К концу 1990-х годов многие физики, в том числе и я, расширили область своих исследований, включив возможность существования бран. Мы спрашивали себя: «Что, если существует вселенная с дополнительными измерениями, в которой известные нам частицы и силы не перемещаются во всех измерениях, а ограничены меньшим числом измерений, захвачены на брану с меньшим числом измерений?»
Сценарии с участием бран предлагали много новых возможностей для глобальной структуры пространства-времени. Если частицы Стандартной модели захвачены на брану, это же касается и нас самих, так как мы и окружающий нас космос состоим из этих частиц. Кроме того, не все частицы должны находиться на одной и той же бране. Поэтому должны существовать совершенно новые и незнакомые частицы, подверженные влиянию отличных от известных нам взаимодействий. Наблюдаемые нами частицы и взаимодействия могут быть лишь малой частью значительно большей вселенной. Два физика из Корнеллского университета, Генри Тай и Зураб Какушадзе, предложили для таких сценариев термин «миры на бранах». Генри говорил мне, что он использовал этот термин для того, чтобы одним махом описать все многочисленные способы, которыми вселенная могла включать браны, не отдавая предпочтения никакой конкретной возможности.
Хотя быстрое размножение числа возможных миров на бранах может разочаровать теоретиков-струнников, пытающихся построить одну единственную теорию мира, оно очень захватывает. Мы имеем много реальных возможностей для мира, в котором живем, и одна из них может действительно описывать этот мир. Так как во вселенной с дополнительными измерениями законы физики частиц будут немного отличаться от тех, которые предполагали физики-частичники, дополнительные измерения открывают новые способы для исследования загадочных свойств Стандартной модели. Хотя эти идеи во многом спекулятивны, миры на бранах, исследующие проблемы физики частиц, скоро можно будет проверить в экспериментах на коллайдерах. Это означает, что опыт, а не наши предубеждения, может окончательно решить, применимы ли эти идеи к нашему миру.
Мы собираемся исследовать некоторые из этих новых миров на бранах. Мы зададимся вопросом, на что они похожи и к каким следствиям это приводит. Мы не будем ограничиваться мирами на бранах, явно выведенными из теории струн, а рассмотрим модельные миры на бранах, которые уже принесли новые идеи в физику частиц. Физики настолько далеки от понимания приложений теории струн, что было бы преждевременным исключать модели только потому, что никто еще не нашел примера теории струн с конкретным набором частиц или взаимодействий, или конкретным распределением энергии. Такие миры на бранах следует рассматривать как мишени для исследования теории струн. На самом деле модель закрученной иерархии, о которой я говорю в гл. 20, была выведена из теории струн только после того, как Раман Сундрум и я предложили ее как возможный мир на бране.
В последующих главах будет представлено несколько различных миров на бранах. Каждый из них будет иллюстрировать совершенно новое физическое явление. Первый мир на бранах покажет, каким образом миры на бранах могут избежать анархического принципа. Второй покажет, что измерения могут быть много больше, чем мы ранее полагали; третий покажет, что пространство-время может быть настолько искривлено, что можно ожидать появления объектов с совершенно разными размерами и массами; наконец, последние два покажут, что даже бесконечные дополнительные измерения могут быть невидимыми, если пространство-время искривлено, и что пространство-время может даже казаться имеющим разные размерности в разных местах.
Я представляю несколько моделей, так как все они соответствуют реальным возможностям. Но не менее важно, что каждая из них содержит некоторое новое свойство, о котором до недавнего времени физики думали как о немыслимом. В конце каждой главы я резюмирую значение каждой модели и то, как она нарушает общепринятые взгляды. При желании вы можете прочесть эти помеченные маркером выводы и получить общую картину, краткое резюме значения той конкретной модели, которая объясняется в тексте главы.
Прежде чем приступать к описанию этих миров на бранах, я кратко опишу первый известный мир на бранах, выведенный непосредственно из теории струн. Петр Хоржава и Эдвард Виттен натолкнулись на этот мир на бранах (по инициалам авторов названный ХВ-мир), изучая дуальность в теории струн. Я представляю эту модель, так как она не только интересна сама по себе, но и обладает рядом свойств, являющихся предвестником свойств других миров на бранах, с которыми мы вскоре столкнемся.
Теория Хоржавы — Виттена
Мир на бранах ХВ изображен на рис. 72. Это одиннадцатимерный мир с двумя параллельными бранами, каждая из которых имеет девять пространственных измерений и ограничивает пространство балка с десятью пространственными измерениями (всего одиннадцать пространственно-временных измерений). Вселенная ХВ была первой теорией мира на бранах; в мире ХВ каждая из двух бран содержит разные наборы частиц и взаимодействий.
Взаимодействия на двух бранах те же, что и у гетеротической струны, введенной в гл. 14; это была построенная Дэвидом Гроссом, Джеффом Харви, Эмилем Мартинесом и Райаном Ромом теория, в которой колебания, движущиеся вдоль струны направо и налево, взаимодействуют по-разному. Половина этих взаимодействий закреплена на одной из двух граничных бран, другая половина — на другой. На каждой из двух бран удерживается достаточно взаимодействий и частиц, чтобы любая брана в принципе могла содержать все частицы Стандартной модели (и следовательно нас). Хоржава и Виттен предположили, что частицы и взаимодействия Стандартной модели расположены на одной из двух бран, а гравитация и другие частицы, являющиеся частью теории, но которые мы никогда не наблюдали в нашем мире, могут свободно путешествовать по другой бране или вне бран в полном одиннадцатимерном балке.
На самом деле мир на бранах ХВ не просто имел те же взаимодействия, что и гетеротическая струна, — он и был гетеротической струной, хотя и с сильной константой связи струны. Это еще один пример дуальности. В этом случае одиннадцатимерная теория с двумя бранами, ограничивающими одиннадцатое измерение (десятое пространственное), дуальна десятимерной гетеротической струне. Иначе говоря, когда взаимодействия гетеротической струны очень сильны, теория лучше описывается как одиннадцатимерная теория с двумя граничными бранами и девятью пространственными измерениями. Это напоминает обсуждавшуюся в предыдущей главе дуальность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией. Но в нашем текущем примере одиннадцатое измерение не свернуто, а, напротив, ограничено двумя бранами. Повторим еще раз, что одиннадцатимерная теория может быть эквивалентной десятимерной, хотя в одной теории есть сильные взаимодействия, а в другой есть слабые.
