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.

---

Мы также считаем, что физика в любой точке пространства должна быть такой же, как в любой другой точке. Но браны не соблюдают и эту симметрию. Хотя браны и простираются по некоторым измерениям бесконечно далеко, по другим измерениям их положение фиксировано. Именно поэтому они не покрывают все пространство. Но в тех направлениях, в которых положение бран фиксировано, сантиметр в сторону от браны — не то же самое, что метр или километр. Вообразите брану, надушенную духами. Вы, безусловно, сможете сказать, находитесь ли вы близко или далеко от нее.

По этим причинам физики первоначально игнорировали браны. Однако через пять лет после открытия бран их статус в среде теоретиков заметно исправился. В 1995 году Джо Полчинский необратимо изменил направление исследований в теории струн, показав, что браны — это динамические объекты, являющиеся неотъемлемой частью теории струн и способные играть решающую роль в ее окончательной формулировке. Полчинский объяснил, какие типы D-бран присутствуют в теории суперструн, и показал, что эти браны обладают зарядом и, следовательно, взаимодействуют.

Кроме того, браны в теории струн обладают конечным натяжением. Оно чрезвычайно похоже на натяжение поверхности барабана, которая возвращается после растяжения или сжатия к своему исходному натянутому положению. Если бы натяжение браны равнялось нулю, любое малое прикосновение приводило бы к огромному эффекту, так как у браны не было бы сопротивления. С другой стороны, если бы натяжение браны было бесконечно велико, вы, прежде всего, не могли бы никак на нее воздействовать, так как это был бы стационарный, а не динамический объект. Так как натяжение бран конечно, они могут двигаться, флуктуировать и реагировать на взаимодействия, как и всякий другой заряженный объект.

Конечное натяжение бран и их ненулевой заряд говорят нам о том, что они не просто задают положение, они являются также предметами: их заряды указывают нам, что они взаимодействуют, а конечное натяжение указывает на то, что они движутся. Брана может двигаться и взаимодействовать, как батут — поверхность, взаимодействующая с окружающей средой, когда ее сжимают, а затем она выпрямляется. Например, и батут, и браны могут быть изогнуты. И батут, и браны могут влиять на их окружение, батуты путем выталкивания людей и воздуха, а браны — путем толкания заряженных объектов и гравитационного поля.

Если браны существуют в космосе, нарушение ими пространственно-временных симметрий должно беспокоить нас не больше, чем нарушение пространственных симметрий, вызванное Солнцем и Землей. Солнце и Земля также находятся в определенных местах; при измерении относительно Солнца или Земли не все положения в трехмерном пространстве равноценны. Тем не менее физические законы сохраняют пространственно-временные симметрии трехмерного пространства, даже если это не справедливо для состояния вселенной. В этом отношении браны должны быть не хуже, чем Солнце или Земля. Как и все другие объекты, занимающие определенные положения в пространстве, браны нарушают некоторые симметрии пространства-времени.

Небольшое размышление показывает, что в этом нет ничего плохого. В конце концов, если теория струн является правильным описанием природы, тогда не все измерения созданы равными. Три знакомых пространственных измерения выглядят похоже, но дополнительные измерения должны быть другими; если бы это было не так, они не были бы «дополнительными». С точки зрения физической вселенной нарушение пространственно-временных симметрий могло бы помочь объяснить, почему дополнительные измерения различны: браны могли бы корректно отличать дополнительные измерения теории струн от трех пространственных измерений, которые мы знаем и ощущаем.

В последующих главах я буду рассматривать браны с тремя пространственными измерениями и опишу некоторые возможные радикальные следствия для реального мира. Но в данной главе мы сосредоточимся на том, почему браны оказались столь важными в теории струн, настолько важными, что они привели в 1995 году ко «второй суперструнной революции». В следующем разделе приводится ряд соображений, почему в прошедшее десятилетие браны оставались на переднем крае теории струн, и почему мы сейчас думаем, что они должны там оставаться.

