Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

Можно сказать, что в современном физическом мире термин «теория струн» стал неадекватным. Так, теоретик Майкл Дафф шутливо называет «теорию струн» «теорией, ранее известной как струны». Теория струн уже давно является не просто теорией струн, простирающихся в одном пространственном измерении, но также теорией бран, простирающихся в двух, трех и более измерениях. Сейчас мы знаем, что браны, которые могут простираться в любом числе измерений вплоть до того числа, которое содержит теория суперструн, являются в такой же степени частью теории суперструн, как и сами струны. Ранее теоретики игнорировали их, так как они изучали струны в условиях, когда «рычаг» интенсивности взаимодействия струн находился в нижнем положении, и взаимодействия бран были менее существенны. Оказалось, что браны есть тот пропавший кусок, который удивительным образом дополнил ряд картинок-загадок.

В этой главе я опишу эволюцию бран в истории теории струн. Они появились как забавная диковинка, которой можно пренебречь, и со временем превратились в центрального игрока. Мы увидим несколько направлений, следуя которым браны помогли разрешить ряд неясных с середины 1990-х годов вопросов теории струн. Браны помогли физикам понять происхождение загадочных частиц в теории струн, которые, как казалось, не могли возникнуть из струн. А когда физики включили в рассмотрение браны, они открыли дуальные теории — пары теорий, казавшихся весьма различными друг от друга, но имевших одинаковые физические следствия. История про Икара относится к одному поразительному примеру дуальности, который будет использован в этой главе: эквивалентность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией, представляющей собой теорию, в которой есть браны, но нет струн.

В этой главе будет также представлена М-теория, одиннадцатимерная теория, охватывающая как теорию суперструн, так и одиннадцатимерную супергравитацию, существование которой было предсказано с помощью идей, пришедших от теории струн. Никто на самом деле не знает, что означает «М» в названии теории — изобретатель термина Эдвард Виттен умышленно оставил это неясным, но в числе предложений есть слова «мембрана» (membrane), «магия» (magic) и «тайна» (mystery). Здесь я хотела бы добавить, что М-теория все еще остается «отсутствующей теорией» (missing theory), которая постулирована, но не до конца понятна. Однако, даже несмотря на то, что многие вопросы в М-теории остаются без ответа, полученные с помощью бран новые результаты выявили теоретические связи, предполагающие у М-теории наличие более сложной структуры. Именно поэтому теоретики-струнники изучают ее сейчас.

В этой главе мы обновим картину теории струн, которая начала развиваться в 1980-е годы, и представим ряд новых точек зрения, развитых физиками в 1990-е годы. Значительная часть этого материала не будет важна для рассмотрения вопроса о применении бран к физике частиц, и дальнейшие гипотезы о мире бран не будут явно опираться ни на одно из описанных ниже явлений. Поэтому при желании вы можете пропустить эту главу. Однако воспользуйтесь этой возможностью и познакомьтесь с рядом удивительных достижений теории струн, которые и объясняют в значительной степени важность бран в этой теории.

Рождающиеся браны

В гл. 3 мы видели, что браны простираются в некоторых пространственных измерениях (необязательно во всех). Например, браны могут простираться только в трех пространственных измерениях, хотя число пространственных измерений балка намного больше. Дополнительные измерения могут оканчиваться на бранах, иначе говоря, браны могут ограничивать пространство дополнительных измерений. Мы знаем также, что брана может приютить частицы, движущиеся только в ее измерениях. Даже если бы существовало много дополнительных пространственных измерений, захваченные браной частицы двигались бы только в ограниченной области, занятой этой браной; они не могли бы использовать все пространство дополнительных измерений.

Сейчас мы увидим, что браны представляют собой нечто большее, чем просто место; они сами являются объектами. Браны похожи на мембраны, и так же, как мембраны, они вполне реальны. Браны могут быть ненатянутыми, и в этом случае они могут двигаться и изгибаться, или они могут быть натянутыми, и в этом случае скорее всего неподвижны. Браны могут обладать зарядами и разным образом взаимодействовать. Кроме того, браны влияют на то, как ведут себя струны и другие объекты. Все эти свойства позволяют утверждать, что браны существенны для теории струн — любая последовательная формулировка теории струн должна включать браны.