Закрученные пассажи

Глава 15 Вспомогательные пассажи: развитие бран

Insane in the membrane

Insane in the brain.

Cypress Hill[134]

Икар Рашмор XLII решил еще раз нырнуть на крохотный планковский масштаб. К счастью, его Алисэксвир с форсированным движком работал превосходно и Икар плавно возник в десятимерной вселенной, заполненной струнами. Желая поскорее испытать свое новое оборудование, Икар запустил на полную мощность только что купленный по системе Gbay¹ гипердвигатель. Он с восхищением наблюдал за тем, как струны сталкивались и перепутывались в чарующем танце.

Хотя Икар опасался, что Алисэксвир может не выдержать, ему очень хотелось побольше узнать об этом новом мире. Поэтому он продолжал давить на рычаг гипердвигателя. Сначала струны стали еще чаще сталкиваться друг с другом. Но когда Икар сильнее надавил на рычаг, он попал в новый, совершенно неузнаваемый мир. Икар даже не мог сказать, не разрушилось ли пространство-время. Но он продолжал разгонять гипердвигатель и, как ни странно, остался целым и невредимым.

Однако окружающий его мир стал совершенно иным. Икар уже не находился в десятимерной вселенной, откуда он начал свое путешествие. Вместо этого он оказался в одиннадцатимерной вселенной, заполненной частицами и бранами. И, как это ни странно звучит, ничто в этой новой вселенной не испытывало тяги к взаимодействию. Бросив взгляд на свои контрольные приборы, Икар обнаружил, что рычаг форсажа загадочным образом вернулся в нижнее положение. Озадаченный и довольно раздраженный Икар снова нажал на рычаг только для того, чтобы вернуться назад, откуда он начал. Проверив приборы, он обнаружил, что рычаг гипердвигателя опять находится в нижнем положении.

Икар подумал, что его Алисэксвир, вероятно, работает неправильно. Но когда он сверился с руководством, он понял, что устройство работает идеально, просто запущенный на полную мощность гипердвигатель в десятимерной теории струн был эквивалентен маломощному гипердвигателю в альтернативном одиннадцатимерном мире, и наоборот.

Руководство не говорило, что должно происходить, когда гипердвигатель работал на промежуточной мощности, не слишком малой и не слишком большой, так что Икар вошел в Спейсернет³ и занес себя в очередь ожидающих исправленной версии машины, которая решила бы проблему. Но создатели Алисэксвира обещали только, что выпуск нового релиза состоится в пределах тысячи лет.

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.

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.

В 1989 году Джин Дай, Роб Ли и Джо Полчинский, в то время работавшие в Техасском университете, и независимо чешский физик Петр Хоржава математически доказали существование в уравнениях теории струн решений в виде определенного типа бран, названных D-бранами (в честь Петера Дирихле, немецкого математика XIX века). В отличие от замкнутых струн, которые образуют петлю, открытые струны имеют два свободных конца. Эти концы должны где-то находиться, и в теории струн разрешенные местонахождения концов открытой струны представляют собой D-браны. Балк может содержать более одной браны, так что не все струны обязательно заканчиваются на одной и той же бране. Но Полчинский, Дай, Ли и Хоржава обнаружили, что все открытые струны должны кончаться на бранах, а теория струн показывает, какую размерность и свойства будут иметь эти браны.

Одни браны простираются в трех измерениях, другие — в четырех, пяти и более измерениях. На самом деле теория струн содержит браны, простирающиеся в любом числе измерений вплоть до девяти. Соглашение, принятое в теории струн для нумерации бран, заключается в том, чтобы указывать число измерений пространства, но не пространства-времени, в котором они простираются. Например, 3-брана — это брана, простирающаяся в трех измерениях пространства (но четырех измерениях пространства-времени). Когда мы дойдем до следствий, которые браны оказывают на видимый мир, 3-браны окажутся очень важными. Однако для приложений, которые обсуждаются в этой главе, браны с другим числом измерений также будут играть важную роль.

В теории струн возникают разные типы бран. Они отличаются не только своей размерностью — числом измерений, в которых они простираются, но и своими зарядами, формой и важной характеристикой, называемой натяжением (к которой мы вскоре подойдем). Мы не знаем, существуют ли браны в реальном мире, но мы знаем все типы бран, возможные в теории струн.

