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

Теории, которые уединяют частицы, обладают потенциалом для решения многих проблем. История про Икара относится к моему первому подходу к анализу дополнительных измерений — применению уединения к нарушению суперсимметрии. В то время как четырехмерные теории сталкиваются с серьезными проблемами из-за того, что нарушающие суперсимметрию модели в общем случае содержат нежелательные взаимодействия, уединенные модели с нарушенной суперсимметрией кажутся намного более обещающими. Уединение могло бы также объяснить, почему частицы имеют массы, отличающиеся друг от друга, и почему распад протона не происходит в моделях с дополнительными измерениями. В этой главе мы используем идею уединения и несколько ее приложений к физике частиц. Мы увидим, что даже такие идеи, как суперсимметрия, которая, как мы думали, применима в четырехмерном пространстве-времени, могут быть с большим успехом применены в моделях с дополнительными измерениями.

Мой путь к дополнительным измерениям

Физики — счастливые люди в том плане, что у них много возможностей встречаться на конференциях и делиться с коллегами стимулирующими идеями. Но ежегодно проводится такое ошеломляющее количество конференций и рабочих совещаний по физике частиц, что трудно сделать выбор, какие приглашения принять. Одни конференции — это большие собрания, позволяющие ознакомится с текущими работами других и поделиться вашими последними результатами.

Другие — сравнительно небольшие встречи, на два или три дня, где физики сообщают главные результаты в очень специальной области. Есть также расширенные рабочие совещания, где физики завязывают сотрудничество с коллегами или подводят итоги. Иногда конференции проводятся в таких замечательных местах, что было бы грешно их пропустить.

Хотя Оксфорд — очень приятное место, конференция по суперсимметрии, в которой я принимала участие в начале июля 1998 года, относилась ближе к первой категории. Суперсимметрия, которая в течение многих лет рассматривалась как единственный возможный способ решить проблему иерархии, с течением времени развилась в главную область исследований, так что каждый год физики собирались для того, чтобы обсудить последние достижения в этой области.

Однако на Оксфордской конференции были сюрпризы. Самым интересным разделом оказалась не суперсимметрия, а недавно родившаяся идея о дополнительных измерениях. Один из наиболее стимулирующих докладов был посвящен большим дополнительным измерениям (об этом пойдет речь в гл. 19). Другие доклады были посвящены судьбе дополнительных измерений в теории струн, а также возможным экспериментальным приложениями дополнительных измерений. Новизна и гипотетический характер, подобных идей подчеркивались даже самими названиями докладов. Теоретик из Чикаго Джефф Харви и несколько следующих докладчиков шутливо назвали свои доклады так, что они перекликались с Островом Фантазий. Джо Ликкен, теоретик из Фермилаб, даже приготовил слайд с маленьким человечком с табличкой «Da brane. Da brane». (Нет нужды говорить, что пародия на Татту и его знаменитое приветствии «da plane» на Острове Фантазий была понятна только тем, кто смотрел в семидесятых американское TV.)

Несмотря на шутливый стиль, после этой конференции я стала размышлять о дополнительных измерениях и о том, почему проблемы физики частиц могли быть решены в мире с дополнительными измерениями. Хотя я была скептически настроена в отношении больших дополнительных размерностей, которые были одной из горячих тем для обсуждения, и не планировала сама заниматься ими, я была убеждена, что браны и дополнительные измерения могут служить важными инструментами для построения моделей, способных в принципе объяснить некоторые непонятные явления физики частиц, которые не поддаются простым четырехмерным объяснениям.

В том году я планировала провести остаток лета в Бостоне, хотя это было для меня не характерно; большинство бостонских физиков-теоретиков, включая меня, проводило каждый год большую часть лета в разъездах, принимая участие в разного рода конференциях и рабочих совещаниях. Но я решила остаться дома, отдохнуть и подумать о новых идеях.

Раман Сундрум, который был тогда постдоком в Бостонском университете, также решил провести лето в Бостоне. Мы часто встречались на конференциях или пересекались в моем или его институте. Нам даже пришлось недолго в одно и то же время быть постдоками в Гарварде. Так как Раман уже занимался дополнительными измерениями, я решила, что будет полезно обсудить с ним мои идеи.

У Рамана очень интересный характер. Большинство физиков на ранних стадиях своей научной карьеры работают над сравнительно безопасными проблемами — вопросами общего-характера, в которых они, возможно, достигнут прогресса. Однако Раман определенно хотел сосредоточиться на самом, по его мнению, важном, даже если эта задача была очень сложная или ею мало кто занимался. Несмотря на очевидный талант, такой подход к делу не позволил ему получить работу на факультете и привел на третью постдоковскую позицию. Но в это время Раман думал о дополнительных измерениях и бранах; его интересы начали постепенно совпадать с интересами остальной части физического сообщества.

Наше сотрудничество началось в кафе «У Тосканини» (сейчас к сожалению закрытом) в студенческом центре МТИ, где продавали потрясающее мороженое и очень хороший кофе. Кафе было идеальным местом встречи для свободного обсуждения идей, без помех и ограничений, где одновременно можно было насладиться вкусными вещами.

Начавшись с разговоров за кофе, наше исследование развивалось и выкристаллизовывалось. В августе мы достигли этапа, когда нам стали требоваться доски все большего размера, чтобы иметь перед глазами детали наших обсуждений. Так как доска в моем профессорском офисе в МТИ была довольно маленькой, нам приходилось блуждать по «бесконечному коридору» (очень длинному проходу, идущему вдоль всей длины главного здания МТИ) в поисках пустых аудиторий.

Конкретная исследовательская задача, на которой мы сосредоточились, состояла в применении уединения к нарушению суперсимметрии. Идея состояла в том, чтобы уединить частицы, ответственные за нарушение суперсимметрии, от частиц Стандартной модели, тем самым предотвратив нежелательные взаимодействия между ними (рис. 73). Мы выбрали слово «уединение», для того чтобы отличать модели, в которых частицы разделены на разных бранах, от так называемого «скрытого сектора» моделей нарушения суперсимметрии, которые были в то время модными. В моделях скрытого сектора нарушающие суперсимметрию частицы слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, но на самом деле не скрыты (несмотря на название), и поэтому могут взаимодействовать способами, неприемлемыми в реальном мире.

Вначале я была очень воодушевлена нашими идеями, а Раман настроен скептически, но с течением времени наши роли менялись. Один энтузиаст и один скептик, мы проделали большую работу и быстро добрались до сути той физики, о которой мы размышляли. Иногда мы даже слишком быстро отвергали идеи, но обычно один из нас достаточно долго держался за идею, чтобы ее хорошо обсудить и продвинуться вперед.

Френсис Бэкон, который вместе с Галилеем считается одним из основателей современного научного метода, говорил, как сложно двигаться вперед, сохраняя скептицизм, необходимый для уверенности в правильности своих результатов. Как воспринимать идею достаточно серьезно для того, чтобы копаться в ее следствиях, и одновременно отдавать себе отчет, что она может оказаться неверной? Отдельный человек, при наличии достаточного времени, может переходить между этими позициями и прийти в конце концов к правильному ответу. Но если два человека занимают противоположные позиции, то часто требуются часы или даже минуты, чтобы отвергнуть ошибочную, хоть и захватывающую идею.