Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

• Название: Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
• Автор: Лиза Рэндалл
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-397-01371-0

Вселенная полна удивительных тайн. Возможно, она скрывает от нас дополнительные измерения, разительно отличающиеся от всего, что может себе представить наш здравый смысл, взращенный в обычном трехмерном пространстве. И хотя с каждым годом мы узнаем все больше и больше о нашем мире, сегодня как никогда ранее мы осознаем, что для понимания истинной природы Вселенной нам необходимо сделать еще очень многое.

Лиза Рэндалл принадлежит к разряду тех ученых, которые сами, своими собственными исследованиями совершают прорывы и раздвигают границы современной науки, пытаясь найти ответы на фундаментальные вопросы, поставленные природой.

Л. Рэндалл проводит нас через потрясающий мир закрученных дополнительных измерений, лежащих, возможно, в основе нашей Вселенной, и показывает путь, следуя которому мы сможем убедиться в их существовании.

Книга «Закрученные пассажи» увлекает читателя в удивительное путешествие, проводя его через цепочку открытий от начала двадцатого века до настоящих дней, объясняя суть противоречий между теорией относительности, квантовой механикой и гравитацией, описывая достижения физики элементарных частиц, проблему иерархии, скейлинг, Великое объединение, суперсимметрию, дополнительные измерения, параллельные миры, эволюцию струнных теорий и многое другое.

В непринужденной и занимательной форме Лиза Рэндалл беседует с читателем, раскрывая таинства сложной науки и увлекательно объясняя загадки мириад миров, существующих, возможно, рядом с тем миром, в котором мы живем и который мы только начинаем постигать.

Книга вызовет несомненный интерес как у специалистов естественно-научных дисциплин, так и у широкого круга читателей.

---

Вы можете также понять, каким образом Раман и я разрешили исходную загадку, с которой мы столкнулись: почему размер пятого измерения несуществен для определения интенсивности гравитации. Возвращаясь к аналогии с разбрызгивателем, предположим, что мы задаем распределение воды по всему разбрызгивателю, так что оно напоминает распределение гравитации от резко падающей функции вероятности гравитона: после того как вы забираете половину воды для своего участка, вы отдаете половину оставшейся воды на соседний участок, половину этого количества — на следующий участок и т. д., причем каждый из последующих участков получает вдвое меньше воды, чем предыдущий. Чтобы имитировать вторую брану в пятом измерении, предположим, что мы прекращаем подачу воды после некоторой точки, точно так же, как вторая брана в пятом измерении обрезала бы функцию вероятности гравитона в некоторой точке вдоль пятого измерения. Для того чтобы представить бесконечное пятое измерение, предположим, что разбрызгиватель подает воду неограниченно вдоль своей длины.

Чтобы показать, что размер пятого измерения не имеет отношения к интенсивности гравитации вблизи браны, мы хотели бы показать, что первые несколько участков получают практически одинаковое количество воды, независимо от того, прекращаем ли мы подачу воды после того, как ее получит пятый участок, или десятый участок, или мы вообще не прекращаем подачу воды. Поэтому рассмотрим, что случится, если разбрызгиватель перекроют после первых пяти участков. Так как шестой и последующие участки будут получать очень мало воды, полное количество воды, которое разбрызгиватель будет подавать на несколько первых участков, будет отличаться от того количества, которое подаст бесконечный разбрызгиватель, лишь на несколько процентов. Если вы перекроете разбрызгиватель после седьмого участка, отличие станет еще меньше. При таком распределении, когда почти вся вода используется на полив нескольких первых участков, удаленные участки, получающие только малую долю воды, несущественны при оценке количества воды, попадающей на несколько первых участков[176].

Так как я хочу в следующей главе опять использовать аналогию с утками, я поясню то же самое с помощью подсчета уток, приплывших к берегу, когда кто-то бросает им куски хлеба. Если вы сначала сосчитаете ближайших уток, затем тех, которые подальше, продолжать подсчет скоро станет почти бесполезно. К моменту, когда вы охватите взглядом акваторию чуть дальше вглубь озера, останется очень мало уток, избежавших подсчета. Вам не нужно продолжать считать уток вдали от берега, так как вы уже сосчитали практически всех, ограничившись областью вблизи берега (рис. 88).

Функция вероятности гравитона просто так мала в области за второй браной, что местонахождение второй браны может привести только к пренебрежимо малой разнице в интенсивности взаимодействия четырехмерного гравитона. Иными словами, расстояние, на которое простирается пятое измерение, несущественно для проявляющейся интенсивности четырехмерной гравитации в этой теории, в которой гравитационное поле сосредоточено вблизи Гравитационной браны. Даже если бы не было второй браны и пятое измерение было бы бесконечным, гравитация продолжала бы выглядеть четырехмерной.

Мы с Раманом назвали наш сценарий локализованной гравитацией. Название выбрано так потому, что функция вероятности гравитона локализована вблизи браны. Хотя, строго говоря, гравитация может просачиваться в пятое измерение, так как это измерение действительно бесконечно, в реальности этого не происходит из-за малой вероятности обнаружения гравитона вдали от браны. Пространство не усечено, но все остается в концентрированной области в окрестности браны. Удаленная брана не приводит к изменению физических процессов на Гравитационной бране, так как мало что из Гравитационной браны рискует удалиться на большое расстояние. Все, что рождается на Гравитационной бране или вблизи нее, так и остается вблизи, в ограниченной области.

