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

Это сильное утверждение с важными последствиями. Ранее мы требовали, чтобы дополнительные измерения теории струн/М-теории были туго скручены. Основанием для этого, очевидно, было то, что мы не можем видеть дополнительные измерения, так что они должны быть как-то скрыты. И один из способов скрыть их заключается в том, чтобы сделать их меньше, чем мы или наше оборудование можем обнаружить. Но теперь пересмотрим эту проблему в сценарии мира на бране. Как мы обнаруживаем вещи? Ну, когда мы используем наши глаза, мы используем электромагнитное взаимодействие; когда мы используем мощные инструменты вроде электронного микроскопа, мы также используем электромагнитные силы; когда мы используем атомные столкновения, одними из сил, которые мы используем, чтобы изучить ультрамалое, опять являются электромагнитные силы. Но если электромагнитные силы удерживаются на нашей 3-бране, в наших трех пространственных измерениях, невозможно как-то проверить дополнительные измерения безотносительно к их размеру. Фотоны не могут покинуть наши измерения, войти в дополнительные измерения, а затем пропутешествовать назад к нашим глазам или оборудованию, позволяя нам обнаружить дополнительные измерения, даже если они столь же велики, как привычные пространственные измерения.

Рис 13.3 (а) В сценарии мира на бране фотоны являются открытыми струнами с концами, удерживающимися внутри браны, так что они – свет – не могут покинуть саму брану, (b) Наш мир на бране, может быть, плавает в огромном просторе дополнительных измерений, которые остаются невидимыми для нас, поскольку свет, который мы видим, не может покинуть нашу брану. Возможно, существуют и иные миры на бранах, плавающие поблизости.

Итак, если мы живем на 3-бране, имеется альтернативное объяснение, почему мы не воспринимаем дополнительные измерения. Нет необходимости, чтобы дополнительные измерения были экстремально малыми. Они могут быть большими. Мы не можем видеть их вследствие способа, которым мы видим. Мы видим с использованием электромагнитных сил, которые не в состоянии достичь любого измерения вне трех, о которых мы знаем. Подобно муравью, гуляющему вдоль листа водяной лилии, полностью ничего не знающему о глубокой воде, лежащей прямо под видимой поверхностью, мы можем плавать в великом, обширном, многомерном пространстве, как на Рис. 13.3b, но электромагнитные силы – вечно удерживаемые внутри наших измерений – будут не в состоянии обнаружить это.

Хорошо, вы можете сказать, но электромагнитные силы являются только одними из природных четырех сил. Что относительно трех других? Могут они зондировать дополнительные измерения, таким образом позволяя нам обнаружить их существование? Для сильных и слабых ядерных сил ответ, опять, нет. В сценарии мира на бране расчеты показывают, что частицы-переносчики этих сил – глюоны и W- и Z-частицы – также возникают из колебательных мод открытых струн, так что они точно так же захвачены браной, как и фотоны, и процессы, содежащие сильное и слабое ядерные взаимодействия, точно так же слепы к внешним измерениям. То же самое имеет место для частиц материи. Электроны, кварки и все другие виды частиц также возникают из колебаний открытых струн с захваченными на бране концами. Таким образом, в сценарии мира на бране вы, и я и кто угодно всегда видим все постоянно заключенным внутри нашей 3-браны. Учитывая время, все удерживается внутри нашего четырехмерного среза пространства-времени.

Ну, почти все. Для сил гравитации ситуация отличается. Математический анализ сценария мира на бране показал, что гравитоны возникают из колебательных мод замкнутых струн, почти как они это делали в обсуждавшихся ранее безбранных сценариях. А замкнутые струны – струны без конечных точек – не захватываются бранами. Они свободны как покинуть брану, так и странствовать по ней или сквозь нее. Так что, если мы живем на бране, мы не отрезаны полностью от дополнительных измерений. Через гравитационное взаимодействие мы могли бы влиять и подвергаться влиянию дополнительных измерений. Гравитация в таком сценарии будет обеспечивать единственный способ для взаимодействия за пределами наших трех пространственных измерений. Как велики могут быть дополнительные измерения перед тем, как мы станем осведомлены о них через гравитационное взаимодействие? Это интересный и критический вопрос, так что попробуем рассмотреть его.

