Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
Шрифт:
Браны
Начиная изучать теорию струн, я задавался тем же самым вопросом, который спустя много лет стали задавать мне самому: почему струны такие особенные? Почему надо рассматривать фундаментальные объекты, у которых есть только длина? В конце концов, теория сама требует, чтобы арена, где играют её актёры — пространственная Вселенная, — имела девять измерений, так почему не рассматривать объекты, имеющие форму двумерных листов или трёхмерных шариков, или их многомерные аналоги? Ответ на эти вопросы я узнал, когда был студентом в 1980-х. Потом мне часто приходилось объяснять его в своих лекциях в середине 1990-х годов. Ответ состоит в том, что математика, описывающая фундаментальные составляющие с более чем одним пространственным измерением, приводит к неустранимым противоречиям (таким как квантовые процессы с отрицательными вероятностями, а это математически бессмысленный результат). Но когда эти математические рассуждения проводятся для струн, все противоречия компенсируют друг друга и возникает самосогласованное описание. [29] {39} Струны, определённо, чем-то выделены.
29
Такой результат не является таинственным математическим совпадением. Наоборот, в строгом математическом смысле струны обладают высокосимметричной формой, и именно эта симметрия позволяет устранить все противоречия. Более детальное изложение содержится в комментарии {39}.
По крайней мере так казалось.
Вооружившись новыми вычислительными методами, физики стали анализировать уравнения теории струн более аккуратно и получили ряд неожиданных результатов. Один из самых удивительных результатов состоял в том, что причина, по которой струны казались выделенными, довольно шаткая. Теоретики догадались, что математические проблемы, возникающие при изучении многомерных ингредиентов, подобных диску или шарику, были всего лишь последствиями использования приближённых методов. Вооружившись более точными методами, небольшая группа теоретиков выяснила, что под математическим покровом теории струн действительно скрываются структуры с разным числом пространственных измерений.{40} Техника теории возмущений слишком груба, чтобы обнаружить эти ингредиенты, но новые методы смогли это сделать. К концу 1990-х годов стало совершенно очевидно, что теория струн это не просто теория, описывающая струны.
Были обнаружены объекты, по форме похожие на летающую тарелку или ковёр-самолёт, с двумя пространственными измерениями: мембраны (одно из значений буквы M в M-теории), которые также называют два-бранами. Но это ещё не всё. Также были обнаружены объекты с тремя пространственными измерениями, так называемые три-браны; объекты с четырьмя пространственными измерениями — четыре-браны, и так далее вплоть до девять-бран. Математически было установлено, что все эти структуры, подобно струнам, могут вибрировать и извиваться; поэтому в этом контексте струну лучше всего рассматривать как один-брану — лишь одну из многих сущностей в неожиданно длинном списке фундаментальных кирпичиков теории струн.
С этим связано открытие, поразившее всех, кто провёл лучшие годы своей профессиональной жизни, занимаясь теорией струн. Оказалось, что количество пространственных измерений на самом деле вовсе не девять. Оно равно десяти. И если добавить временное измерение, получится точно одиннадцать пространственно-временных измерений. Как такое может быть? Мы же помним, как говорили «(D– 10) умножить на проблему» в главе 4, откуда был сделан вывод о необходимых десяти пространственно-временных измерениях теории струн. Однако, опять-таки, математические выкладки, приведшие к этому уравнению, были основаны на теории возмущений с малой струнной константой. А это приближение (сюрприз!) не учитывало одно измерение. Как показал Виттен, причина состояла в том, что величина струнной константы напрямую контролирует размер десятого пространственного измерения. Полагая константу связи малой, исследователи невольно делали малым и это пространственное измерение, слишком малым — настолько, что оно стало невидимым для самой математической структуры теории. Более точные методы исправили это упущение, что привело к появлению M-теоретико-струнной вселенной с десятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет одиннадцать пространственно-временных измерений.
Я хорошо помню наивно-изумлённые взгляды участников международной струнной конференции, проводимой в университете Южной Калифорнии в 1995 году, на которой Виттен впервые анонсировал часть результатов, совокупность которых теперь называется второй струнной революцией. [30] Именно браны выступают на авансцену в истории с мультивселенными. Благодаря им исследователи обнаружили ещё одно множество параллельных вселенных.
Браны и параллельные миры
30
Первая революция началась с работ Джона Шварца и Майкла Грина 1984 года, в которых была дана современная формулировка теории струн.
Как правило, принято считать, что струны очень малы и именно это свойство становится большим препятствием для проверки теории. Однако в главе 4 было замечено, что струны не обязательно малы. Длина струны определяется её энергией. Энергии, сопоставляемые массам электронов, кварков, и других известных частиц настолько малы, что соответствующие струны имеют действительно крошечный размер. Но если в струну впрыснуть достаточно энергии, то можно очень сильно её растянуть. В земных условиях нет никаких возможностей осуществить подобное, но в принципе это не более чем технологическое ограничение. Если теория струн верна, технологически развитая цивилизация сможет растянуть струну настолько сильно, насколько она пожелает. Длинные струны могут возникать в природных космологических явлениях; например, струны могут намотаться на часть пространства, а потом сильно растянуться в процессе космологического расширения. Одна из возможных экспериментальных проверок (табл. 4.1) состоит в поиске гравитационных волн, испущенных длинными струнами, которые вибрируют в глубине космоса.
