Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Рис. 13.2. (а) Открытые струны, с концами, прикреплёнными к двумерным бранам (2-бранам). (б) Струны, соединяющие две разные 2-браны. (в) Струны, соединяющие 2-брану и 1-брану

Работа Польчински как нельзя кстати подошла к открытию Виттена, вызвавшему вторую революцию в теории суперструн. В то время как некоторые из величайших умов в теоретической физике XX в. тщетно пытались сформулировать теорию, содержащую фундаментальные объекты с бо́льшим числом измерений, чем точки (нульмерные) или струны (одномерные), результаты Виттена и Польчински, дополненные важными достижениями множества современных ведущих исследователей, открыли путь к прогрессу в этом направлении. Эти физики не только установили, что теория струн / M-теория содержит объекты более высокой размерности, но результаты Польчински, в частности, дали средства для теоретического анализа их детальных физических свойств (если будет доказано их существование). Польчински показал, что свойства браны определяются в значительной степени свойствами открытых колеблющихся струн, концы которых она захватывает. Подобно тому как вы многое можете узнать о ковре, проведя рукой по его ворсу — шерстяным нитям, прикреплённым к подложке ковра, — так и многие свойства браны можно выяснить, изучая струны, концы которых она держит.

Это великолепный результат. Он показывает, что десятилетия исследований, которые привели к разработке тонких математических методов для изучения одномерных объектов (струн), могут использоваться для изучения объектов более высокой размерности, p-бран. Замечательно то, что Польчински обнаружил: анализ объектов боле высокой размерности сводится в значительной степени к очень знакомому, хотя всё ещё гипотетическому, анализу струн. Именно в этом смысле струны выделяются среди равных. Если вы понимаете поведение струн, то вы уже прошли большой путь к пониманию поведения p-бран.

Имея в виду всё это, давайте теперь вернёмся к сценарию мира на бране — возможности, что все мы живём в пределах 3-браны.

Наша Вселенная как брана

Если мы живём внутри 3-браны — если наше четырёхмерное пространство-время является не чем иным, как историей 3-браны во времени, — то сакраментальный вопрос, является ли пространство-время чем-то сущим, предстаёт в совершенно ином свете. Известное нам пространство-время может появиться из реальной физической сущности теории струн / M-теории — 3-браны, а не из некой смутной или абстрактной идеи. В этом подходе реальность нашего четырёхмерного пространства будет на равных с реальностью электрона или кварка. (Конечно, можно ещё задаться вопросом, является ли сущностью само более крупное пространство-время, в котором существуют струны и браны — одиннадцать измерений теории струн / M-теории; тем не менее реальность арены пространства-времени, которую мы непосредственно окружаем, будет очевидной.) Но если Вселенная, которую мы осознаём, на самом деле является 3-браной, то не может ли даже поверхностный взгляд обнаружить, что мы во что-то погружены — а именно, во внутренность 3-браны?

Что же, мы уже осведомлены о том, во что мы можем быть погружены по предположению современной физики, — в океан Хиггса, в пространство, заполненное тёмной энергией, в мириады флуктуаций квантового поля — и ни одна из этих сущностей непосредственно не воспринимается человеком. Так что не должно вызвать потрясение то, что теория струн / M-теория добавляет ещё одного кандидата в список невидимых сущностей, которые могут заполнять «пустое» пространство. Но не будем спешить в выводах. Мы понимаем воздействие на физику каждой из предыдущих возможностей, а также то, как мы могли бы установить, действительно ли они существуют. В самом деле, мы видели, что уже собраны веские доказательства в пользу существования тёмной энергии и квантовых флуктуаций; доказательство существования поля Хиггса ищется на современных ускорителях и планируется продолжать поиски на будущих ускорителях элементарных частиц. А какова ситуация с 3-браной? Если верен сценарий мира на бране, то почему мы не видим эту 3-брану, и как нам установить, существует ли она на самом деле?

Ответ на этот вопрос показывает, насколько радикально отличаются физические результаты теории струн / M-теории в контексте мира на бране от предшествующих «безбранных» сценариев. В качестве важного примера рассмотрим движение света — движение фотонов. Как вы знаете, в теории струн фотон представляет собой одну из колебательных мод струны. Но математические исследования показали, что в сценарии мира на бране фотоны связаны только с колебаниями открытых струн, замкнутые струны не имеют отношения к фотонам, и это имеет важные следствия. Концы открытых струн могут двигаться как угодно, но только в пределах 3-браны. Это значит, что фотоны (открытые струны с колебательной модой фотонов) могут беспрепятственно путешествовать по всей нашей 3-бране, из-за чего брана становится совершенно прозрачной (полностью невидимой), и это не даёт нам возможности увидеть, что мы погружены в неё.

