Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

В некоторых ситуациях область может быть одномерной, в этом случае концы струны будут подобны двум бусинам, скользящим по проволоке, а сама струна будет подобна шнуру, соединяющему их. В других ситуациях область может быть двумерной, в этом случае концы струны будут очень похожи на два пинбольных шарика, связанных шнуром, катающихся вдоль пинбольного стола. Еще в других ситуациях область может иметь три, четыре или любое другое количество пространственных измерений, меньшее десяти. Эти результаты, как было показано Полчински, а также Петром Хофавой и Майклом Грином, помогли разрешить давно стоящую загадку в сравнении открытых и замкнутых струн, но в течение лет работа привлекала ограниченное внимание.[5] В октябре 1995, когда Полчински завершил обдумывать эти более ранние достижения в свете новых открытий Виттена, все изменилось.

Вопрос, который статья Полчински оставила без полного ответа, мог возникнуть у вас во время чтения последнего параграфа. Если концы открытых струн приклеены внутри особых регионов пространства, что именно их там удерживает приклеенными? Проволоки и пинбольные столы имеют реальное существование, независимое от бусин или шариков, движение которых вдоль себя они ограничивают. А что можно сказать о регионах пространства, которыми ограничены концы открытых струн? Они заполнены некоторыми независимыми и фундаментальными ингредиентами струнной теории, такими, что бдительно зажимают концы открытых струн? Перед 1995, когда струнная теория мыслилась только как теория струн, не просматривалось ни одного кандидата на эту работу. Но после прорыва Виттена и инспирированного им стремительного потока результатов ответ стал для Полчински очевиден: если концы открытых струн ограничены в движении внутри некоторого р-мерного региона пространства, тогда этот регион пространства должен быть занят р-браной.*

(*) "Более точное наименование для этих клейких сущностей есть р-браны Дирихле или, для краткости, D-р-браны. Мы будем придерживаться более короткого названия р-брана".

Его расчеты показали, что вновь открытые р-браны имеют в точности правильные свойства, чтобы быть объектами, которые оказывают неразрушимый захват концов открытой струны, ограничивая их в движении внутри р-мерного региона пространства, который р-браны заполняют.

Чтобы лучше понять, что это означает, посмотрите на Рис. 13.2. На (а) мы видим пару 2-бран с множеством открытых струн, движущихся вокруг и вибрирующих, все концы которых ограничены в движении вдоль их соответствующей браны. Хотя это все более тяжело нарисовать, ситуация с более высокоразмерными бранами идентична. Концы открытых струн могут двигаться свободно по и внутри р-браны, но они не могут покинуть саму брану. Когда мы подходим к возможности движения вне браны, браны являются самыми липкими вещами, какие можно вообразить. Возможно также для одного конца открытой струны быть прилепленным к одной р-бране, а для ее другого конца быть приклеенным к другой р-бране, которая может иметь ту же размерность, что и первая (Рис. 13.2b), или не иметь (Рис. 13.2c).

Вместе с открытием связи между различными теориями струн Виттеном статья Полчински обеспечила дополнительный манифест для второй суперструнной революции. В то время, как некоторые из величайших умов теоретической физики двадцатого века пытались сформулировать теорию, содержащую фундаментальные ингредиенты с большим количеством измерений, чем точки (нуль измерений) или струны (одно измерение), и потерпели в этом неудачу, результаты Виттена и Полчински вместе с важными достижениями многих ведущих сегодняшних исследователей, открыли путь к прогрессу. Эти физики не только установили, что теория струн/М-теория содержит высокоразмерные ингредиенты, но результат Полчински, в особенности, обеспечил методику для теоретического анализа их детальных физических свойств (если они окажутся существующими). Свойства браны, обосновывал Полчински, в широких пределах фиксируются свойствами вибрирующих открытых струн, чьи концы она содержит. Точно так же, как вы можете многое узнать о ковре, проводя рукой по его поверхности – обрывкам волокон, чьи концы прикреплены к обратной стороне ковра, – многие качества браны могут быть определены через изучение струн, чьи концы она захватывает.

(а) (b) (c)

Рис 13.2 (а) Открытые струны с концами, прикрепленными к двумерной бране или 2-бране, (b) Струны, протянутые от одной 2-браны к другой, (с) Струны, протянутые от 2-браны к 1-бране.

