Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
• 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.
Глава 15
Вспомогательные пассажи: развитие бран
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 браныВ 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.
Сейчас мы увидим, что браны представляют собой нечто большее, чем просто место; они сами являются объектами. Браны похожи на мембраны, и так же, как мембраны, они вполне реальны. Браны могут быть ненатянутыми, и в этом случае они могут двигаться и изгибаться, или они могут быть натянутыми, и в этом случае скорее всего неподвижны. Браны могут обладать зарядами и разным образом взаимодействовать. Кроме того, браны влияют на то, как ведут себя струны и другие объекты. Все эти свойства позволяют утверждать, что браны существенны для теории струн — любая последовательная формулировка теории струн должна включать браны.
В 1989 году Джин Дай, Роб Ли и Джо Полчинский, в то время работавшие в Техасском университете, и независимо чешский физик Петр Хоржава математически доказали существование в уравнениях теории струн решений в виде определенного типа бран, названных D-бранами (в честь Петера Дирихле, немецкого математика XIX века). В отличие от замкнутых струн, которые образуют петлю, открытые струны имеют два свободных конца. Эти концы должны где-то находиться, и в теории струн разрешенные местонахождения концов открытой струны представляют собой D-браны. Балк может содержать более одной браны, так что не все струны обязательно заканчиваются на одной и той же бране. Но Полчинский, Дай, Ли и Хоржава обнаружили, что все открытые струны должны кончаться на бранах, а теория струн показывает, какую размерность и свойства будут иметь эти браны.
Одни браны простираются в трех измерениях, другие — в четырех, пяти и более измерениях. На самом деле теория струн содержит браны, простирающиеся в любом числе измерений вплоть до девяти. Соглашение, принятое в теории струн для нумерации бран, заключается в том, чтобы указывать число измерений пространства, но не пространства-времени, в котором они простираются. Например, 3-брана — это брана, простирающаяся в трех измерениях пространства (но четырех измерениях пространства-времени). Когда мы дойдем до следствий, которые браны оказывают на видимый мир, 3-браны окажутся очень важными. Однако для приложений, которые обсуждаются в этой главе, браны с другим числом измерений также будут играть важную роль.
