Нам не удастся понять, почему эскимосы внешне похожи на китайцев, если мы не учтем временное измерение, которое позволит установить их общее происхождение. Аналогично, те связи, которые становятся возможными благодаря дополнительным измерениям пространства, могут раскрыть поразительные стороны физики частиц и пролить свет на загадки давностью в несколько десятилетий. Связи между свойствами частиц и взаимодействиями, кажущиеся необъяснимыми, когда пространство заковано в трех измерениях, элегантно совмещаются в мире с большим числом пространственных измерений.
Верю ли я в дополнительные измерения? Признаюсь, да. Было время, когда я проявляла изрядную долю скептицизма, рассматривая физические идеи (включая мои собственные), которые выходили за рамки того, что может быть измерено. Меня привлекали эти идеи, но я честно признавала свое недоверие. Хотя иногда мне казалось, что в этом должен быть какой-то зародыш истины. Однажды, лет пять тому назад, по пути на работу, когда я переезжала реку Чарльз по дороге в Кембридж, я вдруг поняла для себя, что я действительно верю в необходимость существования каких-то форм дополнительных измерений. Я огляделась вокруг и стала всматриваться в многие измерения, которые не могла различить. Это был шок удивления от внезапного изменения моего взгляда на мир, похожий на тот, который я испытала, когда поняла, что я, коренная жительница Нью-Йорка, стала болеть за «Ред Соке» (Red Sox) во время игры на вылет против «Янки» (Yankee) — подобного я никогда не могла себе даже представить[2].
Более близкое знакомство с дополнительными измерениями лишь увеличило мою убежденность в их существовании. Аргументы против них имели слишком много прорех, чтобы заслуживать доверия, а физические теории без них оставляли без ответа слишком много вопросов. Кроме того, исследуя в последние годы дополнительные измерения, мы расширили список возможных вселенных с дополнительными измерениями, которые могут имитировать нашу собственную Вселенную, что наводит на мысль, что мы увидели лишь верхушку айсберга. Даже если дополнительные измерения не точно соответствуют тем картинкам, которые я привожу, полагаю, что они вполне уместны в той или иной форме, а их приложения окажутся неожиданными и поразительными.
Вас может заинтриговать тот факт, что следы дополнительных измерений могут прятаться на вашей кухне, на дне сковородки с антипригарным покрытием из квазикристаллов. Квазикристаллы — восхитительные структуры, лежащий в основе которых порядок раскрывается только с помощью дополнительных измерений. Кристалл представляет собой очень симметричную решетку из атомов и молекул, в которой много раз повторяется один базовый элемент. Известно, какие структуры могут образовывать кристаллы в трех измерениях и какие картины возможны. Однако расположение атомов и молекул в квазикристаллах не соответствует ни одной из этих картин.
Пример квазикристаллической картины показан на рис. 2. В ней нет точной регулярности, встречающейся в настоящем кристалле, картина которого выглядела бы скорее как сетка, нанесенная на лист миллиметровки. Наиболее изящный способ объяснения картин расположения молекул, возникающих в этих странных материалах, использует проекцию — нечто вроде трехмерной тени — кристаллической картины в пространстве с большим числом измерений, которая отражает симметрию картины в многомерном пространстве. В сковородах с антипригарным покрытием, на рабочую поверхность которых нанесены квазикристаллы, используется тот эффект, что проекция многомерных кристаллов на поверхности сковороды имеет структурные отличия от земной структуры обычной трехмерной пищи. Различные расположения атомов, не дающие им связаться друг с другом, являются дразнящим намеком на то, что дополнительные измерения существуют и объясняют ряд наблюдаемых физических явлений.
Обзор
Дополнительные измерения помогают понять необычное расположение молекул в квазикристалле; точно так же в наши дни физики предполагают, что теории с дополнительными измерениями смогут прояснить существующие в физике частиц и космологии связи, которые трудно понять, если ограничиться только тремя измерениями.
В течение тридцати лет ученые опирались на теорию, называемую Стандартной моделью физики частиц, которая рассказывает о фундаментальной природе материи и тех силах, за счет которых взаимодействуют элементарные составляющие [3]. Физики проверили Стандартную модель, воссоздавая частицы, которые существовали в нашем мире только в самые первые секунды жизни Вселенной, и убедились, что Стандартная модель очень хорошо описывает многие их свойства. Однако ряд фундаментальных вопросов остается в рамках Стандартной модели без ответа, и эти вопросы настолько фундаментальны, что их решение обещает новое глубокое проникновение в свойства строительных блоков нашего мира и их взаимодействий.
