Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

Ряд людей поделились со мной интересными историями и наблюдениями, которые помогли мне на начальных стадиях этого проекта. Массимо Поррати является кладезем уникальных фактов, часть из которых приведена в книге.

Взгляды Джералда Холтона на физику начала XX века обогатили мои представления о квантовой механике и теории относительности. Йохен Броке высказал полезные мысли о том, что ему нравится в литературе о науке, и стимулировал ряд литературных идей. Беседы с Крисом Хаскетом и Энди Синглтоном помогли мне понять, что способны воспринять и хотели бы узнать нефизики. Альбион Лоуренс сделал ряд ценных замечаний, позволивших мне сделать более понятными некоторые трудные главы. Наконец, Джон Свейн предложил пару раз, как изящно изложить материал.

Многие коллеги внесли ценные замечания и предложения. Среди тех, кому я благодарна, Боб Кан, Чаба и Сусанна Чаки, Паоло Креминелли, Джошуа Эрлих, Эми Кац и Нейл Вайнер — они прочли основные части книги и сделали ряд глубоких замечаний. Я благодарю также Аллана Адамса, Ниму Аркани-Хаме-да, Мартина Гремма, Джонатана Флинна, Мелиссу Франклин, Дэвида Каплана, Андреаса Карча, Джо Ликкена, Петера Лу, Энн Нельсон, Аманду Пит, Рикардо Раттаци, Дэна Шрага, Ли Смолина и Дариена Вуда за полезные замечания и ценные советы. Говард Джорджи советовал мне и многим упомянутым выше физикам обращаться к языку эффективной теории, который используется в этой книге. Я также признательна Петеру Бохачеку, Венди Чан, Энрике Родригесу, Полу Грему, Виктории Грей, Полу Мурхаузу, Курту МакМаллену, Лиам Мерфи, Джефу Мрагену, Сеше Претап, Дэне Рэндалл, Энрике Родригесу и Юдифь Сур-кис за критику, предложения и поддержку. Я также благодарю Марджори Карон, Тони Карона, Барри Езарского, Джоша Фелдмана, Маршу Розенберг и других членов ее семьи за возможность лучше понять мою аудиторию.

Грег Эллиот и Джонатан Флинн выполнили замечательные рисунки для этой книги, и я им очень признательна. Также благодарю Роба Мейера и Лауру Ван Вик за помощь при получении разрешений на множество содержащихся в книге цитат. Я приложила максимум усилий, чтобы правильно упомянуть источники. Если кому-то покажется, что они не процитированы должным образом, пусть даст мне знать.

Я хочу также поблагодарить моих сотрудников по тем исследованиям, о которых я рассказываю в этой книге, в частности Рамана Сундрума и Андреаса Карча, работа с которыми доставляла мне истинное удовольствие. Кроме того, я хочу отметить вклад многих физиков, размышлявших над подобными и близкими идеями, включая те, про которых мне не хватило места упомянуть.

Выражаю признательность редактору издательства «Экко Пресс» Дэну Галь-перну, моим редакторам из издательства Пингвин Пресс Стефану МакГрату и Уиллу Гудладу и моим литературным редакторам в США и Англии Лайману Лайонсу и Джону Вудрафу за множество полезных предложений и поддержку этой книги. Хочу поблагодарить моего литературного агента Джона Брокмана, а также Катинку Матсон, за их важные комментарии и советы, а также неоценимую помощь в издании этой книги. Я благодарна Гарвардскому университету и Институту высших исследований Радклиффа за предоставленную мне возможность сосредоточиться на работе над книгой, а также МТИ, Принстону, Гарварду, Национальному научному фонду, Департаменту энергии и Фонду им. Альфреда П. Слоана за поддержку моих исследований.

Наконец, я хочу поблагодарить мою семью — родителей Ричарда и Глэдис Рэндалл и сестер Барбару Рэндалл и Дэну Рэндалл — за подпитку моей научной карьеры и за то, что в течение многих лет они разделяли со мной юмор, мысли и воодушевление. Линн Феста, Бет Лайман, Ген Лайман и Джен Сакс оказывали невероятную поддержку, и я благодарю всех их за чудесные советы и предложения. Наконец, я очень благодарна Стюарту Хиллу за глубокие идеи, полезные замечания и бескорыстную помощь. Благодарю вас всех. Надеюсь, вы увидите, что ваши усилия не пропали даром.

Лиза Рэндалл

Кембридж, Массачусетс Апрель 2005

Введение

Got to be good looking

Cause he’s so hard to see.

The Beatles[1]

У Вселенной свои секреты. Одним из них могут считаться дополнительные измерения пространства. Если они существуют, то Вселенная их заботливо скрывает, оградив от людских взоров и спрятав под покрывалом. Размышляя как обыватель, вы никогда о них не догадаетесь.

