Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

D-брана представляет собой модель мира с элементарными частицами, поведение которых похоже на поведение настоящих элементарных частиц. Единственное, что отсутствует на D-бране, – это гравитация. Так происходит из-за того, что гравитон – это замкнутая струна, не имеющая концов, а струна, не имеющая концов, не может заканчиваться на бране и, соответственно, не может на ней жить.

Может ли реальный мир (если не принимать в расчёт гравитацию) электронов, фотонов и всех других элементарных частиц, а также атомов, молекул, людей, звёзд и галактик целиком помещаться на бране? Для большинства теоретиков, работающих над этой проблемой, подобная возможность представляется весьма вероятной.

Браны и компактификация

Из бран можно сделать всё что угодно. Возьмите D2-брану – мембрану – и сверните её в 2-сферу. Получится поверхность шара. Беда в том, что поверхностное натяжение мембраны быстро сожмёт этот шар в точку. Вместо сферы можно было бы попробовать свернуть из D2-браны тор, но он точно так же быстро сколлапсирует.

Но теперь представьте себе брану, которая простирается от одного конца Вселенной до другого. Самым простым примером для визуализации является бесконечная D1-брана, протянутая через всю Вселенную подобно бесконечному канату. Бесконечная D-брана не может сжаться и сколлапсировать. Вы можете представить себе двух космических гигантов, держащих эту брану за концы, но так как D-брана бесконечна, гиганты тоже находятся бесконечно далеко.

Нет никакой необходимости ограничиваться D1-бранами: бесконечный лист, растянутый по всей Вселенной, тоже является стабильным, только на этот раз нам потребуется много гигантов, которые будут удерживать края этого листа по всему периметру, но, опять же, они будут бесконечно далеко. Бесконечная мембрана могла бы представлять собой мир элементарных частиц, фантастическую Флатландию, являющуюся двумерным аналогом нашей собственной Вселенной. Вы могли бы подумать, что существа, обитающие на мембране, не способны прийти к выводу о существовании других измерений, но это не совсем правильно. Подсказкой служат свойства гравитационных сил. Вспомните, что гравитационное взаимодействие вызывается обменом гравитонами между объектами. Но гравитоны – это замкнутые струны, не имеющие концов, поэтому у них нет никаких причин оставаться на бране. Напротив, они свободно движутся через всё пространство. Они по-прежнему остаются переносчиками гравитационного взаимодействия между объектами, расположенными на бране, но при этом могут путешествовать через дополнительные измерения, возвращаясь затем обратно на брану. Гравитация, подобно космическому откровению из научно-фантастического романа, расскажет существам плоской земли о существовании иных измерений и о том, что эти существа находятся в заключении на двумерной поверхности.

Ненаблюдаемые измерения гравитации в действительности будет очень легко обнаружить. Массивные тела, сталкиваясь, излучают гравитоны точно так же, как заряженные электроны, сталкиваясь, излучают фотоны. Но практически все излучаемые гравитоны будет улетать в космос, никогда не возвращаясь на брану. Улетая с браны, гравитоны будут уносить с собой энергию. Энергия будет постоянно диссипировать с браны. Флатландцы обнаружат, что не вся энергия преобразуется в тепло, что часть потенциальной или химической энергии просто исчезает.

Теперь представьте, что пространство имеет больше измерений, чем наши обычные три. Бесконечные D3-браны могут быть растянуты через пространство таким же образом, как и D2– или D1-браны. На 3-бране могут существовать все обычные вещи нашего мира, за исключением одной: гравитация будет вести себя неправильно. Законы гравитации будут отражать тот факт, что гравитон движется через пространство большей размерности, чем три. Гравитация будет как бы «разбавлена», «растворена» в дополнительных измерениях. Результаты для нашего мира окажутся катастрофическими. Сила тяжести будет гораздо слабее, и галактики, звёзды и планеты не будут удерживаться ею на своих орбитах. Более того, гравитация будет настолько слаба, что даже не сможет удержать нас на поверхности Земли.

Но давайте возьмём эти дополнительные измерения – те, которые мы не можем исследовать, но через которые может проходить гравитон, – и свернём их в микроскопически малое компактное пространство. Три обычные пространственные измерения образуют бесконечную комнату, но дополнительные измерения упираются в «стены», «потолки» и «полы». Точки на противоположных стенах или на потолке и на полу соответствуют друг другу так же, как я описал в главе 8.

