Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Мы собираемся исследовать некоторые из этих новых миров на бранах. Мы зададимся вопросом, на что они похожи и к каким следствиям это приводит. Мы не будем ограничиваться мирами на бранах, явно выведенными из теории струн, а рассмотрим модельные миры на бранах, которые уже принесли новые идеи в физику частиц. Физики настолько далеки от понимания приложений теории струн, что было бы преждевременным исключать модели только потому, что никто еще не нашел примера теории струн с конкретным набором частиц или взаимодействий, или конкретным распределением энергии. Такие миры на бранах следует рассматривать как мишени для исследования теории струн. На самом деле модель закрученной иерархии, о которой я говорю в гл. 20, была выведена из теории струн только после того, как Раман Сундрум и я предложили ее как возможный мир на бране.
В последующих главах будет представлено несколько различных миров на бранах. Каждый из них будет иллюстрировать совершенно новое физическое явление. Первый мир на бранах покажет, каким образом миры на бранах могут избежать анархического принципа. Второй покажет, что измерения могут быть много больше, чем мы ранее полагали; третий покажет, что пространство-время может быть настолько искривлено, что можно ожидать появления объектов с совершенно разными размерами и массами; наконец, последние два покажут, что даже бесконечные дополнительные измерения могут быть невидимыми, если пространство-время искривлено, и что пространство-время может даже казаться имеющим разные размерности в разных местах.
Я представляю несколько моделей, так как все они соответствуют реальным возможностям. Но не менее важно, что каждая из них содержит некоторое новое свойство, о котором до недавнего времени физики думали как о немыслимом. В конце каждой главы я резюмирую значение каждой модели и то, как она нарушает общепринятые взгляды. При желании вы можете прочесть эти помеченные маркером выводы и получить общую картину, краткое резюме значения той конкретной модели, которая объясняется в тексте главы.
Прежде чем приступать к описанию этих миров на бранах, я кратко опишу первый известный мир на бранах, выведенный непосредственно из теории струн. Петр Хоржава и Эдвард Виттен натолкнулись на этот мир на бранах (по инициалам авторов названный ХВ-мир), изучая дуальность в теории струн. Я представляю эту модель, так как она не только интересна сама по себе, но и обладает рядом свойств, являющихся предвестником свойств других миров на бранах, с которыми мы вскоре столкнемся.
Теория Хоржавы — Виттена
Мир на бранах ХВ изображен на рис. 72. Это одиннадцатимерный мир с двумя параллельными бранами, каждая из которых имеет девять пространственных измерений и ограничивает пространство балка с десятью пространственными измерениями (всего одиннадцать пространственно-временных измерений). Вселенная ХВ была первой теорией мира на бранах; в мире ХВ каждая из двух бран содержит разные наборы частиц и взаимодействий.
Взаимодействия на двух бранах те же, что и у гетеротической струны, введенной в гл. 14; это была построенная Дэвидом Гроссом, Джеффом Харви, Эмилем Мартинесом и Райаном Ромом теория, в которой колебания, движущиеся вдоль струны направо и налево, взаимодействуют по-разному. Половина этих взаимодействий закреплена на одной из двух граничных бран, другая половина — на другой. На каждой из двух бран удерживается достаточно взаимодействий и частиц, чтобы любая брана в принципе могла содержать все частицы Стандартной модели (и следовательно нас). Хоржава и Виттен предположили, что частицы и взаимодействия Стандартной модели расположены на одной из двух бран, а гравитация и другие частицы, являющиеся частью теории, но которые мы никогда не наблюдали в нашем мире, могут свободно путешествовать по другой бране или вне бран в полном одиннадцатимерном балке.
На самом деле мир на бранах ХВ не просто имел те же взаимодействия, что и гетеротическая струна, — он и был гетеротической струной, хотя и с сильной константой связи струны. Это еще один пример дуальности. В этом случае одиннадцатимерная теория с двумя бранами, ограничивающими одиннадцатое измерение (десятое пространственное), дуальна десятимерной гетеротической струне. Иначе говоря, когда взаимодействия гетеротической струны очень сильны, теория лучше описывается как одиннадцатимерная теория с двумя граничными бранами и девятью пространственными измерениями. Это напоминает обсуждавшуюся в предыдущей главе дуальность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией. Но в нашем текущем примере одиннадцатое измерение не свернуто, а, напротив, ограничено двумя бранами. Повторим еще раз, что одиннадцатимерная теория может быть эквивалентной десятимерной, хотя в одной теории есть сильные взаимодействия, а в другой есть слабые.
