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

При чтении книги может сложиться впечатление, что все достижения в этой области науки принадлежат Западу, а вклад советских и российских ученых совсем невелик. В действительности это далеко не так, просто так сложилось, что в западной научной литературе работы советских и российских ученых зачастую замалчиваются при цитировании. Как уже говорилось выше, сама идея о возможности существования макроскопически ненаблюдаемых больших дополнительных измерений впервые была высказана советскими учеными, в книге же об этом говорится вскользь, без упоминания имен. Аналогично суперсимметрия впервые была найдена советскими физиками Ю. А. Гольфандом и Е. П. Лихтманом, в книге же эти имена упоминаются вместе с группой западных ученых, впоследствии развивавших эту теорию.

Российские физики также внесли значительный вклад в исследование модели Рэндалл — Сундрума. В частности, в работах [Рубаков В. А. Большие и бесконечные дополнительные измерения. Введение // ЖЭТФ. 2001; Боос Э.Э., Волобуев И. П., Михайлов Ю. А., Смоляков М. Н. Эффективные лагранжианы модели Рэндалл — Сундрума // ТМФ. 2001] было показано, что при последовательной интерпретации этой модели более естественным является рассмотрение дополнительного измерения размером порядка 10^-17 см, а не планковского размера 10^-33 см, как в оригинальной работе. Возможно, выбор создателями модели планковского размера дополнительного измерения объясняется их неосознанным желанием установить соответствие с теорией суперструн.

Книга Л. Рэндалл, несомненно, представляет собой заметное явление в научно-популярной литературе. Она дает возможность неподготовленному читателю ощутить всю красоту и сложность современной теоретической физики, познакомиться с ее новейшими достижениями и понять трудность стоящих перед ней проблем.

И. П. Волобуев, доктор физико-математических наук

Предисловие и благодарности

Когда я была маленькой девочкой, я обожала игры и интеллектуальные головоломки, находя их в задачниках по математике или в книгах типа «Алисы в стране чудес». Однако, хотя чтение было одним из моих любимых занятий, научные книги меня особо не привлекали, ибо казались довольно отстраненными — я не чувствовала себя достаточно увлеченной и не ощущала вызов. Стиль часто казался снисходительным, слишком превозносящим ученых, а иногда просто скучным. Я чувствовала, что авторы окружают ореолом тайны результаты или превозносят тех людей, которые их получили, вместо того чтобы описывать саму науку и тот процесс, посредством которого ученые устанавливают взаимосвязь между явлениями. А мне хотелось знать именно это.

Чем больше я интересовалась наукой, тем сильнее она меня увлекала. Я еще не знала, что стану физиком; никто из тех, с кем я была знакома в юности, наукой не занимался. Но занятия неизведанным непреодолимо манили меня. Мне казалось восхитительным искать связи между кажущимися совершенно различными явлениями, решать проблемы и предсказывать удивительные свойства нашего мира. Сейчас, став физиком, я понимаю, что наука является живой сущностью, которая находится в постоянном развитии. Ее делают интересной не только ответы, но также вопросы, дух соперничества и само участие.

Когда я задумала написать эту книгу, мне представлялось, что она должна передавать восторг, который я чувствую от моей работы, не ущемляя научную точность изложения. Я надеялась передать очарование теоретической физики, не прибегая к обманчивому упрощению предмета или представлению его в виде конечного набора застывших монументов, которыми следует покорно восхищаться. Физика намного созидательнее и интереснее, чем это многим кажется. Я хотела поделиться этими чувствами с людьми, которым, возможно, не довелось самостоятельно дойти до такого понимания.

Новая картина мира довлеет над нами. Дополнительные измерения изменили представления физиков о Вселенной. И поскольку связи этих измерений с нашим миром могут оказать влияние на множество хорошо установленных физических законов, дополнительные измерения предлагают новые захватывающие подходы к объяснению старых, уже проверенных фактов о Вселенной.

Некоторые идеи, включенные мной в книгу, довольно абстрактны и умозрительны, однако нет причин полагать, что любознательный читатель не сможет их понять. Я решила дать возможность физике говорить самой за себя и не стала делать акцент на истории и отдельных личностях. Мне не хотелось создавать ошибочное впечатление, что все физики устроены одинаково или что физика интересна какому-то конкретному типу личности. Опираясь на свой опыт и беседы с людьми, я убедилась в том, что есть много читателей, которые сообразительны, любознательны и достаточно открыты к восприятию новой информации, чтобы заинтересоваться реальным положением дел.

Эта книга не обходит вниманием ни одну из самых продвинутых и заманчивых теоретических идей, но я постаралась сделать все возможное, чтобы изложение было замкнутым. Я включила как ключевые концептуальные идеи, так и физические явления, к которым они применяются. Главы построены так, чтобы читатели могли продвигаться по книге в соответствии со своими знаниями и интересами. Чтобы помочь этому процессу, я выделила в конце глав те моменты, на которые я буду ссылаться позже при изложении новейших идей о дополнительных измерениях. Я также использовала маркеры в конце глав, посвященных дополнительным измерениям, чтобы пояснить, чем отличаются друг от друга разные варианты вселенных с дополнительными измерениями.

Так как идея о дополнительных измерениях, вероятно, нова для многих из читателей, в первых главах я объяснила, что я понимаю под этими словами, и почему дополнительные измерения могут существовать, но при этом быть невидимыми и неосязаемыми. После этого я обрисовала теоретические методы, которые используют специалисты в области физики элементарных частиц, для того чтобы объяснить тип мышления, характерный для таких весьма умозрительных исследований.

Современные работы по дополнительным измерениям опираются как на традиционные, так и на современные понятия теоретической физики для обоснования исследуемых вопросов и используемых в них методов. Чтобы объяснить, что движет такими исследованиями, я включила обширный обзор физики двадцатого века. Можно пролистать этот обзор «по диагонали». Но, поступив так, вы пропустите много интересного.

Обзор начинается с общей теории относительности и квантовой механики, и лишь после этого мы переходим к физике частиц и ее важнейшим понятиям. Я изложила довольно абстрактные идеи, которыми часто пренебрегают отчасти именно из-за их абстрактности, но все теоретические представления, о которых я говорю, на данный момент экспериментально подтверждены и используются во всех современных исследованиях. Хотя не весь материал существен для понимания в дальнейшем идей, касающихся дополнительных измерений, я думаю, что многие читатели будут рады получить более полную картину.

Затем я описала ряд новых, более умозрительных теоретических схем, изучавшихся в последние тридцать лет, в частности суперсимметрию и теорию струн. Традиционно физика предполагает взаимодействие теории и эксперимента. Суперсимметрия — это расширение известных понятий физики частиц, и есть хорошие шансы на то, что она будет проверена в предстоящих экспериментах. Теория струн иная. Она основана исключительно на теоретических представлениях и идеях и даже до сих пор не полностью сформулирована математически, так что мы не можем быть абсолютно уверены в ее предсказаниях. Что касается меня, то я в этом вопросе являюсь агностиком — я не знаю, как в конечном итоге будет выглядеть теория струн и сможет ли она разрешить проблемы квантовой механики и гравитации, на которые она нацелена. Но теория струн была богатым источником новых идей, некоторые из которых я сама использовала в исследованиях по дополнительным измерениям пространства. Эти идеи существуют независимо от теории струн, однако данная теория дает основания считать, что некоторые из лежащих в их основе предположений могут быть верными.