Кампания по дезинформации начинается с детской кроватки, впервые знакомящей вас с тремя пространственными измерениями. Это два измерения, по которым вы ползаете, и третье, по которому вы карабкаетесь вверх. С этого момента законы физики, не говоря уже о здравом смысле, поддерживают веру в существование трех измерений, подавляя любое подозрение, что их может быть больше.

Однако пространство-время может полностью отличаться от всего, что вы только способны вообразить. Мы не знаем ни одной физической теории, предписывающей наличие только трех пространственных измерений. Отвергнуть возможность дополнительных измерений прежде, чем хотя бы рассмотреть следствия их существования, было бы крайне опрометчиво.

Так же как «вверх — вниз» — это направление, отличающееся от «налево — направо» или «вперед — назад», в нашем космосе могут существовать другие совершенно новые измерения. Хотя мы не можем видеть их своими глазами или ощущать кончиками пальцев, логически дополнительные измерения пространства вполне возможны.

У таких гипотетических невидимых измерений до сих пор нет имени. Но если бы они существовали, они были бы новыми направлениями, вдоль которых что-то могло бы перемещаться. Поэтому, когда мне требуется имя для дополнительного измерения, я иногда называю его проходом или пассажем. (И когда я обсуждаю именно дополнительные измерения, я использую в названиях глав слово «пассажи».)

Эти пассажи могут быть плоскими, как те измерения, к которым мы привыкли. Но они могут быть и искривленными, как отражения в зеркалах комнаты смеха. Они могут быть крохотными, много меньшими, чем размер атома; по крайней мере, именно это предполагали все, кто верил в существование дополнительных измерений. Однако новые исследования показали, что дополнительные измерения могут быть и большими, и даже бесконечно большими по величине, и при этом не поддаваться детектированию. Наши органы чувств говорят нам только о трех больших измерениях, так что бесконечное дополнительное измерение звучит неправдоподобно. Но бесконечное невидимое измерение — лишь одна из многих удивительных возможностей, которые могут реализоваться в космосе. В этой книге мы расскажем, почему это так.

Исследование дополнительных измерений привело также к другим поразительным представлениям, способным удовлетворить фантазии страстного любителя научной фантастики, таким как параллельные вселенные, закрученная геометрия и трехмерные воронки. Боюсь, что подобные идеи больше относятся к сфере деятельности писателей и лунатиков, чем к области реальных научных исследований. Но какими бы диковинными они не казались сейчас, эти идеи являются реальными научными сценариями, которые могут осуществляться в мире дополнительных измерений. (Если вы пока что незнакомы с такими словами или идеями, не тревожьтесь, мы введем и обсудим их позднее.)

Даже если физика с дополнительными пространственными измерениями действительно допускает столь невероятные сценарии, вас может все же удивить, почему физики, занятые предсказаниями наблюдаемых явлений, должны беспокоиться и принимать эти сценарии всерьез. Ответ столь же необычен, как и сама идея дополнительных измерений. Согласно недавним исследованиям, дополнительные измерения, до конца еще не изученные и до конца не понятые, могут тем не менее раскрыть ряд первозданных тайн нашей Вселенной. Дополнительные измерения могут быть причастны к видимому нами миру, а идеи относительно этих измерений могут окончательно раскрыть связи, которые ускользают он нас в трехмерном пространстве.

Нам не удастся понять, почему эскимосы внешне похожи на китайцев, если мы не учтем временное измерение, которое позволит установить их общее происхождение. Аналогично, те связи, которые становятся возможными благодаря дополнительным измерениям пространства, могут раскрыть поразительные стороны физики частиц и пролить свет на загадки давностью в несколько десятилетий. Связи между свойствами частиц и взаимодействиями, кажущиеся необъяснимыми, когда пространство заковано в трех измерениях, элегантно совмещаются в мире с большим числом пространственных измерений.

Верю ли я в дополнительные измерения? Признаюсь, да. Было время, когда я проявляла изрядную долю скептицизма, рассматривая физические идеи (включая мои собственные), которые выходили за рамки того, что может быть измерено. Меня привлекали эти идеи, но я честно признавала свое недоверие. Хотя иногда мне казалось, что в этом должен быть какой-то зародыш истины. Однажды, лет пять тому назад, по пути на работу, когда я переезжала реку Чарльз по дороге в Кембридж, я вдруг поняла для себя, что я действительно верю в необходимость существования каких-то форм дополнительных измерений. Я огляделась вокруг и стала всматриваться в многие измерения, которые не могла различить. Это был шок удивления от внезапного изменения моего взгляда на мир, похожий на тот, который я испытала, когда поняла, что я, коренная жительница Нью-Йорка, стала болеть за «Ред Соке» (Red Sox) во время игры на вылет против «Янки» (Yankee) — подобного я никогда не могла себе даже представить[2].