В 1990-е годы Рэндалл заинтересовалась М-теорией – тем, что, возможно, вся Вселенная представляет собой мембрану. Она сосредоточила свои усилия на, вероятно, наиболее загадочной характеристике гравитации – на том, что сила ее астрономически мала. Ни Ньютон, ни Эйнштейн не обращались к этому фундаментальному, но загадочному вопросу. В то время как сила трех других взаимодействий (электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного) вполне сравнима, гравитационное взаимодействие существенно им уступает.
В частности, массы кварков намного меньше массы, ассоциируемой с квантовой гравитацией. «Расхождение не маленькое; две шкалы масс разделены шестнадцатью порядками величины! Только теории, способные объяснить этот огромный диапазон, могут претендовать на место впереди Стандартной модели»
{135}, – говорит Рэндалл.
Тот факт, что сила гравитации столь мала, объясняет, почему звезды так велики. Земля со всеми ее океанами, горами и континентами – всего лишь крошечная пылинка по сравнению с огромными размерами Солнца. Но в связи с малостью силы гравитации требуется масса целой звезды для такого сжатия водорода, которое преодолевает электрическое отталкивающее взаимодействие протонов. Таким образом, звезды настолько массивны потому, что сила гравитационного взаимодействия настолько мала в сравнении с тремя остальными.
Поскольку М-теория вызвала столько волнения в физике, несколько групп ученых попытались применить эту теорию к нашей Вселенной. Представьте, что Вселенная – это три-брана, парящая в пятимерном мире. В такой картине вибрации на поверхности три-браны соответствуют атомам, которые мы наблюдаем вокруг нас. Таким образом, эти вибрации никогда не покидают три-брану, а отсюда следует, что они не могут сместиться в пятое измерение. Даже с учетом того, что наша Вселенная парит в пятом измерении, наши атомы не могут ее покинуть, поскольку они представляют вибрации на поверхности три-браны. Это может стать ответом на вопрос, заданный Калуцей и Эйнштейном в 1921 году: где находится пятое измерение? Ответ таков: мы парим в пятом измерении, но не можем войти в него, потому что наши тела прикованы к поверхности три-браны.
Однако в такой картине существует потенциальный изъян. Гравитация представляет собой искривление пространства. Можно было бы наивно ожидать, что гравитация может заполнить все пятимерное пространство, а не только три-брану; при таком варианте развития событий гравитация бы рассеивалась сразу по выходе из три-браны. Это и ослабляет гравитационное взаимодействие. Это хороший довод в поддержку теории, поскольку, как мы знаем, гравитационное взаимодействие является намного более слабым, чем три других. Но в такой картине сила гравитации слишком ослабляется: был бы нарушен закон обратных квадратов Ньютона, а он прекрасно работает для планет, звезд и галактик. (Представьте себе лампочку, освещающую комнату. Свет распространяется сферически. Сила его уменьшается с ростом сферы. Если мы увеличим радиус сферы вдвое, то свет будет распространяться в сфере площадью, в 4 раза превосходящей первоначальную. В общем случае существования лампы в n-мерном пространстве яркость ее света убывает, рассеиваясь по сфере, площадь которой увеличивается пропорционально (n – 1) – й степени радиуса).
Чтобы ответить на этот вопрос, группа физиков, в которую входили Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали, выдвинула предположение о том, что пятое измерение, возможно, не бесконечно, а находится всего лишь в миллиметре от нашего, покачиваясь прямо над нашей Вселенной, совсем как в научно-фантастическом произведении Герберта Уэллса. (Если бы пятое измерение лежало дальше, чем в миллиметре от нас, оно могло бы создать измеримые нарушения закона обратных квадратов Ньютона.) А если пятое измерение находится всего лишь на расстоянии одного миллиметра от нас, то такое предположение можно было бы проверить, найдя мельчайшие отклонения от закона тяготения Ньютона для чрезвычайно малых расстояний. Закон Ньютона прекрасно работает на астрономических расстояниях, но его никогда не проверяли на расстоянии миллиметров. Сейчас экспериментаторы рвутся проверить крошечные отклонения от закона обратных квадратов Ньютона. В настоящее время получение этого результата является предметом нескольких проводимых экспериментов, как мы увидим в главе 9
[30].
Рэндалл и ее коллега Раман Сандрум решили применить новый подход и пересмотреть возможность того, что пятое измерение находилось не на расстоянии миллиметра от нас, а было бесконечно. Для достижения своей цели им необходимо было объяснить, каким образом пятое измерение могло быть бесконечным, не нарушив при этом закона гравитации Ньютона. И Рэндалл обнаружила возможный ответ на загадку. Она выяснила, что три-брана обладает собственным гравитационным притяжением, которое не давало гравитонам вырваться в пятое измерение. Гравитонам приходится липнуть к три-бране (подобно мухам, попавшимся на липучку) из-за действия гравитации, оказываемого три-браной. Таким образом, рассматривая закон Ньютона, мы видим, что он приблизительно верен для нашей Вселенной. Действие гравитации рассеивается и ослабляется, выходя из три-браны и попадая в пятое измерение, но далеко оно не распространяется: закон обратных квадратов все еще приблизительно действует, поскольку гравитоны все же притягиваются к три-бране. (Лизе Рэндалл также принадлежит гипотеза о вероятности существования параллельной нам второй мембраны. Если вычислить едва различимое взаимодействие гравитации между двумя мембранами, то результат можно подогнать таким образом, что мы сможем численно объяснить слабость гравитации.)
«Первые предположения о том, что дополнительные измерения представляют альтернативные пути обращения к [проблеме иерархии], вызвали бурю волнения, – говорит Рэндалл. – Дополнительные пространственные измерения поначалу могут показаться дикой и безумной идеей, но существуют веские причины считать, что дополнительные измерения пространства действительно существуют»
{136}.
Если эти физики правы, то гравитационное взаимодействие столь же сильно, как и остальные, только оно ослабляется, поскольку часть его утекает в пространство дополнительных измерений. Одним из глубоких следствий этой теории является то, что энергия, при которой квантовые взаимодействия можно измерить, возможно, не равна энергии Планка (1019 млрд эВ), как считалось ранее. Возможно, необходимы всего лишь триллионы электронвольт, а в таком случае при помощи Большого адронного коллайдера, возможно, удастся уловить квантовые гравитационные эффекты еще в этом десятилетии. Это также побудило физиков-экспериментаторов открыть активную охоту на экзотические частицы за пределами Стандартной модели субатомных частиц. Возможно, квантовые гравитационные взаимодействия находятся в пределах нашей досягаемости.
Мембраны также предоставляют вполне вероятный, хоть и гипотетический ответ на загадку темной материи. В романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка» главный герой парил в четвертом измерении, а потому был невидим. Подобным образом представим, что прямо над нашей Вселенной парит параллельный мир. Любая галактика в этой параллельной вселенной будет невидима для нас. Но поскольку гравитация вызвана искривлением гиперпространства, то гравитационное взаимодействие могло бы перемещаться между вселенными. Любая большая галактика в этой параллельной вселенной притягивалась бы через гиперпространство к галактике в нашей Вселенной. Таким образом, измерив свойства наших галактик, мы бы обнаружили, что их гравитационное притяжение гораздо больше, чем ожидалось согласно законам Ньютона, поскольку на заднем плане прячется другая галактика, парящая на соседней бране. Эта скрытая галактика за пределами нашей галактики была бы совершенно невидимой, паря в другом измерении, но она бы казалась гало, окружающим нашу галактику и содержащим в себе 90 % массы. Таким образом, существование темной материи может объясняться присутствием параллельной вселенной.