Иногда физики ссылаются на эту модель локализованной гравитации как на RS2. Здесь RS — это Рэндалл и Сундрум, но цифра 2 вводит в заблуждение. Она относится к тому факту, что это была вторая работа, которую мы написали по поводу закрученных измерений, но не к тому, что в работе были две браны. Сценарий с двумя бранами, посвященный проблеме иерархии, известен как RS1. (Названия приводили бы к меньшей путанице, если бы мы писали работы в обратном порядке.) В противоположность RS1, сценарий в этой главе не относится к проблеме иерархии, хотя вы можете ввести вторую брану и с тем же успехом решить эту проблему, как мы коротко рассмотрели в конце гл. 20. Но есть ли в пространстве вторая брана для решения проблемы иерархии или ее нет, локализованная гравитация есть радикальная возможность с важными теоретическими следствиями, идущими вразрез с устоявшимся предположением о том, что дополнительные измерения должны быть компактными.

Калуца-клейновские (КК) партнеры гравитона

В предыдущем разделе обсуждалась функция вероятности гравитона, которая была в большой степени сконцентрирована на Гравитационной бране. Частица, о которой я буду говорить, играет роль четырехмерного гравитона, так как она распространяется почти исключительно вдоль браны и обладает лишь крохотной вероятностью просочиться в пятое измерение. С точки зрения гравитона пространство выглядит так, как будто пятое измерение имеет не бесконечный размер, а размер порядка 10-33 см (размер, определяемый кривизной, которая, в свою очередь, определяется энергией в балке и на бране).

Но хотя Раман и я были довольно взволнованы своим открытием, мы не были уверены в том, что решили проблему до конца. Достаточно ли само по себе наличие локализованного гравитона, чтобы построить четырехмерную эффективную теорию, в которой гравитация ведет себя так, как будто она четырехмерна? Потенциальная проблема была в том, что калуца-клейновские партнеры гравитона могли бы также давать вклад в гравитационное взаимодействие и поэтому существенно модифицировать гравитацию.

Нас беспокоило то, что, вообще говоря, чем больше размер дополнительного измерения, тем меньше масса легчайшей частицы КК. Для нашей теории с бесконечным измерением это означало бы, что легчайшая частица КК могла бы быть произвольно легкой. Но так как разность масс частиц КК также уменьшается при увеличении размера дополнительного измерения, при любой конечной энергии может рождаться бесконечно большое количество типов очень легких КК-партнеров гравитона. Все эти частицы КК могли бы, в принципе, давать вклад в закон гравитационного взаимодействия и изменять его. Проблема выглядела особенно трудной, так как даже если каждая частица КК взаимодействовала бы очень слабо, если их было слишком много, то гравитационное взаимодействие выглядело бы тем не менее совершенно иначе, чем в четырех измерениях.

И главное, так как частицы КК чрезвычайно легкие, их можно легко рождать. Коллайдеры уже работают при энергиях, достаточных для рождения этих частиц. Даже обычные физические процессы, например химические реакции, порождают достаточно энергии, чтобы образовать КК-партнеров гравитона. Если бы частицы КК переносили много энергии в пятимерный балк, теория была бы неверной.

К счастью, оказывается, что ни одно из этих предположений не является проблемой. Когда мы рассчитывали функции вероятности для частиц КК, мы нашли, что КК-партнеры гравитона взаимодействуют очень слабо на Гравитационной бране или вблизи нее. Несмотря на большое число КК-партнеров гравитона, все они взаимодействуют столь слабо, что нет никакой опасности произвести слишком большое их количество, или где-то изменить форму гравитационного взаимодействия. Если и есть какая-то проблема, она состоит в том, что эта теория настолько близко имитирует четырехмерную гравитацию, что мы до сих пор не знаем способа экспериментально отличить ее от истинно четырехмерного мира! КК-партнеры гравитона будут вносить столь ничтожный вклад во все наблюдаемые эффекты, что мы до сих пор не знаем, как описать разницу между четырьмя плоскими измерениями и четырьмя плоскими измерениями, дополненными пятым закрученным измерением.

Слабость взаимодействий КК-партнеров гравитона можно понять, взглянув на форму их функций вероятности. Как и для гравитона, они указывают на вероятность, с какой любая частица может быть обнаруженны в любом положении вдоль пятого измерения. Раман и я следовали более или менее стандартной процедуре нахождения масс и функций вероятности каждого КК-партнера гравитона в нашей закрученной геометрии. Это включало решение квантово-механической задачи.

Для плоского пятого измерения описанная в гл. 6 квантово-механическая задача состояла в том, чтобы найти волны, которые укладываются на закрученном в кольцо измерении, и тем самым проквантовать разрешенные энергии[177]. Для нашей закрученной бесконечной пятимерной геометрии квантово-механическая проблемы выглядела несколько иначе, так как нам нужно было учесть энергию на бране и в балке, которые закручивали пространство-время. Но мы сумели модифицировать стандартную процедуру так, чтобы она походила для нашей схемы. Результаты оказались ошеломляющими.