Когда браны были открыты, они казались просто диковинкой. Никто не видел в то время хоть какой-нибудь причины включать в рассмотрение браны, которые бы взаимодействовали или двигались. Если бы струны взаимодействовали только слабо, как изначально предполагали теоретики-струнники, D — браны были бы столь сильно натянутыми, что они просто сидели бы неподвижно и не вносили никакого вклада в движение или взаимодействия струн. Если же браны не соответствовали струнам в балке, они были бы просто излишним усложнением. Они означали бы место или положение, но имели бы отношение к движениям и взаимодействиям струн не более, чем Великая Китайская стена имеет отношение к нашему повседневному существованию. Кроме того, физики не хотели включать браны в физическую реализацию теории струн, так как браны нарушали их интуитивное понимание того, что все размерности созданы равноправными. Браны различали некоторые измерения — те, которые простирались вдоль браны, от тех, которые простирались вне браны, в то время как в известных законах физики все направления считались одинаковыми. Почему же теория струн должна быть иной?

Мы также считаем, что физика в любой точке пространства должна быть такой же, как в любой другой точке. Но браны не соблюдают и эту симметрию. Хотя браны и простираются по некоторым измерениям бесконечно далеко, по другим измерениям их положение фиксировано. Именно поэтому они не покрывают все пространство. Но в тех направлениях, в которых положение бран фиксировано, сантиметр в сторону от браны — не то же самое, что метр или километр. Вообразите брану, надушенную духами. Вы, безусловно, сможете сказать, находитесь ли вы близко или далеко от нее.

По этим причинам физики первоначально игнорировали браны. Однако через пять лет после открытия бран их статус в среде теоретиков заметно исправился. В 1995 году Джо Полчинский необратимо изменил направление исследований в теории струн, показав, что браны — это динамические объекты, являющиеся неотъемлемой частью теории струн и способные играть решающую роль в ее окончательной формулировке. Полчинский объяснил, какие типы D-бран присутствуют в теории суперструн, и показал, что эти браны обладают зарядом и, следовательно, взаимодействуют.

Кроме того, браны в теории струн обладают конечным натяжением. Оно чрезвычайно похоже на натяжение поверхности барабана, которая возвращается после растяжения или сжатия к своему исходному натянутому положению. Если бы натяжение браны равнялось нулю, любое малое прикосновение приводило бы к огромному эффекту, так как у браны не было бы сопротивления. С другой стороны, если бы натяжение браны было бесконечно велико, вы, прежде всего, не могли бы никак на нее воздействовать, так как это был бы стационарный, а не динамический объект. Так как натяжение бран конечно, они могут двигаться, флуктуировать и реагировать на взаимодействия, как и всякий другой заряженный объект.

Конечное натяжение бран и их ненулевой заряд говорят нам о том, что они не просто задают положение, они являются также предметами: их заряды указывают нам, что они взаимодействуют, а конечное натяжение указывает на то, что они движутся. Брана может двигаться и взаимодействовать, как батут — поверхность, взаимодействующая с окружающей средой, когда ее сжимают, а затем она выпрямляется. Например, и батут, и браны могут быть изогнуты. И батут, и браны могут влиять на их окружение, батуты путем выталкивания людей и воздуха, а браны — путем толкания заряженных объектов и гравитационного поля.

Если браны существуют в космосе, нарушение ими пространственно-временных симметрий должно беспокоить нас не больше, чем нарушение пространственных симметрий, вызванное Солнцем и Землей. Солнце и Земля также находятся в определенных местах; при измерении относительно Солнца или Земли не все положения в трехмерном пространстве равноценны. Тем не менее физические законы сохраняют пространственно-временные симметрии трехмерного пространства, даже если это не справедливо для состояния вселенной. В этом отношении браны должны быть не хуже, чем Солнце или Земля. Как и все другие объекты, занимающие определенные положения в пространстве, браны нарушают некоторые симметрии пространства-времени.

Небольшое размышление показывает, что в этом нет ничего плохого. В конце концов, если теория струн является правильным описанием природы, тогда не все измерения созданы равными. Три знакомых пространственных измерения выглядят похоже, но дополнительные измерения должны быть другими; если бы это было не так, они не были бы «дополнительными». С точки зрения физической вселенной нарушение пространственно-временных симметрий могло бы помочь объяснить, почему дополнительные измерения различны: браны могли бы корректно отличать дополнительные измерения теории струн от трех пространственных измерений, которые мы знаем и ощущаем.

