Стивен Габсер - Маленькая книга о большой теории струн

Дополнительные геометрии возникают в теории струн в некоторых случаях, связанных с бранами, о которых пойдёт речь в следующей главе.

В 1989 году я учился в старших классах и отправился в физический лагерь, где нам в числе прочего читали лекции по теории струн. Примерно в середине курса один из моих товарищей задал лектору довольно острый вопрос. Он спросил: «А почему мы ограничиваемся струнами? Почему не рассматриваем листы, или мембраны, или какие-нибудь трёхмерные квантовые штуки?». Ответ лектора сводился к тому, что струны уже и так достаточно сложны, функциональны и перспективны и что они, как представляется, лучше подходят для наших задач, чем мембраны и трёхмерные тела.

Всего через шесть лет, в 1995 году, все струнно-теоретическое сообщество было уже буквально наэлектризовано идеями D-бран. D-браны — это именно то, о чём спрашивал проницательный старшеклассник в 1989 году. Это особые объекты теории струн, которые могут иметь любую размерность. Данная глава посвящена в основном D-бранам и некоторым из их удивительных свойств. Я начну с небольшого экскурса в историю второй суперструнной революции, прокатившейся в середине 1990-х годов гигантской волной по физическому миру и обогатившей его массой новых интересных идей. Затем мы поговорим о том, что такое D-браны, и немного порассуждаем о концепции симметрии и о её отношении к D-бранам. После этого остановимся на связи D-бран с чёрными дырами и закончим рассказом об M-теории, оперирующей 11-мерным пространством. M-теория является более общей теорией, чем теория струн, а различные варианты теории струн являются предельными случаями M-теории.

Всё, что я до сих пор рассказывал вам о теории струн, примерно соответствует тому, как представляли её себе учёные в 1989 году. Они понимали опасность тахионов, радовались чудесным свойствам суперструн и связи между струнами и пространством-временем. Была одна вещь, которую более-менее понимали теоретики и о которой я вскользь упомянул в предыдущей главе, а именно — компактификация , — процесс свёртывания шести пространственных измерений, приводящий к тому, что на финальной стадии остаются лишь три пространственных и одно временно́е измерение. Выглядело всё весьма обнадёживающе, потому что у нас в руках были все основные ингредиенты фундаментальной физики. У нас была гравитация, у нас были фотоны, у нас были электроны и прочие частицы. Взаимодействия между струнами приводили именно к тому, что требовалось. Разумная компактификация, казалось, даёт правильный список элементарных частиц, причём гораздо более обширный, чем я только что привёл. Но теоретикам никак не удавалось найти такую компактификацию, которая позволила бы «закрыть сделку» и привела к абсолютно точному описанию реального мира.

Оглядываясь на то время, можно заметить ещё одну проблему. Как хороши, как свежи были струны... Голова шла кругом от успехов с мировыми листами, и это головокружение мешало физикам увидеть новые горизонты, открываемые второй суперструнной революцией. Мне трудно проследить историю этого периода, поскольку я пришёл в науку уже после начала второй суперструнной революции, но очевидно, что революционная ситуация начала складываться, когда пришло понимание, что одними струнами история не ограничится. Прежде чем перейти к серьёзному разговору о бранах, наверное, имеет смысл кратко рассказать о предпосылках второй суперструнной революции и о том, что, собственно, она собой представляла.

Первая предпосылка состояла в том, что взаимодействия между струнами становились всё менее и менее контролируемыми по мере того, как увеличивалось количество событий слияния и расщепления струн; и тогда было выдвинуто предположение о существовании неких новых объектов, добавление которых в теорию должно было помочь теории струн справиться с ситуацией, когда взаимодействие струн при их разделении и слиянии становится сильным. Вторая предпосылка выросла из теории супергравитации. Супергравитация — это предельный низкоэнергетический случай теории суперструн. Под предельным низкоэнергетическим случаем я понимаю приближение, при котором мы пренебрегаем всеми колебательными модами суперструны, кроме самых нижних. В этом пределе из всего набора частиц остаётся гравитон и ещё несколько частиц, взаимодействия между которыми очень слабы. В теории супергравитации были обнаружены некоторые замечательные симметрии, не проявляющиеся в формализме мировых листов. Это вроде бы указывало на то, что теория струн на мировом листе неполна. И наконец, самая главная предпосылка — это идея бран. Брана — это по сути та же струна, только, в отличие от струны, брана может иметь любую размерность. Струна — это одномерная брана, или 1-брана. Точечная частица — нуль-мерная брана — 0-брана. Мембрана, представляющая собой двумерную поверхность, является двумерной браной, или 2-браной. Существуют также 3-браны, 4-браны, два вида 5-бран, 6-браны, 7-браны, 8-браны и 9-браны. Такое разнообразие бран наводило на мысль, что теория не может быть сформулирована в терминах одних только струн. Окончательную революционную ситуацию сформировала одиннадцатимерная супергравитация — теория, построенная на основе всего лишь двух идей: суперсимметрии и общей теории относительности. Существует определённая связь между супергравитацией и теорией струн, и эта связь была очевидна задолго до второй суперструнной революции. Оставалась не вполне понятной связь супергравитации с теорией струн на мировом листе, а хуже всего было то, что она не включала в себя квантовую механику, что вызывало изрядный скепсис у теоретиков, привыкших к тому, что гравитация и квантовая механика должны быть тесно переплетены. Короче, одиннадцатимерная супергравитация была загадкой для струнных теоретиков: она была близка к решению их задач, но, с их точки зрения, не имела смысла.

0-брана, струна, 2-брана и 3-брана. Струна может замкнуться, образовав кольцо. 2-брана, замыкаясь, образует поверхность, не имеющую края. 3-брана тоже может замкнуться сама на себя, но это очень трудно изобразить

В течение следующих пяти лет, к середине 1990-х, когда все описанные предпосылки сложились в одну мозаику, ситуация стала просто драматической. Струны по-прежнему занимали главенствующее положение, но выяснилось, что браны различных размерностей не менее важны. По крайней мере, в отдельных случаях браны играли столь же важную роль, что и струны. А в других случаях браны могли быть описаны как чёрные дыры с нулевой температурой. Одиннадцатимерная супергравитация органично вписалась в круг новых идей и заняла в нём центральное положение, получив новое имя: M-теория . Точнее, одиннадцатимерная супергравитация является частным случаем — низкоэнергетическим пределом — более общей M-теории. К сожалению, вторая суперструнная революция не дала исчерпывающего описания M-теории. Ясно только одно: мы получили новый инструментарий, позволяющий по-новому работать со струнами. Отдельным сюрпризом оказалось то, что привлечение бран существенно упрощает описание сильного взаимодействия струн.