<<
>>

Закрученная геометрияи ее удивительные приложения

Геометрия, которую мы рассматриваем в этой главе, содержит две браны, ограничивающие пятое измерение пространства, как показано на рис.

78. Эта система похожа на рассмотренную в гл. 17 тем, что имеются две браны и пятое измерение, простирающееся между ними. Однако на самом деле это совершенно другая теория. Частицы и распределение энергии различны, и теория не суперсимметрична. Тем не менее, как и в том случае, мы предполагаем, что все частицы Стандартной модели вместе с хиггсов- ской частицей, ответственной за нарушение электрослабой симметрии, закреплены на одной из бран.

Как и ранее, в этой схеме мы предполагаем, что гравитация — единственное взаимодействие, существующее внутри пятого измерения. Это означает, что, если не считать гравитацию, то каждая из бран выглядела бы как общепринятая четырехмерная вселенная. Калибровочные бозоны и частицы, расположенные на бранах, будут передавать взаимодействия и взаимодействовать друг с другом так, как будто не существует никакого пятого измерения. Частицы Стандартной модели будут перемещаться только по трем плоским пространственным измерениям на бранах, а взаимодействия будут распространяться только вдоль плоской трехмерной поверхности браны ^331.

Однако гравитация отличается от других взаимодействий, так как она не прикреплена к бране, а напротив, существует в полном пятимерном балке. Гравитационное взаимодействие будет ощущаться везде в пятом измерении. Но это не означает, что оно ощущается везде одинаково. Энергия на бранах и в пятимерном балке

искривляет пространство-время, что приводит к колоссальной разнице в значении гравитационного поля.

Теории с большими дополнительными измерениями из предыдущей главы использовали тот факт, что браны могут удерживать частицы и взаимодействия, но пренебрегали энергией, которую могут нести сами браны.

Мы с Раманом не были уверены, что это предположение всегда хорошее, так как главной составной частью общей теории относительности Эйнштейна является то, что энергия индуцирует гравитационное поле, и это означает, что когда браны переносят энергию, они должны искривлять пространство и время. Во вселенной с единственным дополнительным измерением, которую мы собирались изучать, было совершенно не ясно, можно ли пренебречь энергией браны и балка: гравитационные эффекты браны не рассеиваются очень быстро, так что даже очень далеко от бран можно ожидать искажений пространства-времени.

Мы хотели узнать, каким образом пространство-время будет искривляться при наличии двух несущих энергию бран, которые ограничивают дополнительное измерение пространства. Раман и я решили эйнштейновские уравнения гравитации для такой схемы с двумя бранами, предполагая, что в балке и на бранах содержалась энергия. Мы обнаружили, что такая энергия была действительно очень важной — результирующее пространство-время было резко искривлено.

В ряде случаев искривленные пространства легко изобразить на картинке. Например, поверхность сферы двумерна — для того чтобы знать свое положение, вам требуются только широта и долгота, — но тем не менее она явно искривлена. Однако многие искривленные пространства труднее нарисовать, так как они не могут быть легко представлены в трехмерном пространстве. Конкретное закрученное пространство-время, которое мы сейчас будем рассматривать, является примером такого пространства. Это часть пространства-времени, известная как пространство анти-де Ситтера. Кривизна этого пространства отрицательна, так что оно напоминает скорее не сферу, а чипсы «Прингле». Это пространство получило свое название по имени датского математика и космолога Виллема де Ситтера, изучавшего пространство с положительной кривизной, которое сейчас называется пространством де Ситтера. Хотя нам эти названия здесь не понадобятся, мы сошлемся на них позднее, когда свяжем эту теорию с теорией пространства анти-де Ситтера, которое изучают теоретики-струнники.

Ниже мы рассмотрим интересный подход, в котором пятимерное пространство-время искривлено. Но для начала сосредоточимся на двух бранах на краях пятого измерения. Эти две граничные браны совершенно плоские. Находясь на бране на любой из границ, вы будете прикреплены к (три + один)-мерному миру (три пространственных измерения и одно временное)[157], который будет простираться бесконечно далеко по трем пространственным измерениям и выглядеть как плоское пространство-время, без особых гравитационных эффектов.

