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

Такая дуальность подсказывает, что наше понятие измерения не настолько определенно, как кажется, — в определении есть пластичность, которая ускользает от обычной терминологии. Дуальные описания одной теории говорят нам, что ни одна из формулировок не является с необходимостью лучшей. Формулировки и даже число измерений в наилучшем описании могут зависеть, например, от величины струнной константы связи. Поскольку ни одна из теорий не дает лучшего описания, вопрос о числе измерений не всегда имеет простой ответ. Эта неопределенность в смысле измерений и явное появление дополнительного измерения в сильно взаимодействующих теориях представляют собой наиболее важные наблюдения в теоретической физике в последнее десятилетие. Позвольте мне теперь перечислить несколько наиболее интригующих теоретических открытий, которые указывают на то, что понятие измерения несколько более размыто, чем нам бы хотелось думать.

I. Закрученная геометрия и дуальность

В гл. 20 и 21 я объяснила некоторые следствия закрученной геометрии пространства-времени, которую предложили Раман Сундрум и я. В этой геометрии массы и размеры объектов зависят от расположения в пятом измерении, и еще гравитация локализована в окрестности браны. Но есть еще одна замечательная черта у этого закрученного пространства-времени, известного также как пространство анти-де Ситтера, о которой я теперь должна вам рассказать, — черта, которая порождает дальнейшие вопросы о размерности.

Эта замечательная черта пространства анти-де Ситтера заключается в существовании дуальной четырехмерной теории. Ход теоретических мыслей говорит нам, что все, что происходит в пятимерном пространстве анти-де Ситтера, может быть описано в рамках дуальной четырехмерной теории, в которой присутствуют крайне сильные взаимодействия с особыми свойствами. В соответствии с этой таинственной дуальностью все в пятимерной теории имеет аналог в четырехмерной теории. И наоборот.

Хотя математические рассуждения и говорят нам, что пятимерная теория в пространстве анти-де Ситтера эквивалента некоторой четырехмерной, мы не всегда знаем точный набор частиц в этой четырехмерной дуальной теории. Но в 1997 Хуан Малдасена, специалист по струнам (родом из Аргентины, сейчас в Принстоне), представил явный пример такой дуальности в этой теории, чем вызвал лихорадочную активность в теории струн. Он осознал, что версия теории струн с большим числом перекрывающихся Х) — бран, на которых струны сильно взаимодействуют, может быть описана или как четырехмерная квантовая теория поля, или как десятимерная теория гравитации, в которой пять из десяти измерений свернуты, а остальные пять образуют пространство анти-де Ситтера. Как мотут четырехмерная теория и пяти- или десятимерная теория иметь одинаковые следствия? Например, что есть аналог объекта, движущегося в пятом измерении? Ответ состоит в том, что объект, движущийся в пятом измерении, представляется в дуальной четырехмерной теории как объект, который растет или сжимается. Это в точности похоже на тень Афины на Гравибране, которая росла по мере того, как она уходила от Гравибраны через пятое измерение. Кроме того, объекты, движущиеся мимо друг друга в пятом измерении, соответствуют объектам, которые и растут, и сжимаются, и перекрываются в четырех измерениях.

Как только вы вводите браны, следствия дуальности становятся еще более странными. Например, пятимерное пространство анти-де Ситтера с гравитацией, но без бран эквивалентно четырехмерной теории без гравитации. Но как только вы включите в пятимерную теорию брану, как сделали мы с Раманом, эквивалентная четырехмерная теория неожиданно содержит гравитацию. Означает ли эта дуальность, что я вводила вас в заблуждение, когда говорила, что закрученные геометрии являются многомерными теориями? Абсолютно нет. Дуальность интригует, но в действительности она ничего не меняет в том, что я вам рассказала. Даже если кто-нибудь найдет точную дуальную четырехмерную теорию, такую теорию будет крайне трудно изучать. Она должна содержать огромное число частиц и такие крайне сильные взаимодействия, что теория возмущений (см. гл. 15) будет к ней неприменима.