В последующих главах я буду рассматривать браны с тремя пространственными измерениями и опишу некоторые возможные радикальные следствия для реального мира. Но в данной главе мы сосредоточимся на том, почему браны оказались столь важными в теории струн, настолько важными, что они привели в 1995 году ко «второй суперструнной революции». В следующем разделе приводится ряд соображений, почему в прошедшее десятилетие браны оставались на переднем крае теории струн, и почему мы сейчас думаем, что они должны там оставаться.

В то время, когда Джо Полчинский был поглощен исследованием D-бран, Энди Стромингер, в то время его коллега в университете Санта-Барбара, обдумывал р-браны, поразительные объекты, вытекающие из уравнения Эйнштейна. Они простираются бесконечно далеко в некоторых пространственных измерениях, но в оставшихся измерениях ведут себя как черные дыры, захватывая все объекты, которые подходят слишком близко. А вот D-браны — это поверхности, на которых заканчиваются открытые струны.

Энди рассказал мне, как каждый день за обедом он и Джо обсуждали свои исследования. Энди говорил о р-бранах, а Джо обсуждал D-браны. Хотя они оба исследовали браны, поначалу, как и все физики, они думали, что их браны являются разными вещами. В конце концов Джо понял, что это не так.

Работа Энди показала, что р-браны, которые он изучал, крайне важны для теории струн, так как в определенных пространственно-временных геометриях они порождают новые типы частиц. Даже если допустить, что столь неочевидные идеи теории струн верны и частицы возникают как колебательные моды струн, колебания струн совсем не обязаны объяснять существование всех частиц. Энди показал, что могут существовать дополнительные частицы, возникающие независимо от струн.

Браны могут иметь разные образы, формы и размеры. Хотя мы сфокусировались на них как на месте, где заканчиваются струны, сами браны являются независимыми объектами, которые могут взаимодействовать со своим окружением. Энди рассмотрел р-браны, которые обворачиваются вокруг очень маленькой скрученной области пространства, и обнаружил, что эти сильно скрученные браны могут действовать как частицы. Скрученную р-брану, действующую как частица, можно сравнить с сильно затянутым лассо. Веревочная петля становится маленькой, как только вы набросите лассо на шест или рог быка и стянете петлю, так и брана может затянуться вокруг компактной области пространства. И если эта область пространства мала, то и брана, охватывающая эту область, также будет малой.

Эти маленькие браны, как и более знакомые макроскопические объекты, обладают массой, линейно растущей в зависимости от размера. Большое количество чего-нибудь (например, свинцовых труб, грязи или вишен) тяжелее, а меньшее количество легче. Так как окружающая крохотную область пространства брана очень мала, она будет и чрезвычайно легкой. Расчеты Энди показали, что в предельном случае, когда брана настолько мала, как это только можно себе представить, такая крохотная брана выглядит как новая безмассовая частица. Результат Энди был очень важным, так как он показывал, что даже самая основная гипотеза теории струн — все состоит из струн — не всегда верна. Браны тоже вносят вклад в спектр частиц.

Важное наблюдение Джо в 1995 году состояло в том, что эти новые частицы, возникающие из крохотных р-бран, можно также объяснить с помощью — D-бран. Действительно, в работе, устанавливающей важность D-бран, Джо показал, что D-браны и р-браны — на самом деле одно и то же. При тех энергиях, когда теория струн и общая теория относительности дают одинаковые предсказания, D-браны превращаются в р-браны. Джо и Энди на самом деле изучали одни и те же объекты, хотя поначалу они этого не понимали. Полученный результат означал, что в важности — D-бран уже нельзя более сомневаться: они не менее важны, чем р-браны, а р-браны существенны для спектра частиц теории струн. Кроме того, появился красивый способ понять, почему р-браны эквивалентны. D-бранам. Он основан на тонком и важном понятии дуальности.

Дуальность — ОДНО из самых интересных понятий последних десяти лет в физике частиц и теории струн. Она играет главную роль в недавних успехах как квантовой теории поля, так и теории струн, и, как мы вскоре увидим, имеет особенно важные приложения для теорий с бранами.

