Итак, браны возникают «нагруженными» взаимодействиями и частицами; много бран означает богатство возможностей. Кроме того, могут возникать и более тонкие ситуации, включающие разделенные группы бран. Находящиеся в разных местах браны будут нести на себе совершенно независимые частицы и взаимодействия. Частицы и взаимодействия, удерживаемые одной группой бран, будут полностью отличаться от частиц и взаимодействий, удерживаемых другой группой.
Например, если частицы, из которых мы состоим, вместе с электромагнитным взаимодействием все удерживаются на одной бране, мы будем испытывать электромагнитное взаимодействие. Однако с частицами, удерживаемыми на далеких бранах, этого не случится; далекие частицы нечувствительны к электромагнитному взаимодействию. С другой стороны, частицы, удерживаемые на далеких бранах, могут испытывать новые взаимодействия, к которым мы полностью нечувствительны.
Важное свойство подобной системы, которое понадобится позднее, состоит в том, что частицы на разделенных бранах не взаимодействуют друг с другом непосредственно. Взаимодействия локальны: они могут происходить только между частицами в одном и том же месте; частицы на разделенных бранах слишком удалены друг от друга, чтобы взаимодействовать непосредственно.
Можно сравнить балк, полное многомерное пространство, с огромным теннисным стадионом, на котором повсюду происходят отдельные матчи. Мяч на каждом из кортов перелетает туда и обратно через сетку и может двигаться везде по корту. Однако каждый матч происходит отдельно от других, а каждый мяч остается на своем собственном изолированном корте. Точно так же, как мяч на данном корте должен оставаться на нем и только два игрока на этом корте имеют право доступа к мячу, удерживаемые на бранах калибровочные бозоны или другие удерживаемые на бранах частицы взаимодействуют только с объектами на своей собственной бране.
Однако частицы на разделенных бранах могут взаимодействовать друг с другом, если существуют частицы и взаимодействия, которые могут свободно перемещаться по балку. Такие частицы в балке должны иметь возможность заходить на брану и покидать ее. Изредка они могут взаимодействовать с частицами на бране, но они могут также свободно перемещаться в полном пространстве большего числа измерений.
Система с разделенными бранами и взаимодействующими с ними частицами в балке напоминает стадион с разными одновременно происходящими матчами, в которых игроки в разных играх имеют одного и того же тренера. Тренер, который должен присматривать, что происходит в разных играх в одно и то же время, будет передвигаться от одного корта к другому. Если один игрок хочет что-то сообщить игроку на другом корте, он может передать сообщение тренеру, который передаст его другому игроку. Сами игроки не будут непосредственно взаимодействовать во время своих матчей, но тем не менее они могут связаться через человека, перемещающегося между соответствующими кортами. Аналогично, частицы в балке могут взаимодействовать с частицами на одной бране, а затем — с частицами на далекой бране, позволяя таким образом косвенно взаимодействовать частицам, прикрепленным к разделенным бранам.
В следующем разделе мы увидим, что гравитон, частица, переносящая гравитационное взаимодействие, является одной из таких живущих в балке частиц. В системе с большим числом измерений он будет перемещаться по всему пространству большого числа измерений и взаимодействовать со всеми частицами везде, независимо от того, находятся они на бранах или нет.
Гравитация: опять иная
В противоположность всем другим взаимодействиям, гравитация никогда не захватывается на брану. Связанные с браной калибровочные бозоны и фермионы являются результатом открытых струн; но в теории струн гравитон, частица, переносящая гравитационное взаимодействие, есть мода замкнутой струны. У замкнутых струн нет концов, и поэтому им нечем зацепиться за брану.
Частицы, являющиеся колебательными модами замкнутых струн, имеют неограниченное разрешение на перемещение в полном многомерном пространстве-времени. Гравитационное взаимодействие, которое, как мы знаем, передается частицей замкнутой струны, в очередной раз оказывается выделенным по сравнению с другими взаимодействиями. В противоположность калибровочным бозонам или фермионам, гравитон должен распространяться в полном многомерном пространстве-времени. Не существует способа связать гравитацию в пространстве с меньшим числом измерений. В следующих главах мы увидим, что, как это ни поразительно, гравитация может быть локализована вблизи браны. Но связать гравитацию на бране не под силу никому.