Кроме того, искривленное пространство-время обладает тем специальным свойством, что если вы ограничитесь любым отдельным срезом вдоль пятого измерения, но не самими бранами на краях, вы обнаружите, что этот срез совершенно плоский. То есть, хотя нигде в пятом измерении за исключением концов нет бран, геометрия (три + один)-мерных поверхностей, которые вы получаете, находясь в какой-либо пятимерной точке, выглядит плоской, т. е. имеет ту же форму, что и большие плоские браны на границах. Если вы рассматриваете граничные браны как горбушки у буханки хлеба, то плоские параллельные четырехмерные области в любой точке вдоль пятого измерения пространства-времени похожи на плоские, нарезанные куски хлеба из внутренней части буханки.

Но тем не менее рассматриваемое нами пятимерное пространство искривлено. Это отражается в том способе, которым четырехмерные плоские срезы пространства-времени склеены вместе вдоль пятого измерения. Впервые я говорила об этой геометрии в институте теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре, где теоретик-струнник Том Бэнкс объяснил мне, что с технической точки зрения пятимерная геометрия, которую нашли Раман и я, называется закрученной. Хотя многие искривленные геометрии пространства-времени в разговорной речи называются закрученными, технический термин относится к геометриям, в которых каждый срез плоский1, но они собираются вместе с учетом общего закручивающего конформного фактора. Этот фактор есть функция, меняющая общий масштаб для положения, времени, массы и энергии в каждой точке в пятом измерении. Такое замечательное свойство закрученной геометрии достаточно тонкое, и я объясню его позднее в следующем разделе. Конформный фактор сказывается также на функции вероятности гравитона и взаимодействиях, которые мы вскоре изучим.

Искривленное пространство с плоскими слоями изображено на рис. 79. Это заполненная воронка. Мы могли бы с помощью большого ножа нарезать воронку на плоские листки, но поверхность воронки явно искривлена. В некоторых отношениях это похоже на искривленное пространство-время, которое мы рассматриваем. Но аналогия не идеальна, так как граница воронки, ее поверхность есть единственное место, где она искривлена, в то время как в закрученном пространстве-времени кривизна есть везде. Эта кривизна отражалась бы в общем изменении масштаба измерительной линейки в пространстве и скорости хода часов для времени, которые будут разными в каждой точке пятого измерения 1361.

Более простой способ проиллюстрировать кривизну закрученного пространства-времени — обратиться к форме функции вероятности гравитона. Гравитон — это частица, переносящая гравитационное взаимодействие, и его функция вероятности говорит нам о вероятности обнаружения гравитона в любой фиксированной точке пространства. Интенсивность гравитации отражается в этой

1 На самом деле все срезы обладают одной геометрией; в данном случае срезы плоские.

функции: чем больше ее значение, тем сильнее взаимодействия гравитона в этой конкретной точке и тем сильнее сила тяготения.

Для плоского пространства-времени гравитон будет с равной вероятностью обнаруживаться везде. Функция вероятности для гравитона в плоском пространстве-времени была бы поэтому постоянной. Но для искривленного пространства- времени, как и для закрученной геометрии, которую мы рассматриваем, это уже будет не так. Кривизна говорит нам о форме гравитации. Когда пространствовремя искривлено, значение функции вероятности гравитона различно в разных местах пространства-времени.

Так как каждый срез пространства-времени в нашей закрученной геометрии совершенно плоский, функция вероятности гравитона не изменяется вдоль трех стандартных пространственных измерений, а меняется только вдоль пятого измерения[158]. Иными словами, даже несмотря на то, что функция вероятности гравитона имеет разные значения в разных местах вдоль пятого измерения, до тех пор пока две точки равноудалены вдоль пятого измерения, значение этой функции будет одним и тем же. Это говорит нам, что функция вероятности гравитона зависит только от положения в пятом измерении. Тем не менее она полностью характеризует кривизну закрученного пространства-времени. И так как эта функция изменяется только вдоль одной координаты, т. е. вдоль пятого измерения, ее просто изобразить на рисунке.

Функция вероятности гравитона вдоль пятого измерения изображена на рис. 80. Она экспоненциально быстро (т. е. необычайно быстро) убывает, как только мы покидаем первую брану, которую мы назовем Гравитационной браной, и направляется в сторону второй браны, которую мы назовем Слабой браной. Гравитационная брана и Слабая брана различны, так как первая несет положительную энергию, а вторая несет отрицательную энергию. Такое распределение энергии приводит к тому, что функция распределения гравитона намного больше в окрестности Гравитационной браны.

Эффект падения функции вероятности состоит в том, что гравитон, физическая частица, обмен которой генерирует гравитационное притяжение, имеет очень мало шансов быть найденным вблизи Слабой браны. Поэтому взаимодействия гравитона на Слабой бране сильно подавлены.

