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.
Взрослые браны и пропавшие частицы
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.
