Брайан Грин - Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)
88
Интервью с Шелдоном Глэшоу, 28 декабря 1997 г.
89
Интервью с Говардом Джорджи, 28 декабря 1997 г. Во время интервью Джорджи также отметил, что экспериментальное опровержение предсказанного распада протонов, которое следовало из предложенной им и Глэшоу первой теории великого объединения (см. главу 7), сыграло существенную роль в его нежелании принять теорию суперструн. Он горько заметил, что его теория великого объединения требует намного больших энергий, чем любая другая теория, когда-либо выносившаяся на суд, и когда его предсказание оказалось неверным, когда «он был нокаутирован природой», его отношение к изучению физики чрезвычайно высоких энергий резко изменилось. Когда я спросил его, не будет ли для него экспериментальное подтверждение теории великого объединения стимулом включиться в наступление на область планковских масштабов, он ответил: «Да, очень может быть».
90
David Gross, Superstrings and Unification. Опубликовано в Proceedings of the XXIV International Conference on High Energy Physics, ed. R. Kotthaus and J. Kuhn. Berlin: Springer-Verlag, 1988, p. 329.
91
Сказав это, следует помнить о возможности, указанной в примечании [52] к главе 6, что струны могут иметь значительно больший размер, чем считалось первоначально, и, следовательно, могут стать объектом прямого экспериментального изучения на ускорителях в течение ближайших десятилетий.
92
Для читателя, имеющего математическую подготовку, заметим, что согласно более точной математической формулировке число семейств равно половине абсолютного значения числа Эйлера для пространства Калаби-Яу. Число Эйлера представляет собой сумму размерностей групп гомологий многообразия, где группы гомологии это то, что мы на нашем нестрогом языке назвали многомерными отверстиями. Таким образом, количество семейств, равное трем, следует из того, что число Эйлера для этих пространств Калаби-Яу равно ±6.
93
В оригинале Large Hadron Collider. Коллайдер — ускоритель на встречных пучках, а адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. — Прим. перев.
94
Интервью с Джоном Шварцем, 23 декабря 1997 г.
95
Для читателя, имеющего математическую подготовку, заметим, что мы ставим в соответствие многообразию Калаби-Яу конечную нетривиальную фундаментальную группу, порядок которой в некоторых случаях определяет знаменатель дробного заряда.
96
Интервью с Эдвардом Виттеном, 4 марта 1998 г.
97
В 2002 г. экспериментально установлено, что нейтрино обладают (очень малой) массой. — Прим. ред.
98
Для читателей, хорошо знакомых с рассматриваемыми вопросами, заметим, что некоторые из этих процессов нарушают закон сохранения лептонного числа, а также CPT-симметрию (инвариантность относительно изменения знака заряда, четности и направления времени).
99
Отметим для полноты, что хотя большая часть приведенных выше аргументов в равной степени справедлива как для открытых струн (струн со свободными концами), так и для замкнутых струн (которым мы уделяли основное внимание), в рассматриваемом вопросе два типа струн могут, кажется, проявлять различные свойства. Действительно, открытая струна не может быть «насажена» на циклическое измерение. Тем не менее, в результате исследований, сыгравших в конце концов ключевую роль во второй революции суперструн, Джо Польчински из Калифорнийского университета в городе Санта-Барбара и двое его студентов, Джиан-Хюи Дай и Роберт Лей, в 1989 г. продемонстрировали, что открытые струны прекрасно вписываются в схему, которая будет описана в данной главе.
100
Некоторые идеи этого и нескольких следующих разделов довольно нетривиальны, так что читателя не должно смущать то, что какие-то логические звенья в цепочке объяснений могут оказаться непонятными (особенно при первом чтении).
101
Английский термин winding number переводят по-разному: «число намоток», «индекс намотки», «топологический индекс», «топологическое число» и т.д. Мы будем переводить его как «топологическое число», подчеркивая связь с различными конфигурациями струны, которые нельзя получить одну из другой путем непрерывной деформации. — Прим. перев.
