Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Я объясню физические принципы, лежащие в основе этих и других теоретических достижений, и новые представления о пространстве, делающие их допустимыми. Далее мы столкнемся с еще более фантастической возможностью, которую годом позднее обнаружили физик Андреас Карч и я: возможно, мы живем в трехмерном кармане пространства, хотя вся остальная Вселенная ведет себя так, как будто у нее большее число измерений. Этот результат открывает массу новых возможностей для структуры пространства-времени, которое может состоять из отдельных областей, каждая из которых имеет разное число измерений. Мы не только не находимся в центре Вселенной, как пять столетий тому назад сказал Коперник, но, возможно, живем в изолированной области с тремя пространственными измерениями, являющейся частью многомерного космоса.
Изученные в последнее время мембраноподобные объекты, называемые бранами, являются важными компонентами богатых многомерных ландшафтов. Если дополнительные измерения являются игровой площадкой физика, то миры бран — гипотетические вселенные, в которых мы живем на одной из бран, — являются как бы фантастическими многослойными многогранными детскими гимнастическими стенками. Эта книга поведет вас в мир бран и вселенных с закрученными, искривленными, большими и бесконечными измерениями, некоторые из которых содержат единственную брану, а другие состоят из множества бран, приютивших невидимые миры. И все это находится в области возможного.
Возбуждение от неизведанного
Постулированные миры бран являются теоретическим актом веры, а содержащиеся в них идеи — умозрительными. Однако, как при игре на бирже, более рискованные ставки могут привести к проигрышу, но они могут и наградить вас большим выигрышем.
Представьте вид снежного покрова под лыжным подъемником в первый солнечный день после снегопада, когда нетронутый снег манит вас наверх. Вы чувствуете — эх, что бы там ни было, но раз вы встали на лыжи, дальше вас ждет прекрасный день. Некоторые спуски будут крутыми и полными ухабов, некоторые — легкими прогулками, а некоторые — сложными извилистыми путями среди деревьев. Но даже если вы случайно сделаете неправильный поворот, большую часть дня вы будете чудесно вознаграждены.
Для меня построение моделей — под этим физики понимают поиск теорий, которые могли бы объяснять современные наблюдения, — обладает такой же неотразимой привлекательностью. Построение моделей — это путешествие с приключениями сквозь понятия и идеи. Иногда новые идеи очевидны, иногда же найти и использовать их сложно. Однако, даже если мы не знаем, куда они приведут, интересные новые модели часто вторгаются в неизведанные волшебные области.
Сейчас мы не знаем, какая из теорий правильно указывает наше место во Вселенной. Для некоторых теорий мы этого никогда и не узнаем. Но, как это ни кажется невероятным, это не так для теорий с дополнительными измерениями. Самое удивительное свойство любой теории с дополнительными измерениями, объясняющей слабость гравитации, состоит в том, что если она правильна, то мы скоро об этом узнаем. Эксперименты, изучающие взаимодействия частиц очень высоких энергий, могут обнаружить свидетельства в пользу этих предположений и лежащих в их основе дополнительных измерений в течение ближайших пяти лет, как только будет построен и запущен Большой адронный коллайдер (БАК) — ускоритель частиц очень большой энергии вблизи Женевы.
На этом коллайдере, который должен вступить в строй в 2007 году[4], будут изучаться соударения невероятно энергичных частиц, способных затем превращаться в никогда ранее не наблюдавшиеся новые типы материи. Если какие-нибудь из теорий с дополнительными измерениями правильны, они оставят видимые следы на БАК. Свидетельства будут включать частицы, называемые модами Калуцы — Клейна, которые путешествуют в дополнительных измерениях, но оставляют следы своего существования здесь, в знакомых нам трех измерениях. Моды Калуцы — Клейна будут отпечатками пальцев дополнительных измерений в нашем трехмерном мире. А если нам очень повезет, экспериментаторы зарегистрируют и другие улики, возможно, даже многомерные черные дыры.