В этой книге рассказывается о том, как я и другие ученые искали ответы на загадки Стандартной модели и оказались в мирах с дополнительными измерениями. Новые достижения теории дополнительных измерений в конце концов займут в этом рассказе центральное место, но сначала я представлю вспомогательных игроков — революционные достижения физики двадцатого века. Недавние идеи, о которых я позднее расскажу, основаны на этих замечательных прорывах.
Обзорные разделы, с которыми мы познакомимся, можно в общих чертах разделить на три категории: физика начала двадцатого века, физика частиц и теория струн. Мы обсудим ключевые идеи теории относительности и квантовой механики, а также современное состояние физики частиц и проблемы, которые могут быть связаны с дополнительными измерениями. Мы рассмотрим также понятия, лежащие в основе теории струн, которую многие физики считают главным претендентом на роль теории, объединяющей квантовую механику и тяготение. Теория струн, постулирующая, что самыми основными элементами в природе являются не частицы, а фундаментальные колеблющиеся струны, придала значительный импульс изучению дополнительных измерений, так как теория струн требует существования более чем трех пространственных измерений. Кроме того, я опишу роль бран — объектов в теории струн, похожих на мембраны, которые столь же существенны для теории, как сами струны. Мы рассмотрим как успехи этих теорий, так и те вопросы, которые они оставляют открытыми, оправдывая тем самым современные исследования.
Одной из главных загадок является вопрос, почему тяготение настолько слабее всех других известных взаимодействий. Когда вы взбираетесь на гору, вы ощущаете, что тяготение совсем не слабая сила, но это происходит потому, что вас притягивает вся Земля. Маленький магнит может поднять скрепку, даже несмотря на то, что вся масса Земли притягивает ее в противоположном направлении. Почему же тяготение настолько бессильно по сравнению с маленьким усилием крохотного магнита? В стандартной трехмерной физике частиц слабость тяготения представляется большой загадкой. Ответ на нее могут дать дополнительные измерения. В 1998 году мой коллега Раман Сундрум и я нашли одну причину, по которой это может быть так.
Наша гипотеза основана на геометрии закрученного пространства, понятии, возникающем в эйнштейновской общей теории относительности. Согласно этой теории, пространство и время объединены в одну пространственно-временную структуру, искаженную или искривленную материей и энергией. Раман и я применили эту теорию в новом контексте с дополнительными измерениями. Мы обнаружили конфигурацию, в которой пространство-время искажено столь значительно, что даже если гравитация сильна в одной области пространства, она может оказаться ничтожной во всех других областях.
Мы обнаружили еще более поразительную вещь. Для объяснения того, почему не видны дополнительные измерения, физики в течении восьмидесяти лет полагали, что они должны быть крохотными по величине, однако в 1999 году Раман и я обнаружили, что искривленное пространство может объяснить не только слабость гравитации, но и то, что невидимое дополнительное измерение может простираться до бесконечности, если только оно должным образом деформировано в искривленном пространстве. Дополнительное измерение может иметь бесконечный размер, и тем не менее быть скрытым. (Не все физики сразу же приняли нашу гипотезу. Но мои друзья не-физики сразу поняли, что я куда-то продвинулась, и не потому, что они разобрались в науке, а потому, что когда после своего доклада я пришла на банкет конференции, Стивен Хокинг занял мне место.)
Я объясню физические принципы, лежащие в основе этих и других теоретических достижений, и новые представления о пространстве, делающие их допустимыми. Далее мы столкнемся с еще более фантастической возможностью, которую годом позднее обнаружили физик Андреас Карч и я: возможно, мы живем в трехмерном кармане пространства, хотя вся остальная Вселенная ведет себя так, как будто у нее большее число измерений. Этот результат открывает массу новых возможностей для структуры пространства-времени, которое может состоять из отдельных областей, каждая из которых имеет разное число измерений. Мы не только не находимся в центре Вселенной, как пять столетий тому назад сказал Коперник, но, возможно, живем в изолированной области с тремя пространственными измерениями, являющейся частью многомерного космоса.