102
Чтобы ответить на вопрос о том, почему возможные энергии однородных колебаний равны целым кратным 1/R, достаточно лишь вспомнить обсуждение квантовой механики (в частности, примера с ангаром) в главе 4. Там мы узнали о том, что согласно квантовой механике энергия, как и деньги, существуют в виде дискретных порций, т.е. в виде целых кратных различных энергетических единиц. В случае однородного колебательного движения струны во вселенной Садового шланга эта энергетическая единица в точности равна 1/R, как объясняется в основном тексте на основе соотношения неопределенностей. Таким образом, энергия однородных колебаний равна произведению целых чисел на 1/R.
103
Математически равенство энергий струн во вселенной с радиусом циклического измерения R или 1/R есть следствие формулы для энергии v/R + wR, где v — колебательное число, а w — топологическое число. Данное уравнение инвариантно относительно одновременных взаимных замен v на w и R на 1/R, т.е. при перестановке колебательных и топологических чисел с одновременной инверсией радиуса. Мы используем планковские единицы, но можно работать и в более привычных единицах, если переписать формулу для энергии через так называемую струнную шкалу √α', значение которого примерно равно планковской длине, т.е. 10−33 сантиметра. В результате энергия записывается в виде выражения v/R + wR/α', инвариантного относительно взаимной замены v на w и R на α'/R, где последние две величины выражены в стандартных единицах расстояния.
104
У читателя может возникнуть вопрос, каким образом с помощью струны, намотанной вокруг циклического измерения радиусом R, можно измерить значение радиуса 1/R. Хотя этот вопрос совершенно правомерен, ответ на него, в действительности, заключается в том, что сам вопрос сформулирован некорректно. Когда мы говорим, что струна намотана на окружность радиуса R, мы с необходимостью используем определение расстояния (чтобы фраза «радиус R» имела смысл). Однако это определение расстояния относится к модам ненамотанной струны, т.е. к колебательным модам. С точки зрения этого определения расстояния (и только этого!) конфигурация намотанной струны выглядит так, что струна обернута вокруг циклической компоненты пространства. Однако с точки зрения другого определения расстояния, соответствующего конфигурациям намотанных струн, топологические моды точно так же локализованы в пространстве, как и колебательные моды с точки зрения первого определения, и радиус, который они «видят», равен 1/R, что и отмечено в тексте.
Эти пояснения дают некоторое представление о том, почему расстояния, измеренные с помощью намотанных и ненамотанных струн, обратно пропорциональны друг другу. Однако, так как данный момент достаточно тонкий, возможно, имеет смысл привести технические подробности для читателя, склонного к математическому образу мышления. В обычной квантовой механике точечных частиц расстояние и импульс (по существу, энергия) связаны преобразованием Фурье. Иными словами, собственный вектор оператора координаты |x} на окружности радиусом R можно определить как |x} = ∑veixp|p}, где p = v/R, а |p} есть собственный вектор оператора импульса (прямой аналог того, что мы называли общей колебательной модой струны — движение без изменения формы). В теории струн, однако, есть еще один собственный вектор оператора координаты |x'}, определяемый состояниями намотанной струны: |x'} = ∑veix'p'|p'}, где |p'} — собственный вектор для намотанной струны с p' = wR. Из этих определений немедленно следует, что x периодична с периодом 2πR, а x' периодична с периодом 2π/R, так что x есть координата на окружности радиусом R, а x' — координата на окружности радиусом 1/R. Более конкретно, можно рассмотреть два волновых пакета |x} и |x'}, распространяющихся из начала координат и эволюционирующих во времени, с помощью которых можно дать практическое определение расстояния. Радиус окружности, измеренный с помощью каждого из пакетов, будет пропорционален времени возвращения пакета в исходную точку. Так как состояние с энергией E эволюционирует с фазовым множителем, пропорциональным Et, видно, что время, а, следовательно и радиус, равны t ~ 1/E ~ R для колебательных мод и t ~ 1/E ~ 1/R для топологических мод.