Две теории дуальны, если они являются одной и той же теорией, но при разных описаниях. В 1992 году индийский физик Ашок Сен одним из первых заметил дуальность в теории струн. В своей работе, развивавшей идею дуальности, которую первоначально предложили в 1977 году физики Клаус Монтонен и Дэвид Олив, он показал, что некая теория остается в точности такой же, что и раньше, если частицы и струны в теории меняются местами. В 1990-е годы родившийся в Израиле физик Нати Зейберг, работавший затем в Университете Ратгерса, также продемонстрировал удивительные дуальности между различными супер-симметричными теориями поля с кажущимися различными взаимодействиями.

Чтобы понять важность понятия дуальности, полезно иметь небольшое представление о том, каким образом теоретики-струнники в общем случае производят вычисления. Предсказания теории струн зависят от натяжения струны. Но они зависят также от величины, называемой константой связи струны, которая определяет интенсивность взаимодействия струн. Скользят ли они мимо, чуть касаясь друг друга, что соответствует малой константе связи, или прилипают друг к другу, обсуждая свою дальнейшую судьбу, что соответствует сильной константе? Если бы мы знали величину константы связи струны, мы могли бы изучать теорию струн только для этого конкретного значения. Но так как мы до сих пор не знаем значения константы связи струны, мы можем надеяться понять теорию только в случае, если сможем сделать предсказания для любого значения константы взаимодействия струн. Тогда мы сможем найти, какой из вариантов работает.

Проблема заключалась в том, что с первых шагов теории струн казалось, что теория с большой константой связи очень неподатлива. В 1980-е годы была понята только теория струн со слабо взаимодействующими струнами. (Я использую прилагательное «слабый» для описания интенсивности взаимодействий струн, но пусть это слово не введет вас в заблуждение — оно не имеет ничего общего со слабым взаимодействием.) Когда струны взаимодействуют очень сильно, невероятно трудно произвести хоть какие-нибудь вычисления. Точно так же, как проще развязать слабый узел, чем тугой, теория, в которую входят только слабые взаимодействия, значительно более податлива, чем теория с сильными взаимодействиями. Когда струны взаимодействуют друг с другом очень сильно, они превращаются в сильно запутанный клубок, который слишком трудно распутать. Физики испытывали различные хитроумные подходы для расчетов, включающих сильно взаимодействующие струны, но не нашли методов, которые можно было бы с пользой применить к реальному миру.

На самом деле не только теорию струн, но все физические теории легче понимать, когда взаимодействия слабы. Происходит это потому, что если слабое взаимодействие является всего лишь малым возмущением, или отклонением от решаемой теории (обычно теории без взаимодействия), то вы можете использовать технику, известную как теория возмущений. Эта теория позволяет постепенно накапливать ответ на вопрос о слабовзаимодействующей теории, начав с теории без взаимодействий и шаг за шагом вычисляя малые поправки. Теория возмущений — это систематическая процедура, говорящая нам, как улучшить расчет последовательными шагами, пока вы не достигнете любого желаемого уровня точности (или пока вы не устанете, что бы ни произошло раньше).

Использование теории возмущений для приближенного вычисления величины в нерешаемой теории можно сравнить со смешиванием красок для приближенного получения желаемого цвета. Допустим, вы стремитесь получить нежноголубой цвет с примесью зеленого, который напоминает Средиземное море в самые красивые моменты. Вы можете начать с синей краски, а затем подмешивать во все меньших количествах зеленую краску, поочередно добавляя чуть больше синей, пока не достигнете (почти) точного цвета, которого вы добивались. Изменение вашей смеси красок в такой манере — это путь, совершаемый малыми шагами для получения настолько близкого приближения к желаемому цвету, который вы хотите. Аналогично, теория возмущений — это метод последовательного приближения к правильному ответу для любой задачи, которую вы решаете, путем совершения последовательных шагов, начиная с задачи, которую вы уже знаете, как решать.

С другой стороны, попытка найти ответ для задачи в теории с сильной связью больше напоминает попытку воспроизвести картину Джексона Поллака, хаотично распыляя краски. Каждый раз, как вы брызгали бы немного краски, картина полностью менялась бы. Ваша картина не стала бы ближе к желаемой после двенадцати итераций по сравнению с тем, чем она была после восьми. На самом деле каждый раз, когда вы разбрызгивали бы краску, вы старались бы сделать это так, чтобы не покрыть слишком большой кусок от предыдущей попытки, изменяя картину настолько сильно, что вы по существу начинали бы каждый раз заново.