Теории, в которых объекты взаимодействуют с большой силой, почти никогда не поддаются интерпретации без альтернативного описания со слабым взаимодействием. И в этом случае таким разумным описанием является пятимерная теория. Только пятимерная теория допускает достаточно простую подходящую для вычислений формулировку, поэтому имеет смысл думать о теории в пятимерных терминах. Тем не менее, даже если пятимерная теория проще для работы, дуальность все равно заставляет меня интересоваться тем, что же в действительности значит слово «измерения». Мы знаем, что число измерений должно быть числом величин, необходимых для того, чтобы задать положение объекта. Но всегда ли мы уверены в том, что мы знаем, какие величины нужно считать?

II. T-дуальность

Еще одной причиной задать вопрос о значении понятия измерения является эквивалентность между двумя внешне разными геометриями, известная как Т-дуальность. Еще до того, как физики открыли дуальности, которые я обсуждала, они уже открыли Т-дуальность, которая заменяет пространство с крошечным свернутым измерением на другое пространство с огромным свернутым измерением. Как это ни странно, в теории струн крайне малые и крайне большие свернутые измерения приводят к тем же физическим следствиям. Крошечный объем свернутого пространства приводит к тем же физическим следствиям, что и крайне большой.

Т-дуальность применима в теории струн со свернутыми измерениями, потому что в пространстве-времени, компактифицированном в окружность, есть два разных типа замкнутых струн, и эти два типа взаимозаменяются, когда пространство с малым свернутым измерением заменяется на пространство с большим свернутым измерением. Первый тип замкнутых струн осциллирует, когда он движется в свернутом измерении подобно калуца-клейновским частицам, которые мы рассматривали в гл. 18. Другой тип наматывается на свернутое измерение. Он может сделать это раз, два, или любое число раз. И операции Т-дуальности, которые заменяют малое свернутое измерение на большое, взаимозаменяют эти два типа струн.

В действительности Т-дуальность была первым указанием на то, что браны должны существовать: без них в дуальной теории не было бы аналога открытых струн. Но если T-дуальность применима, и крошечное свернутое измерение дает те же физические следствия, что и огромное свернутое измерение, это могло бы означать, что, опять же, наше понятие «измерения» неадекватно.

Это так потому, что если вы захотите сделать радиус одного свернутого измерения бесконечно большим, Т-дуальное свернутое измерение будет окружностью нулевого размера — т. е. окружности вообще не будет. То есть бесконечное измерение в одной теории T-дуально теории, в которой на одно измерение меньше (поскольку окружность нулевого размера не считается измерением). Так T-дуальность тоже показывает, что два внешне разных пространства могут казаться имеющими разное число больших протяженных измерений и тем не менее приводить к тождественным физическим предсказаниям. Еще раз повторю, что понятие измерения неоднозначно.

III. Зеркальная симметрия

T-дуальность применима, когда измерение свернуто в окружность. Но еще более необычная симметрия, чем T-дуальность, есть зеркальная симметрия, которая иногда используется в теории струн, если шесть измерений свернуты в многообразие Калаби — Яу. Зеркальная симметрия говорит, что шесть измерений могут быть свернуты в два очень разных многообразия Калаби — Яу, и тем не менее получающаяся четырехмерная теория на больших расстояниях может быть одной и той же. Многообразие, получающееся в результате применения этой зеркальной симметрии к некоторому многообразию Калаби — Яу, может выглядеть совершенно иначе: оно может иметь другую форму, размер, скрученность или даже некоторое число дырок[182]. Тем не менее, если для некоторого многообразия Калаби — Яу существует зеркальное, то физическая теория, где шесть измерений свернуты в одно из двух многообразий, будет одна и та же. Поэтому и с зеркальными многообразиями две явно разных геометрии приводят к тем же самым предсказаниям.