Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Постепенно, проникаясь приложениями модели АДД, физики начали более детально исследовать следствия этой модели для реального мира, включая тестирование гравитации, поиски на ускорителях, астрофизические следствия и космологические приложения. Реакция менялась в зависимости от исследовательских интересов или стиля.
Физики, исследования которых опирались на детали Стандартной модели, были счастливы получить возможность разработки новой идеи, которая в любом случае была интересной. Удивительно, что определенная враждебность исходила от некоторых моделестроителей, которые не хотели проститься с идеями о суперсимметрии, укоренившимися за последние годы. Правда, следует признать, что столь драматичное изменение Стандартной модели стало серьезным вызовом. Каждая новая модель должна воспроизводить те свойства Стандартной модели, которые уже были экспериментально проверены, и теориям, которые столь сильно меняют Стандартную модель, надо принять этот вызов. Кроме того, сияющая вершина суперсимметрии — объединение констант, т. е. тот факт, что при большой энергии все взаимодействия будут иметь одинаковую интенсивность, также должна быть стерта. Однако более молодые теоретики, не столь преданные суперсимметрии, были сильно воодушевлены. Дополнительные измерения были свежей, необъезженной идеей, бросающей новые вызовы и ставящей открытые вопросы.
Реакция со стороны теоретиков-струнников также была смешанной. Когда Савас Димопулос приступил к работе над своим проектом, он предвидел, что изучение дополнительных измерений приведет к более тесному объединению теории струн и физики частиц. И теоретики-струнники обратили внимание на работу, хотя большинство из них рассматривали большие дополнительные измерения как интересную идею, которая никогда не будет иметь отношения к теории струн. Для теоретиков-струнников главная проблема была теоретической: очень трудно понять, каким образом измерения могут быть настолько большими, как предполагается в схеме АДД.
Лично я не верила, что дополнительные измерения, даже если они существуют, окажутся столь большими[150]. И по теоретическим причинам (трудно получить измерения, которые столь велики), и по экспериментальным (очень трудно получить работающую космологию), идея выглядит как общий план. Даже Нима, один из адептов идеи, высказывает в этом месте сомнения. Но это была очень важная теоретическая идея. Это новое, ранее не исследовавшееся предложение высветило размеры нашего незнания о гравитации и форме вселенной. Работа АДД стимулировала много новых мыслей, и окажется ли она правильной или нет, она уже оказала важное влияние на мысли физиков. Сценарии с большими измерениями привели к множеству новых предложений по дополнительным измерениям, и предложили много идей для экспериментальной проверки. После того как заработает БАК, теоретические предубеждения будут отброшены, так как следствия точных данных будут неопровержимыми. Кто знает? Они могут оказаться правы.
Что нового
• Если частицы Стандартной модели закреплены на бране, дополнительные измерения могут быть намного больше, чем ранее думали физики: размер этих измерений может быть порядка десятой доли миллиметра.
• Дополнительные измерения могут быть настолько большими, что они могут объяснить, почему тяготение настолько слабее электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
• Если большие дополнительные измерения решают проблему иерархии, гравитация в пространстве больших дополнительных измерений может стать сильной при энергии порядка ТэВ.
• Если гравитация в пространстве с дополнительными измерениями становится сильной при энергии порядка ТэВ, то БАК будет рождать частицы КК с измеримой вероятностью. Частицы КК будут уносить энергию соударения, так что их сигнатурой (характерным признаком) будут события с потерявшейся энергией.
Глава 20
Закрученный пассаж: решение проблемы иерархии
What’s so small to you,
Is so large to me.
If it’s the last thing I do,
I’ll make you see.
Suzanne Vega[151]
Афина вздрогнула и проснулась. К ней снова и снова возвращался тот сон, когда за входом в кроличью нору ее ждал сказочный мир. Но сейчас, когда Кролик объявил: «Следующая остановка — Двумерная страна», Афина не шелохнулась и стала ждать, что же будет дальше.
На остановке в трех пространственных измерениях Кролик объявил: «Если Вы здесь жили, то сейчас окажетесь дома». Но он отказался открыть двери, несмотря на заявления Афины, что она действительно живет здесь и очень хочет вернуться домой.
