Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса - Брайан Грин

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]

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, бо́льших 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.

Как только идея бранной мультивселенной возникла в струнном сообществе, немедленно возник вопрос. Если гигантские браны существуют по соседству, целые параллельные вселенные висят где-то рядом подобно ржаным ломтикам, удобно расположившимся по соседству, то почему мы не видим их?

Цепкие браны и гравитационные щупальца

Струны бывают двух видов: в виде петель и отрезков нитей. До сих пор мы не делали различий, потому что это несущественно для понимания большинства общих свойств теории. Но для миров на бране это различие между петлями и отрезками нитей становится решающим, и следующий простой вопрос объясняет, почему. Могут ли струны улететь с браны? Ответ: петли могут, отрезки нитей нет.

Знаменитый струнный теоретик Джо Польчински впервые осознал, что всё определяется поведением концов струнной нити. Уравнения, убедившие физиков, что браны являются частью струнной теории, также показали, что между струнами и бранами есть особенно тесная связь. Брана — это единственное место для концов струнных отрезков (рис. 5.4). Математические выкладки показывают, что открепить концы струнных отрезков от поверхности браны попросту невозможно, это всё равно, что пытаться уменьшить число π или увеличить квадратный корень из 2. С физической точки зрения такая ситуация сродни попытке удалить северный или южный полюс магнита. Сделать такое просто невозможно. Струнные нити могут свободно двигаться внутри и сквозь брану, играючи скользя туда и сюда, но покинуть её они не могут.

Рис. 5.4. Браны — это единственное место, где могут быть расположены концы отрезков струнных нитей

Если это не просто интересная математика, и мы действительно живём на бране, то прямо сейчас вы ощущаете, как наша брана мёртвой хваткой держит концы струнных отрезков. Попробуйте спрыгнуть с нашей три-браны. Попытайтесь ещё, сильнее. Подозреваю, что вы никуда не исчезли. Струны в бранном мире, из которых состоите вы и вся остальная привычная материя, — это отрезки нитей. Покинуть брану нельзя, хотя можно прыгать вверх и вниз, кидать бейсбольный мяч и посылать звуковые волны, совершенно беспрепятственно со стороны браны. Если вы попробуете спрыгнуть, то концы ваших струнных отрезков наглухо притянут вас к бране. Наш мир — это такой дрейфующий плот в многомерном океане, но мы не можем его покинуть, не можем вырваться и исследовать космос за его пределами.

То же самое происходит с частицами-переносчиками трёх негравитационных взаимодействий. Можно показать, что они тоже составлены из струнных отрезков. Самые важные среди них фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Таким образом, видимый свет потоком фотонов может свободно распространяться внутри нашей браны от этого текста до ваших глаз или от галактики Андромеды до Вильсоновской обсерватории, но всё равно не сможет вырваться за её пределы. Вполне возможно, что другой мир на бране находится в нескольких миллиметрах от нас, но свет не может преодолеть этот промежуток, и поэтому мы никогда не получим ни малейшего намёка на его существование.

Единственное взаимодействие, которое отличается в этом отношении — это гравитация. В главе 4 мы отметили особое свойство гравитона — спин-2, превышающий в два раза спин частиц, составленных из струнных отрезков (как фотоны), являющихся переносчиками негравитационных взаимодействий. Тот факт, что спин гравитона в два раза превышает спин отдельного струнного отрезка, означает, что гравитон можно представить в виде двух таких отрезков, причём концы одного слипаются с концами другого и возникает петля. Поскольку у петель нет концов, они не могут быть захвачены бранами. Поэтому гравитоны могут покинуть одну брану и попасть на другую. Тогда в сценарии мира на бране только с помощью гравитации можно прощупать то, что находится за пределами нашего трёхмерного пространства.

Такая идея играет ключевую роль для некоторых возможных тестов теории струн (глава 4, табл. 4.1). В 1980–1990-х годах, до появления концепции бран, физики полагали, что дополнительные измерения в теории струн имеют приблизительно планковский размер (примерно 10−33 сантиметра), естественный масштаб для теории, описывающей гравитацию и квантовую механику. Но сценарий мира на бране заставляет нас думать шире. Поскольку лишь гравитация, слабейшее из всех взаимодействий, может вырваться за пределы привычного трёхмерного пространства, дополнительные измерения вполне могут иметь достаточно большой размер и всё равно оставаться невидимыми. По крайней мере пока.