Подобно струнам, многомерные браны также могут быть большими. Отсюда возникает совершенно новый способ описания космоса в рамках теории струн. Чтобы понять, что я имею в виду, нарисуем сначала длинную струну, такую же длинную как электрические провода, тянущиеся за горизонт. Затем нарисуем большую два-брану, похожую на огромную скатерть или гигантский флаг с безграничной поверхностью. Такой рисунок легко себе представить, так как он вписывается в рамки привычных трёх измерений.
Если три-брана очень велика, возможно даже бесконечно большая, ситуация меняется. Три-брана такого типа полностью заполнит пространство, в котором мы живём, подобно воде, заполняющей аквариум. Такая вездесущность предполагает, что вместо того, чтобы считать три-брану объектом, расположенным в обычных трёх измерениях, следует рассматривать её как основу самого пространства. Подобно рыбам в воде, мы живём в заполняющей собой всё пространство три-бране. Пространство, по крайней мере то пространство, в котором мы непосредственно живём, может оказаться гораздо более осязаемым, нежели принято представлять. Пространство предстанет как вещь, объект, сущность — три-брана. Когда мы бежим или идём, живём и дышим, мы движемся внутри три-браны. Струнные теоретики называют это сценарием мира на бране.
Именно в этот момент в теории струн возникают параллельные вселенные.
Я сосредоточился на взаимосвязи между три-бранами и тремя пространственными измерениями, потому что хотел провести аналогию с повседневным опытом. Но в теории струн пространственных измерений больше трёх. В многомерном пространстве есть достаточно места для размещения не только одной три-браны. Допустим для начала, что имеются две огромные три-браны. Возможно, вам это нелегко представить. Мне, по крайней мере, — непросто. В процессе эволюции мы научились распознавать объекты, сулящие удачу или несущие опасность, которые находятся непосредственно внутри трёхмерного пространства. Следовательно, хотя мы можем легко нарисовать два любых трёхмерных объекта, расположенных в некоторой области пространства, мало кто сможет вообразить сосуществующие, но отделённые друг от друга трёхмерные сущности, каждая из которых полностью заполняет собой трёхмерное пространство. Поэтому для наглядности обсуждения сценария мира на бране давайте откажемся от одного пространственного измерения и будем представлять жизнь на гигантской два-бране. Для определённости будем думать о два-бране как о гигантском, сверхтонком ломтике хлеба. [31]
31
Внимательный читатель заметит, что ломтик хлеба на самом деле трёхмерен (у него есть ширина, длина и толщина), но пусть вас это не беспокоит. Толщина хлебного ломтика напоминает, что ломтики — это визуализация больших три-бран.
Чтобы в полной мере воспользоваться этой метафорой, представим, что на ломтике хлеба присутствует всё, что мы привыкли называть Вселенной — туманность Ориона, Конская голова, Крабовидная туманность; весь Млечный Путь; другие галактики — Андромеда, Сомбреро, Водоворот; и так далее — всё, что есть внутри нашего трёхмерного пространства, сколь угодно далеко друг от друга (рис. 5.3а). Чтобы представить вторую три-брану, нужно нарисовать ещё один огромный ломтик. Где именно? Расположите его рядом с нашим ломтиком, только чуть сдвиньте его в сторону в направлении дополнительных измерений (рис. 5.3б). Столь же легко представить три или четыре, или большее число три-бран. Нужно лишь добавить ломтиков космического батона. Хотя аналогия с батоном хорошо описывает расположенные стопкой браны, легко представить более общие возможности. Браны могут иметь любую ориентацию, быть других размерностей, больших или меньших, и все они могут быть рассмотрены аналогичным образом.
Рис. 5.3.а) В сценарии мира на бране традиционно понимаемый нами космос оказывается трёхмерной браной. Для простоты мы отбрасываем одно измерение и изображаем мир на бране с двумя пространственными измерениями; брана может тянуться бесконечно далеко, поэтому представлена лишь конечная её часть; б) Многомерное пространство теории струн вмещает в себя много параллельных миров на бране
Во всём наборе бран будут действовать одинаковые, фундаментальные физические законы, потому что все они возникают из одной M-теории/теории струн. Так же как в случае с дочерними вселенными в инфляционной мультивселенной, физические свойства браны могут существенно меняться в зависимости от дополнительных условий, таких как значения полей, пронизывающих брану, или число её пространственных измерений. Некоторые миры на бране могут оказаться очень похожими на наш мир, с галактиками, звёздами и планетами, а некоторые могут сильно отличаться. На одной или нескольких таких бранах могут проживать разумные существа, которые подобно нам однажды решат, что их ломтик — их часть пространства — является всем космосом. Теперь мы понимаем, что в рамках бранного сценария в теории струн такая точка зрения слишком узкая. В бранном сценарии наша Вселенная лишь одна из многих, населяющих бранную мультивселенную.