Чтобы лучше представить себе это, вернёмся к примеру, в котором мы компактифицировали трёхмерное пространство путём сворачивания одного измерения. Начнём с бесконечной комнаты, каждой точке потолка которой была сопоставлена точка на полу непосредственно под точкой на потолке. Но теперь на полу есть ковёр, который простирается до бесконечности во всех направлениях. Ковёр является D-браной. Представьте себе ковёр-брану, который поднимается вертикально вверх. Он медленно отрывается от пола, как волшебный ковёр в сказках «Тысячи и одной ночи», продолжает подниматься и поднимается до тех пор, пока не коснётся потолка. И в этот момент: «Абра-швабра-кадабра!» – и ковёр мгновенно возникает на полу.

До сих пор гравитоны не были привязаны к ковру-бране, но теперь они не могут улететь слишком далеко: для их движения остаётся слишком мало места в дополнительном измерении. И если дополнительное измерение микроскопически мало, то очень трудно определить, находится гравитон на бране или где-то рядом. В результате гравитационные силы будут практически неотличимы от случая, когда гравитоны вообще не покидают брану. И разумеется, не обнаружится ничего принципиально нового, если заменить мембрану D3-браной в пространстве более высокой размерности. D3-брана в девятимерном пространстве теории струн оказалась бы очень похожей на наш мир, если бы дополнительные шесть измерений были компактифицированы.

Многие струнные теоретики уверены, что мы действительно живём в мире-бране, плавающем в пространстве с шестью дополнительными измерениями. И, возможно, существуют другие браны, плавающие по соседству на ничтожно малом расстоянии, но невидимые для нас, потому что фотоны, излучаемые на нашей бране, не могут её покинуть и попасть на соседнюю, и точно так же фотоны, излучаемые на соседней бране, не могут попасть на нашу. Невидимость соседних бран вовсе не означает невозможность их обнаружения. Гравитоны, представляющие собой замкнутые струны, способны преодолеть промежуток между бранами. Не проявляются ли они в форме влияния той самой тёмной материи, гравитационное притяжение которой удерживает звёзды в галактиках в нашей Вселенной? D-браны Полчински раскрывают перед нами все возможные варианты новых измерений. С нашей точки зрения, Вселенная, состоящая из множества бран, мирно сосуществующих бок о бок, является всего лишь одним из возможных вариантов Ландшафта. Невероятно сложные пространства Калаби – Яу, сотни модулей, мировые браны, потоки (о них мы ещё поговорим) – Вселенная начинает выглядеть подобно миру, который может понравиться разве что матери Руба Голдберга. Хочется перефразировать реплику знаменитого физика-экспериментатора Исидора Исаака Раби: «Ну и кто заказал все эти вещи?»[89]

Однако мы ещё не исчерпали все хитроумные механизмы, из которых может состоять машина Руба. Вот ещё один: браны могут не только плавать в компактифицированном пространстве, но и быть обёрнутыми вокруг одного из компактифицированных измерений. Простейший пример – D1-брана, обёрнутая вокруг бесконечного цилиндра. Это будет выглядеть так же, как обёрнутая вокруг цилиндра струна, за исключением того, что место струны займёт D1-брана. С большого расстояния такой объект будет выглядеть как точечная частица на одномерной линии. Или предположим, что компактифицированное пространство представляет собой обычную 2-сферу. Можно попробовать обернуть струну или D1-брану вокруг экватора сферы как пояс вокруг Шалтая-Болтая. Но ведь пояс может и соскользнуть со сферического Шалтая. Струна или D1-брана, обёрнутая вокруг сферы, нестабильна, она не останется на ней надолго. По образному выражению Сидни Коулмана: «Нельзя заарканить баскетбольный мяч».

Теперь перейдём к тору, представляющему собой поверхность бублика. Можно ли обернуть D1-брану вокруг тора так, чтобы она осталась стабильной? Да, и не единственным способом. Существует два способа «опоясать» бублик. Один из них – продеть пояс сквозь дырку. Попробуйте сами: возьмите бублик, проденьте пояс… или галстук через дырку и завяжите. Он уже не сможет соскользнуть. Можете ли вы придумать второй способ опоясать тор?

Решающим фактором оказывается топология тора. Топология – это раздел математики, позволяющий отличать сферы от торов или более сложных пространств. Интересным расширением понятия тора является поверхность с двумя дырками. Возьмите комок глины и слепите из него шар. Поверхность шара является сферой. Теперь проделайте в этом шаре сквозное отверстие: получится бублик, поверхность которого является тором. Проделайте в комке ещё одно отверстие. Вы получите фигуру, поверхность которой является обобщением тора. Новую фигуру можно опоясать уже тремя разными способами. Математики называют сферу поверхностью рода 0, тор – поверхностью рода 1, а тор с двумя дырками – поверхностью рода 2. Очевидно, что, проделав множество отверстий, можно получить поверхность любого рода. Чем выше род поверхности, тем большим количеством способов можно обернуть вокруг неё брану.