Гравитация и большие внешние измерения

В далеком 1687, когда Ньютон предложил свой универсальный закон гравитации, он, естественно, сделал строгое утверждение о количестве пространственных измерений. Ньютон не говорил просто, что сила притяжения между двумя объектами становится слабее, когда расстояние между ними становится больше. Он предложил формулу, закон обратного квадрата, которая точно описывает, как будет уменьшаться гравитационное притяжение, когда два объекта разделяются. В соответствии с этой формулой, если вы удваиваете дистанцию между двумя объектами, их гравитационное притяжение упадет в четыре раза (то есть в 22 раз); если вы утроите расстояние, оно упадет в девять раз (то есть в 32 раз); если вы увеличите расстояние в четыре раза, оно упадет в 16 раз (то есть в 42 раз); и в общем случае гравитационная сила падает пропорционально квадрату расстояния между объектами. Как стало достаточно очевидно за последние несколько сотен лет, эта формула работает.

Но почему сила зависит от квадрата расстояния? Почему сила не падает пропорционально кубу расстояния (так что, если бы вы удвоили дистанцию, сила бы уменьшилась на фактор 8) или четвертой степени (так что, если бы вы удвоили дистанцию, сила бы уменьшилась на фактор 16), или вообще, даже более просто, почему гравитационная сила между двумя объектами не падает прямо пропорционально расстоянию (так что, если бы вы удвоили дистанцию, сила бы уменьшилась на фактор 2)? Ответ прямо связан с числом измерений пространства.

Один из способов увидеть это таков: подумать о том, какое количество гравитонов эмитируется и поглощается двумя объектами в зависимости от расстояния, или подумать о том, как кривизна пространства времени, которую ощущает каждый объект, уменьшается с ростом расстояния между ними. Но поступим проще, с использованием более старого подхода, который быстро и интуитивно понятно приведет нас к правильному ответу. Нарисуем Рис. 13.4а, который схематически иллюстрирует гравитационное поле, производимое массивным объектом, – скажем, Солнцем, – почти как на Рис. 3.1 схематически иллюстрировалось магнитное поле, производимое бруском магнита. Тогда как линии магнитного поля изгибались вокруг магнита от его северного полюса к его южному полюсу, отметим, что линии гравитационного поля испускаются радиально наружу во всех направлениях и просто уходят. Сила гравитационного притяжения, которое будет ощущать другой объект, – представим его орбитальным спутником, – на данном расстоянии пропорциональна плотности линий поля в данной точке. Чем больше линий поля пройдет сквозь спутник, как на Рис. 13.4b, тем большему гравитационному притяжению он подвергнется.

Теперь мы можем объяснить оригинальный закон обратного квадрата Ньютона. Воображаемая сфера с центром в Солнце и проходящая через местоположение спутника, как на Рис. 13.4с, имеет площадь поверхности, которая – подобно площади поверхности любой сферы в трехмерном пространстве – пропорциональна квадрату ее радиуса, что в этом случае есть квадрат расстояния между Солнцем и спутником. Это значит, что плотность линий поля, проходящих через сферу, – полное число линий поля, деленное на площадь сферы, – уменьшается как квадрат расстояния между Солнцем и спутником.

(а) (b) (c)

Рис 13.4 (а) Гравитационная сила, оказываемая Солнцем на объект, такой как спутник, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Причина в том, что линии гравитационного поля Солнца распространяются одинаково во всех направлениях, как в (b), и потому имеют плотность на расстоянии d, которая обратно пропорциональна площади воображаемой сферы радиуса d, – схематично изображенной на (с), – площади, которая на основании геометрии оказывается пропорциональной d2.

Если вы удвоите расстояние, то же самое число линий поля теперь будет однородно распределено по сфере со в четыре раза большей площадью, а потому гравитационное притяжение на этом расстоянии будет меньше в четыре раза. Закон обратного квадрата Ньютона для гравитации является, таким образом, отражением геометрического свойства сферы в трехмерном пространстве.

В отличие от этого, если вселенная имела бы два или даже просто одно пространственное измерение, как бы изменилась формула Ньютона? Ну, на Рис 13.5а показана двумерная версия Солнца и его орбитального спутника. Как вы можете видеть, при любом данном расстоянии линии гравитационного поля Солнца однородно распределены по окружности, аналогу сферы с измерениями на одно меньше. Поскольку длина окружности пропорциональна ее радиусу (а не квадрату ее радиуса), если вы удвоите расстояние между солнцем и спутником, плотность линий поля уменьшится на фактор 2 (а не 4) , так что сила гравитационного притяжения спутника солнцем упадет только в 2 раза (а не в 4). Если вселенная имеет только два пространственных измерения, тогда гравитационное притяжение будет обратно пропорционально расстоянию, а не квадрату расстояния.