Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Но как бы ни было приятно думать, что мы приблизились к открытию связи между теорией струн и Стандартной моделью, все не так просто. Хотя браны необходимы для дуальностей, уменьшающих число явных проявлений теории струн, они на самом деле увеличивают число способов, которыми может возникнуть Стандартная модель. Дело в том, что браны могут приютить частицы и взаимодействия, которые не принимались во внимание теоретиками-струнниками при первоначальном построении теории струн. Из-за большого числа возможностей в отношении того, сколько существует типов бран и где они расположены в многомерном пространстве теории струн, потенциально существует много новых способов реализации Стандартной модели в теории струн, о которых никто еще не помышлял. Взаимодействия в Стандартной модели не обязательно возникают из единственной фундаментальной струны, вместо этого, они могут быть новыми взаимодействиями, возникающими из струн, растянутых между различными бранами. Хотя дуальности утверждают, что исходные пять вариантов теории суперструн эквивалентны, число мыслимых миров на бранах в теории струн громадно.

Похоже, что поиск единственного кандидата на Стандартную модель ничуть не упростился. Когда это стало понятно, эйфория теоретиков-струнников в отношении дуальности утихла. Однако те из нас, кто занимался поиском новых идей для объяснения наблюдаемой физики, парили в небесах. С учетом новых возможностей прикрепления частиц и взаимодействий к бранам, настало время пересмотреть исходные позиции физики частиц.

Свойство бран, важное для их потенциально наблюдаемых приложений, состоит в том, что они могут удерживать частицы и взаимодействия. Цель этой главы — дать читателю представление о том, как это происходит. Мы начнем с объяснения того, почему браны теории струн удерживают частицы и взаимодействия. Мы рассмотрим идею мира на бране, а также первый известный мир на бране, который был выведен из дуальности и теории струн. В последующих главах мы обратимся к тем вопросам миров на бранах и их потенциальных физических приложений, которые я считаю наиболее интересными.

Частицы, струны и браны

Как выразилась Рут Грегори, специалист по общей теории относительности из Даремского университета, браны в теории струн возникают «полностью заправленными» частицами и взаимодействиями. Это означает, что на некоторых бранах уже имеются захваченные частицы и взаимодействия. Как домашние кошки, которые никогда не рискуют покидать стены своего жилища, те частицы, которые прикреплены к бранам, никогда не рискуют отойти от них. Они не могут сделать этого. Их существование определяется существованием бран. Когда частицы движутся, это происходит только вдоль пространственных измерений браны; когда они взаимодействуют, они делают это только на пространственных измерениях, охваченных браной. С точки зрения частиц на бране, если бы не было гравитации и частиц в балке, с которыми они могут взаимодействовать, мир мог бы иметь только измерения на бране.

Теперь посмотрим, каким образом теория струн способна удерживать частицы и взаимодействия на бранах. Представим, что существует только одна D-брана, висящая во вселенной с большим числом измерений. Так как, по определению, оба конца открытой струны должны находиться на единственной D-бране, эта брана будет тем местом, где начинаются и заканчиваются все открытые струны. Концы каждой открытой струны не будут прикреплены в каком-то определенном месте, но будут обязаны лежать где-то на бране. Как рельсы поезда, удерживающие колеса, но позволяющие им катиться, браны действуют как фиксированные поверхности, на которых закреплены концы струны, но по которым, тем не менее, эти концы могут двигаться.

Так как колебательные моды открытых струн — это частицы, то моды открытой струны, у которой оба конца закреплены на бране, — это частицы, закрепленные на этой бране. Такие частицы могут двигаться и взаимодействовать только вдоль измерений, охваченных браной.

Оказывается, что одной из таких частиц, возникающих из связанной на бране струны, является калибровочный бозон, способный переносить взаимодействие.

Мы знаем это, так как спин такой частицы равен спину калибровочного бозона (т. е. 1) и так как он взаимодействует именно так, как это должен делать калибровочный бозон. Такой связанный браной калибровочный бозон будет переносить взаимодействие, которое будет воздействовать на другие связанные с браной частицы, причем, как показывают вычисления, в результате этого взаимодействия частицы на принимающем конце всегда заряжаются. Фактически, конечная точка любой струны, оканчивающейся на бране, будет действовать как заряженная частица. Наличие связанного с браной взаимодействия и этих заряженных частиц говорит о том, что D-брана теории струн возникает «загруженной» заряженными частицами и действующим между ними взаимодействием.

В системах, содержащих более одной браны, возникнет больше взаимодействий и заряженных частиц. Например, пусть имеются две браны. В этом случае, в дополнение к частицам, прикрепленным к каждой бране, появился бы новый тип частиц, возникших из струн, два конца которых находятся на двух различных бранах (рис. 70).

Оказывается, что если две браны отделены друг от друга в пространстве, частицы, связанные со струной, натянутой между ними, будут тяжелыми. Масса частицы, возникающей из колебательных мод такой струны, растет с расстоянием между бранами. Эта масса напоминает энергию, которая накапливается, когда вы растягиваете пружину, — чем больше растяжение, тем больше энергии в ней содержится. Аналогично, легчайшая частица, возникающая из растянутой между двумя бранами струны, будет иметь массу, растущую пропорционально расстоянию между бранами.

Однако когда пружина находится в состоянии покоя, она не запасает никакой энергии. Аналогично, если две струны не разделены, т. е. если они находятся в одном месте, тогда легчайшая частица, возникающая от струны с началом и концом на разных бранах, будет безмассовой.

Предположим теперь, что две браны совмещаются, так что они образуют какие-то безмассовые частицы. Одной из этих безмассовых частиц будет калибровочный бозон, не один из тех калибровочных бозонов, возникших из струн с обоими концами на единственной бране, а совсем другой, новый. Этот новый безмассовый калибровочный бозон, возникающий только при совмещении бран, переносит взаимодействие, действующее на частицы каждой или обеих бран. Кроме того, как и в случае со всеми другими взаимодействиями, взаимодействия на бране связаны с симметрией. В этом случае преобразование симметрии будет менять местами обе браны.

Конечно, если бы две браны действительно были в одном месте, вы могли бы подумать, что довольно странно относиться к ним как к двум разным объектам. И вы были бы правы: если две браны находятся в одном и том же месте, вы можете с полным основанием считать их за одну брану. Такая новая брана существует в теории струн. Она представляет собой тайком совпавшие две браны, и имеет те свойства, которые такие браны должны иметь. На этой бране живут все