Это означает, что хотя миры на бранах могут захватывать большинство частиц и взаимодействий, они никогда не смогут захватить гравитацию. Это очень хорошее свойство. Оно говорит нам, что миры на бранах будут всегда включать многомерную физику, даже если вся Стандартная модель будет привязана к четырехмерной бране. Если существует мир на бране, все на нем будет продолжать взаимодействовать с гравитацией, а гравитация будет проявляться везде в полном многомерном пространстве. Вскоре мы увидим, как это важное различие между гравитацией и другими взаимодействиями помогает объяснить, почему гравитация настолько слабее других известных взаимодействий.
Модельные миры на бранах
Очень скоро после того, как физики заметили важность бран для теории струн, браны стали объектом интенсивных исследований. В частности, физикам очень хотелось понять возможное значение бран для физики частиц и нашей концепции вселенной. На сегодняшний день теория струн не говорит нам, существуют ли браны во вселенной и если существуют, то в каком количестве. Мы знаем только, что браны являются важным теоретическим разделом теории струн, без которого эта теория неполна. Но если мы знаем, что браны есть часть теории струн, сразу же возникает вопрос, могут ли они существовать в реальном мире. И если они существуют, то каковы следствия?
Возможность существования бран открывает много новых вариантов состава вселенной, причем некоторые из них могут иметь отношение к физическим свойствам наблюдаемой нами материи. Теоретик-струнник Аманда Пит, услышав слова Рут Грегори о «полностью заправленных» бранах, заметила, что браны «расчистили поле для построения основанных на струнах моделей». После 1995 года браны стали новым инструментом построения моделей.
К концу 1990-х годов многие физики, в том числе и я, расширили область своих исследований, включив возможность существования бран. Мы спрашивали себя: «Что, если существует вселенная с дополнительными измерениями, в которой известные нам частицы и силы не перемещаются во всех измерениях, а ограничены меньшим числом измерений, захвачены на брану с меньшим числом измерений?»
Сценарии с участием бран предлагали много новых возможностей для глобальной структуры пространства-времени. Если частицы Стандартной модели захвачены на брану, это же касается и нас самих, так как мы и окружающий нас космос состоим из этих частиц. Кроме того, не все частицы должны находиться на одной и той же бране. Поэтому должны существовать совершенно новые и незнакомые частицы, подверженные влиянию отличных от известных нам взаимодействий. Наблюдаемые нами частицы и взаимодействия могут быть лишь малой частью значительно большей вселенной. Два физика из Корнеллского университета, Генри Тай и Зураб Какушадзе, предложили для таких сценариев термин «миры на бранах». Генри говорил мне, что он использовал этот термин для того, чтобы одним махом описать все многочисленные способы, которыми вселенная могла включать браны, не отдавая предпочтения никакой конкретной возможности.
Хотя быстрое размножение числа возможных миров на бранах может разочаровать теоретиков-струнников, пытающихся построить одну единственную теорию мира, оно очень захватывает. Мы имеем много реальных возможностей для мира, в котором живем, и одна из них может действительно описывать этот мир. Так как во вселенной с дополнительными измерениями законы физики частиц будут немного отличаться от тех, которые предполагали физики-частичники, дополнительные измерения открывают новые способы для исследования загадочных свойств Стандартной модели. Хотя эти идеи во многом спекулятивны, миры на бранах, исследующие проблемы физики частиц, скоро можно будет проверить в экспериментах на коллайдерах. Это означает, что опыт, а не наши предубеждения, может окончательно решить, применимы ли эти идеи к нашему миру.
Мы собираемся исследовать некоторые из этих новых миров на бранах. Мы зададимся вопросом, на что они похожи и к каким следствиям это приводит. Мы не будем ограничиваться мирами на бранах, явно выведенными из теории струн, а рассмотрим модельные миры на бранах, которые уже принесли новые идеи в физику частиц. Физики настолько далеки от понимания приложений теории струн, что было бы преждевременным исключать модели только потому, что никто еще не нашел примера теории струн с конкретным набором частиц или взаимодействий, или конкретным распределением энергии. Такие миры на бранах следует рассматривать как мишени для исследования теории струн. На самом деле модель закрученной иерархии, о которой я говорю в гл. 20, была выведена из теории струн только после того, как Раман Сундрум и я предложили ее как возможный мир на бране.