Аналогично, теория возмущений бесполезна, когда решаемая теория возмущается сильным взаимодействием. Так же как тщетны попытки повторить современный разбрызганный шедевр, не будут иметь успеха и систематические попытки получить приближенно интересующую вас величину в теории с сильным взаимодействием. Теория возмущений полезна и вычисления можно контролировать только тогда, когда взаимодействия слабы.

Иногда, в определенных исключительных ситуациях, даже когда теория возмущений бесполезна, удается все же понять качественные свойства сильно взаимодействующей теории. Например, физическое описание вашей системы может напоминать в общих чертах слабовзаимодействующую теорию, хотя детали, возможно, довольно сильно различаются. Однако чаще невозможно что-либо сказать о сильновзаимодействующей системе. Даже качественные свойства сильновзаимодействующей системы часто полностью отличаются от свойств на первый взгляд похожей слабовзаимодействующей системы.

Итак, есть две вещи, которые можно ожидать от сильновзаимодействующей десятимерной теории струн. Вы можете думать, что никто не способен построить ее, и поэтому никто не может ничего о ней сказать, или вы можете ожидать, что сильновзаимодействующая десятимерная теория струн выглядит, по меньшей мере в общих чертах, как слабо связанная теория струн. Удивительно, но в некоторых случаях ни один из этих вариантов не оказывается правильным. В случае частного типа десятимерной теории струн, называемой НА, сильновзаимодействующая струна не имеет ничего общего со слабовзаимодействующей струной. Но тем не менее мы можем изучать ее следствия, так как это податливая система, в которой возможны расчеты.

На конференции «Струны-95», которая проходила в Университете Южной Калифорнии в марте 1995 года, Эдвард Виттен поразил аудиторию, показав, что при низких энергиях вариант десятимерной теории суперструн с сильной связью полностью эквивалентен теории, которую большинство ученых считало совершенно иной, а именно, одиннадцатимерной супергравитации, т. е. одиннадцатимерной суперсимметричной теории, содержащей гравитацию. Объекты этой эквивалентной теории супергравитации взаимодействовали слабо, так что можно было с пользой применять теорию возмущений.

Как это ни странно, это означало, что можно использовать теорию возмущений для изучения исходной сильновзаимодействующей десятимерной теории суперструн. Вам нужно было использовать теорию возмущений не в самой сильно-взаимодействующей теории струн, а, на первый взгляд, в совершенно другой теории — слабовзаимодействующей одиннадцатимерной супергравитации. Этот важный результат, ранее замеченный также Полом Таунсендом из Кембриджского университета, означал, что несмотря на разную упаковку при низких энергиях десятимерная теория суперструн и одиннадцатимерная супергравитация были на самом деле одной и той же теорией. Как принято говорить у физиков, эти теории были дуальны.

Идею дуальности можно проиллюстрировать нашей аналогией с живописью. Предположим, что мы начали с синей краски, но затем «возмутили» ее, добавив зеленой краски. Хорошим описанием такой смеси красок будет тогда синяя краска с намеком на зеленую. Теперь предположим, что добавленная зеленая краска была не малым возмущением, а мы добавили огромное количество зеленой краски. Если это количество намного превосходит количество исходной синей краски, то более правильным, «дуальным» описанием смеси будет зеленая краска с намеком на синюю. Предпочтительное описание полностью зависит от количества каждой краски.

Аналогично, когда константа взаимодействия мала, теория может иметь одно описание. Но когда эта константа достаточно велика, теория возмущений в исходном описании становится бесполезной. Тем не менее в определенных важных ситуациях исходную теорию удается полностью переделать так, что теория возмущений становится применимой. Это и будет дуальным описанием.