Это был первостепенный результат. Он показал, что десятилетия исследований, которые произвели острые математические методы для исследования одномерных объектов – струн, – могут быть использованы для изучения высокоразмерных объектов, р-бран. Удивительно при этом, что Полчински обнаружил, что анализ многомерных объектов был сведен в высокой степени к совершенно привычному, хотя все еще гипотетическому анализу струн. В этом смысле струны и являются особыми среди равных. Если вы поняли поведение струн, вы далеко продвинулись в направлении понимания поведения р-бран.

С этими результатами теперь вернемся к сценарию мира на бране – возможности, что мы все проживаем наши жизни внутри 3-браны.

Наша вселенная как брана

Если мы живем внутри 3-браны, – если наше четырехмерное пространство-время является ничем иным, как историческим развитием 3-браны через время, – тогда на древний вопрос о том, является ли пространство-время чем-то, будет брошен новый сверкающий свет. Привычное четырехмерное пространство-время будет появляться из реальной физической сущности в теории струн/М-теории, 3-браны, а не из некоторой смутной или абстрактной идеи. В этом подходе реальность нашего четырехмерного пространства-времени будет на одном уровне с реальностью электрона или кварка. (Конечно, вы можете все еще спросить, является ли само большее пространство-время, внутри которого существуют струны и браны – одиннадцать измерений теории струн/М-теории – сущностью; однако реальность пространственно-временной арены, которую мы непосредственно ощущаем, будет, очевидно, выполнена). Но если вселенная, которую мы знаем как реальную, является 3-браной, не будет ли даже взгляд мельком показывать, что мы погружены в нечто – во внутреннюю часть 3-браны?

Ну, мы уже изучали вещи, внутрь которых, как полагает современная физика, мы можем быть погружены, – Хиггсов океан; пространство, заполненое темной энергией; мириады квантовополевых флуктуаций, – никакие из которых сами явно не доступны без посторонней помощи человеческому восприятию. Так что не должно быть шоком узнать, что теория струн/М-теория добавляет другого кандидата в список невидимых вещей, которые могут заполнять "пустое" пространство. Но не будем опрометчивыми. Для каждой из предыдущих возможностей мы понимали ее влияние на физику и, как мы могли установить, что это в самом деле существует. Конечно, для двух из трех – темной энергии и квантовых флуктуаций – мы видели, что строгое доказательство в пользу их существования уже получено; доказательство для Хиггсова поля разыскивается на сегодняшних и будущих ускорителях. А какова соответствующая ситуация для жизни внутри 3-браны? Если сценарий мира на бране корректен, почему мы не видим 3-браны и как мы можем установить, что она существует?

Ответ проясняет, что физические следствия теории струн/М-теории в контексте мира на бране радикально отличаются от более ранних, свободных от бран (или, как временами их с любовью называют, безбранных) сценариев. Рассмотрим в качестве важного примера движение света – движение фотонов. В теории струн фотон, как вы теперь знаете, является особым способом колебаний струны. Но математические исследования показали, что в сценарии мира на бране только колебания открытых струн, а не замкнутых, производят фотоны, и это приводит к большим отличиям. Концы открытой струны ограничены в своем движении внутри 3-браны, но во всем остальном полностью свободны. Это приводит к тому, что фотоны (открытые струны, выполняющие фотонную моду (способ) колебаний) будут путешествовать без каких-либо ограничений или помех сквозь 3-брану. И что это будет делать брану полностью прозрачной – полностью невидимой, – таким образом не давая нам увидеть, что мы погружены в нее.

Столь же важным является то, что поскольку концы открытой струны не могут покинуть брану, они не в состоянии двигаться во внешних измерениях. Точно так же, как проволока ограничивает ее бусины и пинбольный стол ограничивает его шарики, наша липкая 3-брана будет разрешать фотонам двигаться только внутри наших трех пространственных измерений. Поскольку фотоны являются частицами-переносчиками электромагнетизма, это проявляется в том, что электромагнитное взаимодействие – свет – будет удерживаться внутри наших трех измерений, как проиллюстрировано (в двух измерениях, как мы можем нарисовать это) на Рис. 13.3.