Чтение онлайн

Ключ к пониманию дуальности заключается в том, что в теории суперструн имеются особые новые частицы, для однозначной идентификации которых требуется задать импульс в девяти пространственных измерениях, а также значение заряда. А в одиннадцатимерной супергравитации нужно знать импульс в десяти пространственных измерениях. Обратите внимание, что хотя есть девять измерений в одном случае и десять в другом, в обоих случаях нужно задать десять чисел: девять значений импульса и заряд в одном случае, десять значений импульса — в другом.

Обычные незаряженные струны не образуют пар с объектами в одиннадцатимерной теории. Так как вам нужно знать одиннадцать чисел, чтобы локализовать объект в пространстве-времени одиннадцатимерной теории, только частицы, несущие заряд, имеют одиннадцатимерных напарников. А партнерами объектов в одиннадцатимерной теории частиц оказываются браны, а именно, заряженные точечноподобные браны, называемые D0-браны. Теория струн и одиннадцатимерная супергравитация дуальны, так как для каждой D0-браны с данным зарядом в десятимерной теории суперструн [136] существует соответствующая частица с определенным одиннадцатимерным импульсом, и наоборот. Объекты десяти- и одиннадцатимерной теорий (а также их взаимодействия) в точности образуют пары.

Хотя может показаться, что заряд сильно отличается от импульса в некотором направлении, если каждый объект с данным импульсом в одиннадцатимерной теории соответствует объекту с конкретным зарядом в десятимерной теории (и наоборот), то дело вкуса — называть ли это число импульсом или зарядом. Число измерений есть число независимых направлений импульса, т. е. число различных направлений, по которым может двигаться объект. Но если импульс вдоль одного из направлений можно заменить зарядом, число измерений не очень хорошо определено. Лучший выбор определяется заданием величины константы связи струны.

Эта поразительная дуальность была одним из первых исследований, в котором браны оказались полезными. Браны стали дополнительными составными частями, которые потребовались для того, чтобы разные теории струн согласовывались друг с другом. Но решающее свойство бран в теории струн, являющееся важным для их приложения в физических теориях, заключается в том, что они могут стать приютом для частиц и взаимодействий. В следующей главе мы объясним это свойство.

• Теория струн — несоответствующее название. Теория струн содержит также многомерные браны. D-браны — это тип бран в теории струн, на которых должны оканчиваться открытые струны (т. е. струны, не замыкающиеся на себя).

• Браны играют важную роль во многих исследованиях по теории струн в последнем десятилетии.

• Браны важны при демонстрации дуальности, которая показывает, что внешне разные версии теории струн на самом деле эквивалентны.

• При низких энергиях десятимерная теория суперструн дуальна одиннадцатимерной супергравитации — теории, содержащей суперсимметрию и гравитацию. Частицы в одной теории соответствуют бранам в другой.

• Свойства бран, изложенные в данной главе, не будут использоваться далее. Однако они объясняют то воодушевление, которое царило среди специалистов по теории струн.

Икар III все больше разочаровывался в Небесах. Он полагал, что это должно быть либеральное и снисходительное общество. Но, вопреки ожиданиям, игра была запрещена, трофеи запрещены, и даже курение уже не разрешалось, самое сильное из всех ограничение состояло в том, что Небеса были прикреплены к Небесной бране; ее жителям запрещалось путешествовать в пятом измерении.

Каждый обитатель Небесной браны знал о пятом измерении и о существовании других бран. В действительности, благочестивые жители небесной браны часто перешептывались об отвратительных типах, заключенных на Тюремной бране, которая была совсем неподалеку. Однако жители Тюремной браны не могли слышать измышлений, которые распространяли о них жители Небесной браны, так что и в балке, и на бранах все было тихо и мирно.

С точки зрения «дуальной революции» может показаться, что браны явились большим благом для исследователей, пытающихся связать теорию струн с видимой Вселенной. Если все различные формулировки теории струн были по существу один и тем же, физикам уже не нужно было мучиться над задачей о поиске правил, с помощью которых природа сделала свой выбор. Нет нужды отдавать предпочтение какой-либо одной теории струн, если они все, несмотря на разные обличья, на самом деле одинаковы.

Но как бы ни было приятно думать, что мы приблизились к открытию связи между теорией струн и Стандартной моделью, все не так просто. Хотя браны необходимы для дуальностей, уменьшающих число явных проявлений теории струн, они на самом деле увеличивают число способов, которыми может возникнуть Стандартная модель. Дело в том, что браны могут приютить частицы и взаимодействия, которые не принимались во внимание теоретиками-струнниками при первоначальном построении теории струн. Из-за большого числа возможностей в отношении того, сколько существует типов бран и где они расположены в многомерном пространстве теории струн, потенциально существует много новых способов реализации Стандартной модели в теории струн, о которых никто еще не помышлял. Взаимодействия в Стандартной модели не обязательно возникают из единственной фундаментальной струны, вместо этого, они могут быть новыми взаимодействиями, возникающими из струн, растянутых между различными бранами. Хотя дуальности утверждают, что исходные пять вариантов теории суперструн эквивалентны, число мыслимых миров на бранах в теории струн громадно.

Похоже, что поиск единственного кандидата на Стандартную модель ничуть не упростился. Когда это стало понятно, эйфория теоретиков-струнников в отношении дуальности утихла. Однако те из нас, кто занимался поиском новых идей для объяснения наблюдаемой физики, парили в небесах. С учетом новых возможностей прикрепления частиц и взаимодействий к бранам, настало время пересмотреть исходные позиции физики частиц.

Свойство бран, важное для их потенциально наблюдаемых приложений, состоит в том, что они могут удерживать частицы и взаимодействия. Цель этой главы — дать читателю представление о том, как это происходит. Мы начнем с объяснения того, почему браны теории струн удерживают частицы и взаимодействия. Мы рассмотрим идею мира на бране, а также первый известный мир на бране, который был выведен из дуальности и теории струн. В последующих главах мы обратимся к тем вопросам миров на бранах и их потенциальных физических приложений, которые я считаю наиболее интересными.

Как выразилась Рут Грегори, специалист по общей теории относительности из Даремского университета, браны в теории струн возникают «полностью заправленными» частицами и взаимодействиями. Это означает, что на некоторых бранах уже имеются захваченные частицы и взаимодействия. Как домашние кошки, которые никогда не рискуют покидать стены своего жилища, те частицы, которые прикреплены к бранам, никогда не рискуют отойти от них. Они не могут сделать этого. Их существование определяется существованием бран. Когда частицы движутся, это происходит только вдоль пространственных измерений браны; когда они взаимодействуют, они делают это только на пространственных измерениях, охваченных браной. С точки зрения частиц на бране, если бы не было гравитации и частиц в балке, с которыми они могут взаимодействовать, мир мог бы иметь только измерения на бране.

Теперь посмотрим, каким образом теория струн способна удерживать частицы и взаимодействия на бранах. Представим, что существует только одна D– брана, висящая во вселенной с большим числом измерений. Так как, по определению, оба конца открытой струны должны находиться на единственной D– бране, эта брана будет тем местом, где начинаются и заканчиваются все открытые струны. Концы каждой открытой струны не будут прикреплены в каком-то определенном месте, но будут обязаны лежать где-то на бране. Как рельсы поезда, удерживающие колеса, но позволяющие им катиться, браны действуют как фиксированные поверхности, на которых закреплены концы струны, но по которым, тем не менее, эти концы могут двигаться.