной, одна эта находка будет самой важной в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет – это значит, со времен неудачи поиска распада протона (см. главу 4). Долгая темная 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.