Не менее важно и то, что концы открытых струн не могут покинуть брану, т. е. они не могут двигаться по дополнительным измерениям. Подобно тому как проволока ограничивает движение нанизанных на неё бусинок или пинбольный стол сдерживает свои шарики, наша липкая 3-брана разрешает фотонам двигаться только в пределах наших трёх пространственных измерений. Поскольку фотоны являются частицами — переносчиками электромагнитного взаимодействия, то это значит, что электромагнитная сила — свет — замкнута в пределах наших трёх измерений, как показано на рис. 13.3 (на примере двумерного пространства).

Рис. 13.3. (а) В сценарии мира на бране фотоны являются открытыми струнами, концы которых заперты внутри браны, так что фотоны не могут покинуть саму брану. (б) Наш мир на бране мог бы плавать в великом просторе дополнительных измерений, остающихся невидимыми для нас, поскольку видимый нами свет не может покинуть нашу брану. Могли бы существовать и другие миры на бранах, плывущие рядом с нами

Это очень сильное утверждение с важными последствиями. Ранее мы требовали, чтобы дополнительные измерения теории струн / M-теории были бы компактно свёрнуты. Ясно, что причина этого требования состоит в том, что раз мы не видим дополнительные измерения, то они должны быть от нас скрыты. А один из способов скрыть их — сделать их настолько малыми, что ни мы, ни наше оборудование не будет в состоянии обнаружить их. Но давайте теперь посмотрим на эту проблему в рамках сценария мира на бране. Как мы обнаруживаем объекты? Когда мы смотрим глазами, мы используем электромагнитное взаимодействие; когда мы применяем мощные инструменты, подобные электронным микроскопам, мы также используем электромагнитное взаимодействие; когда мы берём на вооружение ускорители элементарных частиц, то одной из сил, позволяющих нам заглянуть в микромир, опять же является электромагнитная сила. Но если электромагнитное взаимодействие ограничено нашей 3-браной, нашими тремя измерениями, то с помощью него никак невозможно «пощупать» дополнительные измерения, независимо от их размера. Фотоны не могут вырваться из наших трёх измерений, войти в дополнительные измерения, а затем вернуться к нашим глазам или к нашему оборудованию, позволяя обнаружить дополнительные измерения — даже если бы они были столь же большими, как известные нам измерения нашего пространства.

Так что если мы живём в 3-бране, то есть и альтернативное объяснение того, почему мы ничего не знаем о дополнительных измерениях. Требование, чтобы дополнительные измерения были чрезвычайно малы, необязательно. Они могут быть и большими. Мы не видим их из-за способа, которым смотрим. Мы смотрим посредством электромагнитной силы, которая не в состоянии добраться до любых измерений, помимо трёх известных нам. Подобно муравью, бродящему по плавающему листу лилии, совершенно не ведающему о глубоких водах прямо под видимой поверхностью листа, мы могли бы плавать внутри громадного пространства более высокой размерности, как на рис. 13.3б, но электромагнитная сила — навечно запертая в пределах наших измерений — не может открыть нам это.

Хорошо, но ведь электромагнитное взаимодействие является лишь одним из четырёх взаимодействий природы. Как насчёт остальных трёх? Могут ли они внедриться в дополнительные измерения и позволить нам вскрыть их существование? Что касается сильного и слабого ядерного взаимодействия, то ответ снова отрицательный. Расчёты показывают, что в сценарии мира на бране частицы — переносчики этих взаимодействия (глюоны и W- и Z-частицы) также возникают из колебательных мод открытых струн, так что они тоже заперты, как и фотоны, в трёх наших измерениях, и процессы, включающие сильное и слабое ядерное взаимодействие, столь же слепы по отношению к дополнительным измерениям. То же самое относится и к частицам материи. Электроны, кварки и все прочие типы частиц также возникают из колебаний открытых струн с пойманными концами. Таким образом, в сценарии мира на бране вы и я, а также всё, что мы когда-либо видели, навечно заключены в пределах нашей 3-браны. Учитывая время, можно сказать, что всё заключено в пределах нашего четырёхмерного среза пространства-времени.