Дополнительные измерения – миф или реальность?

Каждодневный опыт подтверждает, что мы живем в четырехмерном пространстве-времени: каждый предмет обладает длиной, шириной и высотой. Однако физикам четырех измерений оказалось мало. Вводя дополнительные координаты, они пытаются объяснить современные проблемы происхождения и эволюции Вселенной. Предложенные более ста лет назад, в настоящее время теории с дополнительными измерениями являются одними из наиболее успешных потенциальных кандидатов на роль универсального объяснения происхождения мира.

С чего начался мир?

Космология — наука о возникновении и развитии Вселенной такой, какую мы наблюдаем в настоящее время — одна из самых активно развивающихся областей современной физики. Космологи смогли точно и подробно описать самые ранние стадии эволюции мира, крупномасштабную структуру — «узор», который составляют миллионы и миллиарды галактик на больших расстояниях. Были выдвинуты веские доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением и объяснено, почему реликтовое излучение, фон, оставшийся со времён Большого взрыва, неоднороден и имеет области большей и меньшей интенсивности.

Другая важная заслуга космологии состоит в создании теории инфляции, которая предсказала, что Вселенная в один из начальных этапов своего развития расширялась быстрее относительно «начальной» скорости. Эта идея позволила решить часть проблем стандартного механизма расширения, при котором никаких периодов «ускорения» или «торможения» не предусмотрено.

Энергетическая пустыня и ускоренное расширение Вселенной

Но, решив большинство фундаментальных проблем, теория инфляции принесла с собой новые. Инфляция базируется на теории «неоднородностей» пространства – космологических возмущений, которые не описываются полностью с помощью квантовых механизмов. Это привело к тому, что в рамках современных представлений объяснить возникновение такого этапа развития Вселенной нельзя.

Другая проблема связана с нобелевская премией 2011 года по физике, которая была присуждена Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Рису за открытие ускоренного расширения Вселенной. С теоретической точки зрения оно определяется такой величиной как космологическая постоянная: Альберт Эйнштейн ввел ее искусственно в уравнения общей теории относительности для получения пространственно-однородных и неизменных во времени решений. Подобный физически не обоснованный «трюк» крайне не понравился ученым, и многие усилия были потрачены на избавление от неугодного слагаемого.

Открытие ускоренного расширения свело все усилия на нет – космологическая постоянная имеет место быть. Однако физическое сообщество сразу же натолкнулось на новый камень преткновения: объяснить именно то значение постоянной, которое наблюдается экспериментально – очень маленькое, но тем не менее отличное от нуля, оказалось очень и очень непросто.

Вопрос космологической постоянной также привел ученых к проблеме иерархии. Под этим термином подразумевают большой разрыв между масштабом квантово-гравитационного взаимодействия и наблюдаемым масштабом космологической постоянной: отличие этих величин составляет 10120, и такая энергетическая «пустыня» не имеет объяснения в современной космологии.

Брана и балк

После многих лет упорной работы, попытки включения современной космологии, основанной на теории инфляции, в фундаментальную физическую теорию высоких энергий привели к идее многомерного пространства-времени.

Что же имеется в виду? В повседневной жизни мы ощущаем только три пространственных измерения: длину, ширину и высоту, плюс четвёртое — время. Однако уже в 1914 году в работах Г. Нордстрома было высказано предположение, что могут существовать и другие измерения, ненаблюдаемые в обычных условиях.

В материале про теорию струн мы уже упоминали, что для математической согласованности ученым пришлось ввести дополнительные измерения. Помимо «естественных» четырёх появляются ещё 6 или 7 добавочных. Они компактифицированы, то есть настолько малы, что их наличие мы просто не ощущаем.

Космологи же пошли дальше, и предположили, что дополнительные измерения могут быть не только большими, макроскопическими, но и незамкнутыми (в отличие от теории струн, где дополнительные пространства имеют конечные размеры). Полное многомерное пространство называется балком, а вложенное в него четырёхмерное, в котором живём мы с вами — браной.

Модель Рэндалл-Сандрум

Наиболее законченными в настоящее время являются модели Лизы Рэндалл и Рамана Сандрума. В модели первого типа, называемой RS1, предполагается наличие двух бран – «планковской» браны на которой локализована наблюдаемая материя и «ТэВ-браны» (англ. TeVbrane). В другом варианте, модели RS2, существует только одна «вещественная» брана. На ТэВ-бране гравитационное взаимодействие во много раз сильнее, чем на планковской, но частицы на ней не существуют.

В таких теориях элегантно решается проблема иерархии. Все наблюдаемые поля и вещество локализованы на бране и выходить за ее пределы не могут – таким образом достигается четырехмерность наблюдаемого мира. Исключение составляет гравитация, которой «разрешено» обитать во всех измерениях. На нашей бране локализуется только ее низкоэнергетическая часть, и наблюдаемая «интенсивность» гравитационного взаимодействия в таком случае зависит от масштаба многомерной гравитации и размеров дополнительного измерения, которые, как уже было упомянуто, могут быть макроскопическими и даже бесконечными.

С другой стороны, становится возможным объяснить инфляционную стадию развития Вселенной. Теория Рэндалл-Сандрума предполагают наличие радиона – гипотетической частицы, связанной с изменением расстояния между бранами – который оказывается хорошим кандидатом на роль «генератора» инфляции.

Как увидеть балк?

Можно ли каким-то образом подтвердить или опровергнуть теории мира на бране? Оказывается, несмотря на кажущуюся ненаблюдаемость, существуют способы определить наличие дополнительных измерений и бран.

Первый потенциальный эксперимент, так называемый RIGO-эффект, состоит в том, что при наличии двух источников гравитационных волн на обеих бранах с одинаковыми параметрами, в процессе распространения амплитуды колебаний будут изменяться. Наблюдатель на планковской бране фактически должен зарегистрировать два источника с пропорциональными друг другу амплитудами, при этом наблюдаемая разница между ними зависит от расстояния между бранами.

RIGO-эффект является единственным прямым способом наблюдения второй браны, но фактически амплитуда «скрытого» источника оказывается меньше на много порядков, чем у источника на планковской бране. Для эффективного использования данного процесса излучатель на ТэВ-бране должен быть гораздо более интенсивным, и, по-видимому, в ближайшем времени регистрация подобных сигналов будет невозможна.

В качестве другого метода наблюдения дополнительных измерений был предложен так называемый эффект гравитационного эхо. Его суть состоит в следующем: при наличии многомерного источника гравитационных волн из-за локализации наблюдателя в четырехмерном пространстве должны возникать его «изображения» - источники с аналогичными характеристиками, но находящиеся в иных точках. При распространении гравитационные волны накладываются друг на друга, и изменение сигнала по сравнению с единичным источником возможно измерить в эксперименте. Проблема данного эффекта аналогична предыдущему – недостаточная интенсивность, которая пока что не позволяет наблюдать гравитационное эхо экспериментально.

Бранные перспективы

Физика дополнительных измерений и бранная космология предлагают множество действительно интересных решений существующих проблем. Возможно, теории мира на бране являются лишь предпосылками новых, более экзотических механизмов.

Различные модели бран по-своему справляются с решением разных задач, но и обладают рядом проблем как теоретического характера, так и прикладного – в условиях современных экспериментов, как действующих так и планирующихся, наблюдение дополнительных измерений невозможно. Неисчерпаемо привлекательные, теории бранной космологии потенциально способны раскрыть многие загадки ранней, современной и будущей Вселенной.