Взрослые браны и пропавшие частицы

В то время, когда Джо Полчинский был поглощен исследованием D-бран, Энди Стромингер, в то время его коллега в университете Санта-Барбара, обдумывал р-браны, поразительные объекты, вытекающие из уравнения Эйнштейна. Они простираются бесконечно далеко в некоторых пространственных измерениях, но в оставшихся измерениях ведут себя как черные дыры, захватывая все объекты, которые подходят слишком близко. А вот D-браны — это поверхности, на которых заканчиваются открытые струны.

Энди рассказал мне, как каждый день за обедом он и Джо обсуждали свои исследования. Энди говорил о р-бранах, а Джо обсуждал D-браны. Хотя они оба исследовали браны, поначалу, как и все физики, они думали, что их браны являются разными вещами. В конце концов Джо понял, что это не так.

Работа Энди показала, что р-браны, которые он изучал, крайне важны для теории струн, так как в определенных пространственно-временных геометриях они порождают новые типы частиц. Даже если допустить, что столь неочевидные идеи теории струн верны и частицы возникают как колебательные моды струн, колебания струн совсем не обязаны объяснять существование всех частиц. Энди показал, что могут существовать дополнительные частицы, возникающие независимо от струн.

Браны могут иметь разные образы, формы и размеры. Хотя мы сфокусировались на них как на месте, где заканчиваются струны, сами браны являются независимыми объектами, которые могут взаимодействовать со своим окружением. Энди рассмотрел р-браны, которые обворачиваются вокруг очень маленькой скрученной области пространства, и обнаружил, что эти сильно скрученные браны могут действовать как частицы. Скрученную р-брану, действующую как частица, можно сравнить с сильно затянутым лассо. Веревочная петля становится маленькой, как только вы набросите лассо на шест или рог быка и стянете петлю, так и брана может затянуться вокруг компактной области пространства. И если эта область пространства мала, то и брана, охватывающая эту область, также будет малой.

Эти маленькие браны, как и более знакомые макроскопические объекты, обладают массой, линейно растущей в зависимости от размера. Большое количество чего-нибудь (например, свинцовых труб, грязи или вишен) тяжелее, а меньшее количество легче. Так как окружающая крохотную область пространства брана очень мала, она будет и чрезвычайно легкой. Расчеты Энди показали, что в предельном случае, когда брана настолько мала, как это только можно себе представить, такая крохотная брана выглядит как новая безмассовая частица. Результат Энди был очень важным, так как он показывал, что даже самая основная гипотеза теории струн — все состоит из струн — не всегда верна. Браны тоже вносят вклад в спектр частиц.

Важное наблюдение Джо в 1995 году состояло в том, что эти новые частицы, возникающие из крохотных р-бран, можно также объяснить с помощью — D-бран. Действительно, в работе, устанавливающей важность D-бран, Джо показал, что D-браны и р-браны — на самом деле одно и то же. При тех энергиях, когда теория струн и общая теория относительности дают одинаковые предсказания, D-браны превращаются в р-браны. Джо и Энди на самом деле изучали одни и те же объекты, хотя поначалу они этого не понимали. Полученный результат означал, что в важности — D-бран уже нельзя более сомневаться: они не менее важны, чем р-браны, а р-браны существенны для спектра частиц теории струн. Кроме того, появился красивый способ понять, почему р-браны эквивалентны. D-бранам. Он основан на тонком и важном понятии дуальности.

Зрелые браны и дуальность

Дуальность — ОДНО из самых интересных понятий последних десяти лет в физике частиц и теории струн. Она играет главную роль в недавних успехах как квантовой теории поля, так и теории струн, и, как мы вскоре увидим, имеет особенно важные приложения для теорий с бранами.

Две теории дуальны, если они являются одной и той же теорией, но при разных описаниях. В 1992 году индийский физик Ашок Сен одним из первых заметил дуальность в теории струн. В своей работе, развивавшей идею дуальности, которую первоначально предложили в 1977 году физики Клаус Монтонен и Дэвид Олив, он показал, что некая теория остается в точности такой же, что и раньше, если частицы и струны в теории меняются местами. В 1990-е годы родившийся в Израиле физик Нати Зейберг, работавший затем в Университете Ратгерса, также продемонстрировал удивительные дуальности между различными супер-симметричными теориями поля с кажущимися различными взаимодействиями.