Конечно, даже если частицы Стандартной модели захвачены на брану, теория будет все еще иметь больше измерений, чем мы видим вокруг. Если мир на бранах ХВ должен соответствовать реальности, шесть его измерений должны быть невидимы. Хоржава и Виттен предположили, что шесть измерений свернуты в крохотное многообразие Калаби — Яу.
Если шесть измерений свернуты, о вселенной ХВ можно думать как о пятимерной эффективной теории с четырехмерными граничными бранами. Такая картина пятимерной вселенной с двумя граничными бранами интересна и исследовалась многими физиками. Раман и я применили определенную технику, которую Берт Оврут и Дэн Уолдрам использовали для изучения эффективной теории ХВ, к различным пятимерным теориям, о которых я расскажу в гл. 20 и 22.
Одно поразительное свойство мира на бранах ХВ заключается в том, что он может включить в себя не только частицы и взаимодействия Стандартной модели, но также и полную теорию Великого объединения. Поскольку гравитация берет начало в высших измерениях, оказывается возможным, что гравитация и другие взаимодействия будут иметь в этой модели одинаковые константы при высоких энергиях.
Мир на бранах ХВ иллюстрирует три причины, благодаря которым миры на бранах могут иметь отношение к физике в реальном мире. Во-первых, он включает более одной браны. Это означает, что он может содержать взаимодействия и частицы, взаимодействующие друг с другом только слабо из-за расстояния между двумя бранами, на которых они закреплены. Частицы, удерживаемые на разных бранах, могут сообщаться друг с другом только через общие взаимодействия с частицами в балке. Это первое свойство окажется важным в моделях секвестирования, которые мы рассмотрим в следующей главе.
Второе важное свойство мира на бранах заключается в том, что любой мир на бранах вводит в физику новые масштабы длины. Эти новые масштабы, например размер дополнительных измерений, могут иметь отношение к объединению взаимодействий или проблеме иерархий. Проблемы в каждой из этих теорий сосредоточены вокруг вопроса о том, почему в единой теории должны быть настолько различные энергетические и массовые масштабы и почему квантовые эффекты не стремятся их сгладить.
Наконец, браны и балк могут нести энергию. Эта энергия может быть запасена в бранах и в многомерном балке; она не зависит от присутствия частиц. Как и все формы энергии, эта энергия искривляет пространство-время балка. Скоро мы увидим, что такая кривизна пространства-времени, вызванная распределенной повсюду в пространстве энергией, может быть очень важной для миров бран.
Мир бран Хоржавы — Виттена, безусловно, имеет много поразительных свойств. Однако он также испытывает трудности, которые, по-видимому, присущи всем реализациям теории струн при воспроизведении известной физики. Теорию ХВ очень трудно проверить экспериментально, так как ее измерения очень малы. Многие невидимые частицы должны быть достаточно тяжелыми, чтобы избежать детектирования, а шесть измерений теории должны быть свернуты, хотя ни размер, ни форма свернутых измерений пока что не определены.
Следуя таким путем, можно случайно наткнуться на версию теории струн, правильно описывающую природу; такую возможность полностью исключить нельзя. Однако для этого нам действительно должно очень повезти. Но проблемы физики частиц также требуют к себе внимания, и стоит исследовать, как их можно решить в мире с дополнительными пространственными измерениями и бранами, простирающимися только вдоль некоторых их них. Этому посвящена оставшаяся часть книги.
Что стоит запомнить
• Миры на бранах возможны в рамках теории струн. Частицы и взаимодействия в теории струн могут захватываться на браны.
• Гравитация отлична от всех других взаимодействий. Она никогда не захватывается браной и всегда распространяется вдоль всех измерений.