Все это напоминает ситуацию, когда кто-то преподносит вам продукты для обеда из пяти блюд. Даже имея все составные части, вы можете не знать, с чего начать. Чтобы приготовить блюдо, вы должны представлять, для какого блюда предназначены определенные продукты, как специи взаимодействуют с пищей и друг с другом, что и когда нужно запекать. Но если поставщики провизии доставили те же составные части предварительно приготовленными и превращенными в салат, суп, закуску, главное блюдо и десерт, то я полагаю, что каждый сумеет превратить это в обед. Когда те же самые составные части правильно организованы, приготовление обеда превращается из сложной задачи в тривиальную.

Аналогично работает и дуальность в теории струн. Хотя сильновзаимодействующая десятимерная теория суперструн выглядит трудноразрешимой, дуальное описание автоматически перестраивает ее в теорию, в которой можно использовать теорию возмущений. Расчеты, трудные в одной теории, становятся выполнимыми в другой. Даже если константа связи в одной теории слишком велика для того, чтобы использовать теорию возмущений, в другой она оказывается достаточно малой, что позволяет проводить вычисления по теории возмущений. Однако мы еще не до конца понимаем дуальность. Например, никто не знает, как вычислить что-нибудь, когда константа взаимодействия струны не слишком мала и не слишком велика. Но когда одна из констант очень мала или очень велика (а другая константа, соответственно, очень велика или очень мала), то расчеты можно осуществить.

Дуальность сильновзаимодействующей теории суперструн и слабовзаимодействующей одиннадцатимерной теории супергравитации утверждает, что можно вычислить все, что вам только хочется знать в сильновзаимодействующей десятимерной теории суперструн, совершив вычисления в рамках теории, которая кажется на первый взгляд совершенно иной. Все, что предсказывается сильновзаимодействующей десятимерной теорией суперструн, может быть получено и из слабовзаимодействующей одиннадцатимерной теории супергравитации, и наоборот.

Свойство этой дуальности, которое делает ее столь невероятной, заключается в том, что оба описания включают только локальные взаимодействия, т. е. взаимодействия с соседними объектами. Даже если соответствующие объекты существуют в обоих описаниях, дуальность только тогда становится поистине удивительным и интересным явлением, если оба описания содержат локальные взаимодействия. В конце концов, измерение — это больше, чем собрание точек, это способ организации вещей по тому, насколько они близки или удалены друг от друга. Компьютерная распечатка может содержать все, что я хочу знать, и быть эквивалентной организованному множеству файлов или документов, но она не станет простым описанием, пока информация не будет логически связана с соседней. Локальные взаимодействия как в десятимерной теории суперструн, так и в одиннадцатимерной теории супергравитации, — это то, что делает размерности в обоих теориях, а следовательно и сами теории, полными смысла и пользы.

Эквивалентность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией доказали Пол Таунсенд из Кембриджа и Майкл Дафф из Техасского аграрно-механического университета. В течение долгого времени многие теоретики-струнники резко возражали и охаивали их работу по одиннадцатимерной супергравитации. Они не могли понять, почему Дафф и Таунсенд тратят свое время на эту теорию, когда совершенно очевидно, что физикой будущего является теория струн. После доклада Виттена теоретики-струнники должны были признать, что одиннадцатимерная супергравитация не просто интересна, она эквивалентна теории струн!

Я осознала, какой большой интерес вызвал этот удивительный результат про дуальность, во время полета из Лондона домой. Пассажир, оказавшийся рок-музыкантом, увидел, что я читаю какие-то статьи по физике. Он подошел ко мне и спросил, является ли вселенная десяти- или одиннадцатимерной. Я несколько удивилась. Но ответила и объяснила, что в определенном смысле она и такая, и другая. Так как десяти- и одиннадцатимерные теории эквивалентны, каждую из них можно считать правильной. Соглашение приписывает вселенной то число измерений, которое соответствует теории со слабовзаимодействующими струнами, а следовательно, с меньшим физическим значением константы связи струны.

Но в противоположность константам, связанным с взаимодействиями Стандартной модели, интенсивность которых мы можем измерить, нам до сих пор неизвестна величина константы связи струны. Она может быть слабой, и в этом случае можно непосредственно применять теорию возмущений; она может быть сильной, и в этом случае вам лучше использовать теорию возмущений в дуальном описании. Без знания величины константы связи струны у нас нет способа узнать, какое из двух описаний (если вообще какое бы то ни было) есть простейший путь к описанию теории струн в применении к нашему миру[135].