Интенсивность гравитации так сильно зависит от положения в пятом измерении, что интенсивности гравитационного взаимодействия на двух бранах,

ограничивающих противоположные концы такого закрученного пятимерного мира, очень сильно различаются. Гравитация сильна на первой бране, где гравитация локализована, но очень слаба на второй бране, где находится Стандартная модель. Так как функция вероятности гравитона пренебрежимо мала на второй бране, взаимодействия гравитона с захваченными здесь частицами Стандартной модели оказываются чрезвычайно слабыми.

Отсюда следует, что в таком закрученном пространстве-времени мы действительно можем ожидать иерархии между наблюдаемым массами и планковским масштабом масс. Хотя гравитон есть везде, интенсивность его взаимодействия с частицами на Гравитационной бране много больше, чем с частицами на Слабой бране. Функция вероятности гравитона на Слабой бране необычайно мала, и если этот сценарий есть правильное описание мира, такая малость ответственна за слабость гравитации в нашем мире.

В этой модели ничтожная гравитация на Слабой бране не требует большого расстояния между двумя бранами. Как только вы покидаете Гравитационную брану, где сильно сконцентрирована функция вероятности гравитона, гравитация становится экспоненциально малой, что приводит к необычайной малости гравитации на Слабой бране. Так как функция вероятности гравитона стремительно уменьшается, гравитация на Слабой бране (где мы живем) резко уменьшается. Она может быть в 1015 раз слабее, чем можно ожидать без учета закручивания, даже если две браны расположены довольно близко. Этот аспект теории, тот факт, что бранам не нужно быть разделенными слишком сильно, делает эту модель намного более реалистичной возможностью, чем модель больших дополнительных измерений. Хотя большие дополнительные измерения были привлекательной переформулировкой проблемы иерархии, в конце концов в них все еще присутствует необъясненное большое число — размер дополнительного измерения. В теории, которую мы сейчас рассматриваем, гравитационное взаимодействие на Слабой бране на много порядков величины слабее всех других взаимодействий, даже когда Слабая брана удалена от первой браны (Гравитационной браны) на очень скромное расстояние.

Расстояние между бранами в такой закрученной геометрии должно быть лишь чуть-чуть больше планковского масштаба длины. В то время как сценарий больших измерений требует введения очень большого числа, а именно размера измерений, в модели с закрученной геометрией для объяснения иерархии никакого неестественно большого числа не требуется. Это происходит потому, что экспонента автоматически превращает скромное число в очень большое число (экспоненту), или в очень малое число (обратное большой экспоненте). На Слабой бране интенсивность гравитации меньше; она уменьшается на фактор, являющийся экспонентой от расстояния между двумя бранами[159]. Если Слабая брана находится на расстоянии в 16 единиц от другой[160], ожидается огромное отношение между планковским масштабом масс — большой массой, говорящей нам, что гравитация слаба, — и массой хиггсовской частицы, а следовательно, массами слабых калибровочных бозонов. Это означает, что для того, чтобы объяснить иерархию, достаточно расстояния между бранами, которое всего в шестнадцать раз больше ваших самых наивных оценок. Множитель 16 может показаться большим, но он все же значительно меньше числа 1016, которое мы пытаемся объяснить.

В течение многих лет физики-частичники надеялись найти экспоненциальное объяснение иерархии. Иначе говоря, мы надеялись обнаружить, что это необъяснимо большое число является следствием некоторой естественно возникающей экспоненциальной функции. Теперь Раман и я с помощью дополнительных измерений нашли способ, которым физика частиц автоматически включила экспоненциальную иерархию масс. В том месте, где находится наша брана (Слабая брана), гравитационное взаимодействие может быть много меньше, чем оно было бы там, где функция вероятности гравитона достигает максимума. Так как гравитация на нашей бране должна быть ослаблена закрученной геометрией, если Стандартная модель квартирует на Слабой бране, то проблема иерархии будет решена. Это было решение проблемы иерархии, и оно падало прямо нам в руки.

