Цепкие браны и гравитационные щупальца

Струны бывают двух видов: в виде петель и отрезков нитей. До сих пор мы не делали различий, потому что это несущественно для понимания большинства общих свойств теории. Но для миров на бране это различие между петлями и отрезками нитей становится решающим, и следующий простой вопрос объясняет, почему. Могут ли струны улететь с браны? Ответ: петли могут, отрезки нитей нет.

Знаменитый струнный теоретик Джо Польчински впервые осознал, что всё определяется поведением концов струнной нити. Уравнения, убедившие физиков, что браны являются частью струнной теории, также показали, что между струнами и бранами есть особенно тесная связь. Брана — это единственное место для концов струнных отрезков (рис. 5.4). Математические выкладки показывают, что открепить концы струнных отрезков от поверхности браны попросту невозможно, это всё равно, что пытаться уменьшить число π или увеличить квадратный корень из 2. С физической точки зрения такая ситуация сродни попытке удалить северный или южный полюс магнита. Сделать такое просто невозможно. Струнные нити могут свободно двигаться внутри и сквозь брану, играючи скользя туда и сюда, но покинуть её они не могут.

Рис. 5.4. Браны — это единственное место, где могут быть расположены концы отрезков струнных нитей

Если это не просто интересная математика, и мы действительно живём на бране, то прямо сейчас вы ощущаете, как наша брана мёртвой хваткой держит концы струнных отрезков. Попробуйте спрыгнуть с нашей три-браны. Попытайтесь ещё, сильнее. Подозреваю, что вы никуда не исчезли. Струны в бранном мире, из которых состоите вы и вся остальная привычная материя, — это отрезки нитей. Покинуть брану нельзя , хотя можно прыгать вверх и вниз, кидать бейсбольный мяч и посылать звуковые волны, совершенно беспрепятственно со стороны браны. Если вы попробуете спрыгнуть, то концы ваших струнных отрезков наглухо притянут вас к бране. Наш мир — это такой дрейфующий плот в многомерном океане, но мы не можем его покинуть, не можем вырваться и исследовать космос за его пределами.

То же самое происходит с частицами-переносчиками трёх негравитационных взаимодействий. Можно показать, что они тоже составлены из струнных отрезков. Самые важные среди них фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Таким образом, видимый свет потоком фотонов может свободно распространяться внутри нашей браны от этого текста до ваших глаз или от галактики Андромеды до Вильсоновской обсерватории, но всё равно не сможет вырваться за её пределы. Вполне возможно, что другой мир на бране находится в нескольких миллиметрах от нас, но свет не может преодолеть этот промежуток, и поэтому мы никогда не получим ни малейшего намёка на его существование.

Единственное взаимодействие, которое отличается в этом отношении — это гравитация. В главе 4 мы отметили особое свойство гравитона — спин-2, превышающий в два раза спин частиц, составленных из струнных отрезков (как фотоны), являющихся переносчиками негравитационных взаимодействий. Тот факт, что спин гравитона в два раза превышает спин отдельного струнного отрезка, означает, что гравитон можно представить в виде двух таких отрезков, причём концы одного слипаются с концами другого и возникает петля. Поскольку у петель нет концов, они не могут быть захвачены бранами. Поэтому гравитоны могут покинуть одну брану и попасть на другую. Тогда в сценарии мира на бране только с помощью гравитации можно прощупать то, что находится за пределами нашего трёхмерного пространства.

Такая идея играет ключевую роль для некоторых возможных тестов теории струн (глава 4, табл. 4.1). В 1980–1990-х годах, до появления концепции бран, физики полагали, что дополнительные измерения в теории струн имеют приблизительно планковский размер (примерно 10−33 сантиметра), естественный масштаб для теории, описывающей гравитацию и квантовую механику. Но сценарий мира на бране заставляет нас думать шире. Поскольку лишь гравитация, слабейшее из всех взаимодействий, может вырваться за пределы привычного трёхмерного пространства, дополнительные измерения вполне могут иметь достаточно большой размер и всё равно оставаться невидимыми. По крайней мере пока.

Если дополнительные измерения существуют и их размер значительно больше, чем считалось прежде — возможно в миллиард миллиардов миллиардов раз больше (примерно 10−4 сантиметра), — есть шанс их обнаружить в экспериментах по измерению силы гравитации (табл. 4.1, вторая строка). Когда объекты испытывают взаимное гравитационное притяжение, они обмениваются потоками гравитонов; гравитоны — это невидимые переносчики гравитации. Чем больше гравитонов летает между объектами, тем сильнее взаимное гравитационное притяжение. Когда часть гравитонов утекает с поверхности нашей браны и попадает в дополнительные измерения, гравитационное притяжение между объектами ослабевает, оно оказывается разбавленным. Чем больше дополнительные измерения, тем сильнее разбавление, тем слабее притяжение. Экспериментаторы считают, что путём точного измерения гравитационного притяжения между двумя объектами, сближенными на расстояние меньшее чем размер дополнительных измерений, можно перехватить гравитоны прежде, чем они утекут с нашей браны; если это так, то экспериментально измеренная сила гравитации должна пропорционально возрастать. Таким образом, хотя эти рассуждения и не упоминались в главе 4, данный способ открытия дополнительных измерений основан на сценарии мира на бране.

Более скромное увеличение размера дополнительных измерений, примерно до 10−8 сантиметра, может потенциально привести к их обнаружению на Большом адронном коллайдере. Осколки столкновений протонов на высоких энергиях могут быть выброшены в дополнительные измерения, что приведёт к очевидной утечке энергии в нашем пространстве, которую можно обнаружить (табл. 4.1, третья строка). Такой эксперимент тоже основывается на сценарии мира на бране. Данные, свидетельствующие об утечке энергии, можно объяснить, если постулировать существование нашей Вселенной на бране и опираться на то, что осколки, способные вырваться с нашей браны — гравитоны, — уносят энергию с собой.

Образование чёрных мини-дыр — это ещё один побочный продукт сценария мира на бране (табл. 4.1, четвёртая строка). Вероятность возникновения чёрных мини-дыр в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере существует только в случае, когда сила гравитационного притяжения растёт при уменьшении расстояний. Как и ранее, именно сценарий мира на бране делает это возможным.

Озвученные выше подробности проливают новый свет на эти три эксперимента. Их целью является не только поиск таких экзотических структур как дополнительные измерения пространства и крошечные чёрные дыры, они также пытаются выяснить, живём мы на бране или нет. В свою очередь, помимо подтверждения сценария мира на бране в теории струн, положительный итог экспериментов станет косвенным свидетельством существования других вселенных за пределами нашей. Если удастся установить, что мы живём на бране, не останется никаких математических оснований считать, что наша Вселенная единственна.