На конференции «Струны-95» были еще кое-какие дуальные сюрпризы. До тех пор большинство теоретиков-струнников полагали, что существуют пять версий теории суперструн, каждая из которых содержит разные взаимодействия. На конференции Виттен (и до него Таунсенд и другой британский физик Крис Халл) доказали дуальность между парами версий теории суперструн. А в течение 1995–1996 годов теоретики-струнники показали, что все эти версии десятимерных теорий дуальны друг другу и, кроме того, дуальны одиннадцатимерной супергравитации. Доклад Виттена вызвал настоящую дуальную революцию. Было показано, что при дополнительном учете свойств бран пять кажущихся различными теорий суперструн являются одной и той же теорией под разными масками.

Так как разные версии теории струн на самом деле совпадают, Виттен сделал вывод, что должна существовать единая теория, включающая одиннадцатимерную супергравитацию и различные проявления теории струн, содержат ли они при этом только слабые взаимодействия или нет. Он назвал новую одиннадцатимерную теорию М-теорией, и я упоминала о ней в начале этой главы. Из М-теории можно получить любую известную версию теории суперструн. Но кроме того М-теория выходит за пределы известных версий в области, которые нам еще предстоит понять. М-теория обладает потенциалом, позволяющим сформулировать более цельную, согласованную картину суперструн и полностью реализовать возможности теории струн как теории квантовой гравитации. Однако потребуется еще много кусков или структур, прежде чем теоретики-струнники поймут М-теорию достаточно хорошо, чтобы достичь этих целей. Если известные версии теории суперструн — это черепки, найденные на месте археологических раскопок, то М-теория — это искомый таинственный артефакт, который позволит собрать их все воедино. Никто пока не знает, как сформулировать М-теорию наилучшим образом. И теоретики-струнники считают, что это их главная цель.

В этом разделе будет детальнее рассмотрена упоминавшаяся выше дуальность между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией. Далее этот материал не будет использоваться, так что при желании этот раздел можно опустить и перейти к следующей главе. Однако это книга о размерностях, поэтому небольшое отступление о дуальности между двумя теориями с разными размерностями выглядит вполне уместным.

Свойство, обосновывающее применение дуальности, заключается в том, что одна из двух теорий всегда содержит сильновзаимодействующие объекты. Если взаимодействия сильны, то непосредственно вывести физические следствия теории удается только в редких случаях. Конечно, странно полагать, что десятимерная теория лучше описывается другой, совершенно непохожей одиннадцатимерной теорией, но странность отходит на второй план, если вспомнить, что десятимерная теория содержит такие сильновзаимодействующие объекты, что вы ничего не можете предсказать о том, что происходило вначале.

Тем не менее существует много неясных моментов относительно дуальности между теориями с разным числом измерений. В частном случае дуальности между десятимерной теорией суперструн и одиннадцатимерной супергравитацией на первый взгляд кажется, что существует очень фундаментальная проблема. Десятимерная теория суперструн содержит струны, в то время как в одиннадцатимерной супергравитации струн нет.

Для разрешения этой загадки физики использовали браны. Даже несмотря на то что одиннадцатимерная супергравитация не содержит струны, она содержит 2-браны. Но в противоположность струнам, имеющим только одно пространственное измерение, 2-браны имеют два измерения (как вы могли уже догадаться). Предположим теперь, что одно из одиннадцати измерений свернуто в очень маленькую окружность. В этом случае 2-брана, которая окружает свернутое круговое измерение, выглядит как струна. При этом кажется, что свернутая брана имеет только одно пространственное измерение (рис. 69). Это означает, что одиннадцатимерная теория супергравитации со свернутым измерением выглядит так, как если бы она содержала струны, несмотря на то, что исходная одиннадцатимерная теория их не содержала.

Это может показаться жульничеством, так как ранее мы уже выяснили, что теория со свернутым измерением всегда выглядит как содержащая меньшее число измерений на больших расстояниях и при малых энергиях, поэтому не следует удивляться, что одиннадцатимерная теория со свернутым измерением ведет себя как десятимерная теория. Если вы хотите показать, что десяти- и одиннадцатимерная теории эквивалентны, совсем неясно, почему достаточно изучить одиннадцатимерную теорию, когда одно из измерений свернуто?

