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

Что стоит запомнить

• Гравитон — это частица, переносящая гравитационное взаимодействие, во многом аналогично тому, как фотон переносит электромагнитное взаимодействие.

• Согласно теории струн, фундаментальными объектами в мире являются струны, а не точечноподобные частицы.

• Современные модели дополнительных измерений не используют явно теорию струн. На расстояниях, превышающих крохотный планковский масштаб длины (10-33 см), достаточно физики частиц.

• Тем не менее теория струн важна для физики частиц даже при низких энергиях благодаря новым понятиям и аналитическим инструментам, которые она вводит.

Insane in the membrane

Insane in the brain.

Cypress Hill[134]

Икар Рашмор XLII решил еще раз нырнуть на крохотный планковский масштаб. К счастью, его Алисэксвир с форсированным движком работал превосходно и Икар плавно возник в десятимерной вселенной, заполненной струнами. Желая поскорее испытать свое новое оборудование, Икар запустил на полную мощность только что купленный по системе Gbay1 гипердвигатель. Он с восхищением наблюдал за тем, как струны сталкивались и перепутывались в чарующем танце.

Хотя Икар опасался, что Алисэксвир может не выдержать, ему очень хотелось побольше узнать об этом новом мире. Поэтому он продолжал давить на рычаг гипердвигателя. Сначала струны стали еще чаще сталкиваться друг с другом. Но когда Икар сильнее надавил на рычаг, он попал в новый, совершенно неузнаваемый мир. Икар даже не мог сказать, не разрушилось ли пространство-время. Но он продолжал разгонять гипердвигатель и, как ни странно, остался целым и невредимым.

Однако окружающий его мир стал совершенно иным. Икар уже не находился в десятимерной вселенной, откуда он начал свое путешествие. Вместо этого он оказался в одиннадцатимерной вселенной, заполненной частицами и бранами. И, как это ни странно звучит, ничто в этой новой вселенной не испытывало тяги к взаимодействию. Бросив взгляд на свои контрольные приборы, Икар обнаружил, что рычаг форсажа загадочным образом вернулся в нижнее положение. Озадаченный и довольно раздраженный Икар снова нажал на рычаг только для того, чтобы вернуться назад, откуда он начал. Проверив приборы, он обнаружил, что рычаг гипердвигателя опять находится в нижнем положении.

Икар подумал, что его Алисэксвир, вероятно, работает неправильно. Но когда он сверился с руководством, он понял, что устройство работает идеально, просто запущенный на полную мощность гипердвигатель в десятимерной теории струн был эквивалентен маломощному гипердвигателю в альтернативном одиннадцатимерном мире, и наоборот.

Руководство не говорило, что должно происходить, когда гипердвигатель работал на промежуточной мощности, не слишком малой и не слишком большой, так что Икар вошел в Спейсернет3 и занес себя в очередь ожидающих исправленной версии машины, которая решила бы проблему. Но создатели Алисэксвира обещали только, что выпуск нового релиза состоится в пределах тысячи лет.

Можно сказать, что в современном физическом мире термин «теория струн» стал неадекватным. Так, теоретик Майкл Дафф шутливо называет «теорию струн» «теорией, ранее известной как струны». Теория струн уже давно является не просто теорией струн, простирающихся в одном пространственном измерении, но также теорией бран, простирающихся в двух, трех и более измерениях. Сейчас мы знаем, что браны, которые могут простираться в любом числе измерений вплоть до того числа, которое содержит теория суперструн, являются в такой же степени частью теории суперструн, как и сами струны. Ранее теоретики игнорировали их, так как они изучали струны в условиях, когда «рычаг» интенсивности взаимодействия струн находился в нижнем положении, и взаимодействия бран были менее существенны. Оказалось, что браны есть тот пропавший кусок, который удивительным образом дополнил ряд картинок-загадок.

В этой главе я опишу эволюцию бран в истории теории струн. Они появились как забавная диковинка, которой можно пренебречь, и со временем превратились в центрального игрока. Мы увидим несколько направлений, следуя которым браны помогли разрешить ряд неясных с середины 1990-х годов вопросов теории струн. Браны помогли физикам понять происхождение загадочных частиц в теории струн, которые, как казалось, не могли возникнуть из струн. А когда физики включили в рассмотрение браны, они открыли дуальные теории — пары теорий, казавшихся весьма различными друг от друга, но имевших одинаковые физические следствия. История про Икара относится к одному поразительному примеру дуальности, который будет использован в этой главе: эквивалентность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией, представляющей собой теорию, в которой есть браны, но нет струн.

В этой главе будет также представлена М-теория, одиннадцатимерная теория, охватывающая как теорию суперструн, так и одиннадцатимерную супергравитацию, существование которой было предсказано с помощью идей, пришедших от теории струн. Никто на самом деле не знает, что означает «М» в названии теории — изобретатель термина Эдвард Виттен умышленно оставил это неясным, но в числе предложений есть слова «мембрана» (membrane), «магия» (magic) и «тайна» (mystery). Здесь я хотела бы добавить, что М-теория все еще остается «отсутствующей теорией» (missing theory), которая постулирована, но не до конца понятна. Однако, даже несмотря на то, что многие вопросы в М-теории остаются без ответа, полученные с помощью бран новые результаты выявили теоретические связи, предполагающие у М-теории наличие более сложной структуры. Именно поэтому теоретики-струнники изучают ее сейчас.

В этой главе мы обновим картину теории струн, которая начала развиваться в 1980-е годы, и представим ряд новых точек зрения, развитых физиками в 1990-е годы. Значительная часть этого материала не будет важна для рассмотрения вопроса о применении бран к физике частиц, и дальнейшие гипотезы о мире бран не будут явно опираться ни на одно из описанных ниже явлений. Поэтому при желании вы можете пропустить эту главу. Однако воспользуйтесь этой возможностью и познакомьтесь с рядом удивительных достижений теории струн, которые и объясняют в значительной степени важность бран в этой теории.

Рождающиеся браны

В гл. 3 мы видели, что браны простираются в некоторых пространственных измерениях (необязательно во всех). Например, браны могут простираться только в трех пространственных измерениях, хотя число пространственных измерений балка намного больше. Дополнительные измерения могут оканчиваться на бранах, иначе говоря, браны могут ограничивать пространство дополнительных измерений. Мы знаем также, что брана может приютить частицы, движущиеся только в ее измерениях. Даже если бы существовало много дополнительных пространственных измерений, захваченные браной частицы двигались бы только в ограниченной области, занятой этой браной; они не могли бы использовать все пространство дополнительных измерений.