Другой способ понять это примечательное новое свойство закрученной геометрии — рассмотреть, как ослабляется гравитация. В гл. 19 мы объяснили слабость гравитации в сценарии АДД с помощью идущих от массивного тела гравитационных силовых линий, которые разбавляются, распространяясь по большим измерениям. Если мы выбираем этот путь, мы должны описать такое разбавление как следствие функции вероятности гравитона. Напомним, что функция вероятности гравитона показывает, как гравитация распространяется по пространству. Так как гравитация в сценарии больших дополнительных измерений в равной степени сильна везде в дополнительных измерениях, в этом случае функция вероятности гравитона плоская. Такая плоская функция вероятности гравитона показывает, что гравитон, частица, переносящая гравитацию, размазана по большому пространству, окруженному дополнительными измерениями. Такая плоская функция вероятности, равномерно распределенная по всему пространству дополнительных измерений, говорит, что влияние гравитации в четырех измерениях сильно ослабилось.

У закрученного пятимерного пространства-времени, которое мы сейчас рассматриваем, имеется интересная особенность. Гравитон уже больше не с равной вероятностью находится во всех местах пятимерного пространства, лежащих между двумя границами, Гравитационной браной и Слабой браной. Распределение гравитона на самом деле далеко не демократично, что является автоматическим следствием определенного распределения энергии на бранах и в балке. Функция вероятности гравитона изменяется: она велика в одной области и мала во всех остальных, и именно это изменение обеспечивает фактор ослабления, ответственный за то, что гравитация столь слаба в нашем мире. Гравитация ничтожна на Слабой бране, так как функция вероятности гравитона на ней ничтожна.

Вернемся ненадолго к аналогии с разбрызгивателем, которую мы использовали ранее для объяснения того, каким образом интенсивность гравитации уменьшается с расстоянием. Чем больше область, над которой разбрызгиватель распределяет воду (показано на верхней части рис. 81), тем более разжижена струя воды. Если существуют большие дополнительные измерения, гравитация

Три разных разбрызгивателя. Сравнивая первый и второй разбрызгиватели, мы видим, что более блинный разбрызгиватель подает меньше воды на любую конкретную область, чем более короткий, на примере третьего разбрызгивателя видно, что воду можно распределять неравномерно, так что первый газон всегда будет получать половину всей воды, второй газон — одну четверть, и т. д. В этом случае количество воды, доставленной на первый газон, не зависит от длины разбрызгивателя; этот газон всегда получает половину воды

распределяется по очень большой области и тоже ослабляется. Поэтому в низкоэнергетической эффективной четырехмерной теории гравитация кажется слабой.

Закрученная геометрия, в свою очередь, напоминает разбрызгиватель, который не распределяет воду равномерно по всем направлениям, а вместо этого подает ее выборочно в одну конкретную область вокруг Гравитационной браны (см. нижнюю часть рис. 81). При таком недемократичном разбрызгивателе очевидно, что во все области, кроме любимой, будет доставляться меньше воды. И если количество воды, подающееся в другие области, падает экспоненциально от любимого места, доля воды, доставленная к другим областям, будет действительно очень малой, даже если все они будут на небольшом расстоянии друг от друга. Ясно, что вода, доставленная «закрученным» разбрызгивателем, «разбавляется» намного больше, чем вода, равномерно распределенная по всем областям.

Итог состоит в том, что если все частицы Стандартной модели размещены на Слабой бране, то гравитация так слаба по сравнению с другими тремя взаимодействиями, что проблема иерархии в физике частиц — вопрос о том, почему гравитация так слаба по сравнению с другими взаимодействиями — решен. Слабая гравитация есть естественное следствие малой амплитуды функции вероятности гравитона на Слабой бране, даже если она находится на сравнительно небольшом расстоянии (примерно в десять раз больше, чем любимый теорией струн планковский масштаб длины) от Гравитационной браны.

<< | >>
Источник: Рэндалл Лиза. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.. 2011

Еще по теме Закрученная геометрияи ее удивительные приложения:

  1. Рэндалл Лиза. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства., 2011
  2. УДИВИТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СПОСОБНОСТИ ПЛОДА
  3. Модуль 11.3. УДИВИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ: СМИ В АФРИКЕ
  4. ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ДАННЫЕ О ВВОДЕ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ РОССИИ И СССР В 1917—1945 гг.1
  5. 7. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Типовая модель устойчивого роста компании
  6. Приложения Приложение 1. Зарубежные отзывы об индустриализации и первой пятилетке
  7. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Карта российско-казахстанского пограничья 3
  8. ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРАВА ЧЕЛОВЕКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
  9. ПРИЛОЖЕНИЯ
  10. ПРИЛОЖЕНИЕ 1
  11. ПРИЛОЖЕНИЕ 2
  12. ПРИЛОЖЕНИЯ
  13. ПРИЛОЖЕНИЯ
  14. ПРИЛОЖЕНИЕ