Ключ к ответу состоит в том, что в гл. 2 было только показано, что свернутое измерение невидимо на больших расстояниях или при малых энергиях. На конференции «Струны-95» Эдвард Виттен пошел дальше. Он продемонстрировал эквивалентность десяти- и одиннадцатимерной теорий, показав, что одиннадцатимерная теория супергравитации с одним свернутым измерением полностью эквивалентна десятимерной теории суперструн даже на малых расстояниях. Когда измерение свернуто, вы все еще можете различать точки в разных местах вдоль этого измерения, если будете смотреть с очень близкого расстояния. Виттен показал, что в дуальных теориях все эквивалентно, даже те частицы, которые обладают достаточной энергией, чтобы исследовать расстояния, меньшие чем размер свернутого измерения.

Все в одиннадцатимерной теории супергравитации со свернутым измерением, даже малые расстояния и процессы при высоких энергиях, имеет двойников в десятимерной теории суперструн. Более того, дуальность выполняется для измерения, свернутого в окружность любого, неважно какого размера. Раньше, когда мы исследовали свернутое измерение, мы приводили доводы, что не замечено будет только маленькое свернутое измерение.

Но как могут быть одинаковыми теории с разным числом измерений? В конце концов, число измерений пространства есть число координат, необходимых для задания положения точки. Дуальность может быть верна только в случае, если теория суперструн всегда использует дополнительное число для описания точечноподобных объектов.

Ключ к пониманию дуальности заключается в том, что в теории суперструн имеются особые новые частицы, для однозначной идентификации которых требуется задать импульс в девяти пространственных измерениях, а также значение заряда. А в одиннадцатимерной супергравитации нужно знать импульс в десяти пространственных измерениях. Обратите внимание, что хотя есть девять измерений в одном случае и десять в другом, в обоих случаях нужно задать десять чисел: девять значений импульса и заряд в одном случае, десять значений импульса — в другом.

Обычные незаряженные струны не образуют пар с объектами в одиннадцатимерной теории. Так как вам нужно знать одиннадцать чисел, чтобы локализовать объект в пространстве-времени одиннадцатимерной теории, только частицы, несущие заряд, имеют одиннадцатимерных напарников. А партнерами объектов в одиннадцатимерной теории частиц оказываются браны, а именно, заряженные точечноподобные браны, называемые D0-браны. Теория струн и одиннадцатимерная супергравитация дуальны, так как для каждой D0-браны с данным зарядом в десятимерной теории суперструн[136] существует соответствующая частица с определенным одиннадцатимерным импульсом, и наоборот. Объекты десяти- и одиннадцатимерной теорий (а также их взаимодействия) в точности образуют пары.

Хотя может показаться, что заряд сильно отличается от импульса в некотором направлении, если каждый объект с данным импульсом в одиннадцатимерной теории соответствует объекту с конкретным зарядом в десятимерной теории (и наоборот), то дело вкуса — называть ли это число импульсом или зарядом. Число измерений есть число независимых направлений импульса, т. е. число различных направлений, по которым может двигаться объект. Но если импульс вдоль одного из направлений можно заменить зарядом, число измерений не очень хорошо определено. Лучший выбор определяется заданием величины константы связи струны.

Эта поразительная дуальность была одним из первых исследований, в котором браны оказались полезными. Браны стали дополнительными составными частями, которые потребовались для того, чтобы разные теории струн согласовывались друг с другом. Но решающее свойство бран в теории струн, являющееся важным для их приложения в физических теориях, заключается в том, что они могут стать приютом для частиц и взаимодействий. В следующей главе мы объясним это свойство.

• Теория струн — несоответствующее название. Теория струн содержит также многомерные браны. D-браны — это тип бран в теории струн, на которых должны оканчиваться открытые струны (т. е. струны, не замыкающиеся на себя).

• Браны играют важную роль во многих исследованиях по теории струн в последнем десятилетии.

• Браны важны при демонстрации дуальности, которая показывает, что внешне разные версии теории струн на самом деле эквивалентны.

• При низких энергиях десятимерная теория суперструн дуальна одиннадцатимерной супергравитации — теории, содержащей суперсимметрию и гравитацию. Частицы в одной теории соответствуют бранам в другой.

• Свойства бран, изложенные в данной главе, не будут использоваться далее. Однако они объясняют то воодушевление, которое царило среди специалистов по теории струн.