Детекторы, которые будут фиксировать эти объекты, настолько велики и впечатляющи, что работа на них будет требовать альпинистского снаряжения вроде ремней безопасности и шлемов. Однажды я воспользовалась этим снаряжением, когда взбиралась на ледник в Швейцарии вблизи ЦЕРНа (Европейский центр ядерных исследований), физического центра, в котором находится БАК. Эти громадные детекторы будут регистрировать свойства частиц, которые затем будут использованы физиками для реконструкции соударения.
По общему мнению, свидетельство существования дополнительных измерений будет до некоторой степени косвенным, и нам придется собрать вместе разные улики. Но это верно почти для всех недавних физических открытий. Физика двадцатого века в своем развитии все больше удалялась от вещей, которые можно непосредственно наблюдать невооруженным глазом, к вещам, которые можно «увидеть» только с помощью объединения измерений и теоретической цепочки логических рассуждений. Например, знакомые уже из курса школьной физики кварки, составные части протона и нейтрона, никогда не существуют изолированно; мы находим их, двигаясь по следам, которые они оставляют в результате влияния на другие частицы. Так же обстоят дела с поразительными вещами, известными под названием темная энергия и темная материя. Мы не знаем, откуда взялась большая часть энергии во Вселенной, или какова природа большей части содержащегося во Вселенной вещества. Однако мы знаем, что темная материя и темная энергия во Вселенной существуют, и не потому что мы непосредственно детектировали их, а потому что они оказывают заметное влияние на окружающую их обычную материю. Как кварки или темная энергия и темная материя, существование которых мы устанавливаем лишь косвенно, дополнительные измерения непосредственно не проявляются. Тем не менее следы дополнительных измерений, хотя и косвенные, могут окончательно подтвердить их существование.
Скажем с самого начала, что, очевидно, не все новые идеи оказываются правильными и многие физики скептически относятся к любой новой теории. Не являются исключением и те теории, которые я представляю в этой книге. Однако единственный путь достижения прогресса в нашем понимании — это умозрительное построение. Даже если окажется, что не все детали согласуются с реальностью, новая теоретическая идея может пролить свет на физические принципы, действующие в истинной теории космоса. Я совершенно уверена, что идеи относительно дополнительных измерений, с которыми мы познакомимся в этой книге, содержат значительно больше, чем зачаток истины. Сталкиваясь с неизведанным и работая с умозрительными идеями, я черпаю оптимизм из истории открытий фундаментальных явлений, которые всегда приходили неожиданно и сталкивались со скептицизмом и сопротивлением. Любопытно, что не только простая публика, но иногда те самые люди, которые открывали фундаментальные понятия, поначалу верили в них с большой неохотой.
Например, Джеймс Клерк Максвелл, создавший классическую теорию электричества и магнетизма, не верил в существование фундаментальных единиц заряда, таких как электрон. Джордж Стони, в конце девятнадцатого века предложивший считать заряд электрона фундаментальной единицей заряда, не верил в то, что ученым когда-либо удастся изолировать электроны от атомов, составными частями которых они являются. (На самом деле, все, что требуется, это теплота или электрическое поле.) Дмитрий Менделеев, создатель Периодической системы элементов, отвергал понятие валентности, закодированное в этой системе. Макс Планк, предложивший считать, что свет переносит энергию порциями, не верил в реальность световых квантов, представление о которых неявно содержалось в его собственной идее. Альберт Эйнштейн, который ввел понятие о квантах света, не знал, что их механические свойства позволяют отождествить их с частицами — фотонами, которыми, как мы сейчас знаем, они являются. Однако не каждый, у кого возникали правильные новые идеи, отвергал их связь с реальностью. Многие идеи, несмотря на то, верили в них или нет, оказывались правильными.
Много ли открытий осталось ждать? Для ответа на этот вопрос я обращусь к довольно беспощадным словам Георгия Гамова, выдающегося физика-ядерщика и популяризатора науки. В 1945 году он писал: «Вместо довольно большого числа „неделимых атомов“ классической физики мы имеем теперь всего три существенно различных объекта — нуклоны, электроны и нейтрино…Поэтому похоже, что мы уже достигли дна в нашем поиске базисных элементов, из которых состоит материя». Когда Гамов писал это, он не имел представления о том, что нуклоны состоят из кварков, которые будут открыты через тридцать лет!