На следующей остановке попытались войти одетые в униформу шестимерщики. Но Кролик бросил взгляд на их непомерно раздавшиеся тела и резко закрыл двери, говоря, что они вряд ли поместятся, они быстро удалились, после того как Кролик пригрозил обтесать их со всех сторон[152].
Лифт продолжал свое необычное движение. Когда он опять остановился, кролик объявил: «Закрученная геометрия — пятимерный мир»[153]. Он ласково подтолкнул Афину к двери и посоветовал: «Войди в комнату смеха — тебя вернут домой». Так как Кролик упомянул пятое измерение, Афине это показалось маловероятным. Но у нее не было никакого выбора, кроме как войти и надеяться на правоту хитрого Кролика.
Когда вы изучаете иностранный язык, слова, которые вы запоминаете, зависят от ваших конкретных нужд или интересов. Например, во время велосипедного путешествия по Италии, я научилась множеству разных способов просить воды — aqua di rubinetto, aqua minerale, aqua (minerale) gassata, aqua (minerale) naturale и т. п. Аналогично, изучая новые физические сценарии, каждый физик имеет свои собственные представления и собственные вопросы и может поэтому обратить внимание на определенный ряд свойств системы или обнаружить разные приложения того, что уже известно. Каждый из нас может услышать что-то свое, даже когда он сталкивается с теми же словами или ситуациями. Имеет смысл внимательно слушать.
Раман и я размышляли над проблемой иерархии в течение многих лет. Но когда мы начали свое сотрудничество, мы не искали нового, лучшего решения этой проблемы. Мы работали над моделью уединенного нарушения суперсимметрии, которую я описала в гл. 17. В процессе этой работы мы случайно обнаружили замечательную закрученную геометрию пространства-времени (частный тип искривленной геометрии, о которой я вскоре расскажу), ограниченного двумя бранами. Поскольку Раман и я занимались физикой частиц и слабостью гравитационного взаимодействия, мы немедленно поняли потенциальную важность закрученной геометрии: если Стандартная модель физики частиц «живет» в этом пространстве-времени, проблема иерархии может быть решена. Я не уверена, что мы были первыми, изучившими эту конкретную систему уравнений Эйнштейна. Но мы, безусловно, были первыми, кто осознал, что она имеет поразительные последствия.
Следующие несколько глав поясняют эту и другие примечательные возможности искривленного пространства-времени и то, как эти следствия иногда не соответствуют нашим ожиданиям. В этой главе внимание сосредоточено на закрученном пятимерном мире, который может помочь объяснить огромный диапазон масс в физике частиц. В то время как в четырехмерной квантовой теории поля частицы обычно имеют примерно одинаковые массы, в закрученной многомерной геометрии это уже не так. Закрученные геометрии определяют структуру, в которой очень естественно возникают несоизмеримые массы, а квантовые эффекты находятся под контролем.
В конкретной геометрии, описанной в этой главе, мы увидим, что пространство так сильно скручено в присутствии двух плоских граничных бран, что проблема иерархии в физике частиц автоматически решается, не требуя присутствия большого измерения или какого-то другого большого числа. В этом сценарии одна брана испытывает действие большой силы гравитации, а другая не испытывает этого действия вообще. Вдоль пятого измерения пространство-время изменяется так быстро, что оно превращает скромное число, связанное с расстоянием между двумя бранами, в огромное число (порядка десяти миллионов миллиардов), связанное с относительной интенсивностью гравитационного взаимодействия.
Сначала мы объясним слабость гравитации на второй бране в терминах функции вероятности гравитона, определяющей взаимодействия гравитона на любом заданном расстоянии в пятом измерении. Но мы объясним также слабость гравитации иными терминами, основанными на закрученной геометрии, а не на интенсивности гравитационного взаимодействия. Мы увидим, что одним из поразительных следствий закрученной геометрии является то, что размер, масса и даже время зависят от положения вдоль пятого измерения. Закручивание пространства и времени в этой установке из двух бран похоже на закручивание времени вблизи горизонта черной дыры. Но в этом случае время замедляется, геометрия расширяется и на одной из бран частицы приобретают малые массы, так что проблема иерархии автоматически решается.
