Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Branes: Stretching Out a String

Браны: растягивание струны

В определенном смысле, введение М-теории обозначает завершение "теории струн", потому что это прекращает быть теорией, которая содержит только фундаментальные струны.

М-теория также содержит многомерные мембраны, называемые бранами.

Согласно новой М-теории, струны, это только 1-мерные объекты, и, следовательно, только один из типов фундаментальных объектов, которые составляют вселенную.

Браны имеют минимум три особенные черты:

• Браны существуют в определенном количестве измерений, от нуля до девяти.

• Браны могу содержать электрический заряд.

• Браны имеют натянутость, показывающая, насколько они устойчивы, чтобы оказывать влияние или взаимодействовать.

Теория струн стала более сложной с введением многомерных бран.

Первые браны, которые называются D-браны, вошли в теорию струн в 1989.

Другой тип браны, который называется p-брана (не следует путать с термином, который вы раньше использовали, чтобы подразнить своего младшего брата), был представлен позже.

Поздние работы показали, что эти два типа бран, на самом деле, были одним и тем же.

Браны, это объекты имеющие разное количество измерений и которые существую внутри всего 10-мерного пространства, которое требуется теорией струн.

На языке струнных теоретиков, это все пространство называется "толщей" (bulk).

Одна из главных причин, что струнные теоретики изначально не приняли браны, это то, что введение более сложных физических объектов шло в разрез с целью теории струн.

Вместо упрощения теории и создание ее более фундаментальной, браны сделали теорию более сложной и ввели больше типов объектов, что не представлялось обязательным.

Это были именно те особенности стандартной модели, которые струнные теоретики надеялись избежать.

В 1995, однако, Джозеф Полчински доказал, что их было не избежать.

Любая непротиворечивая версия М-теории должна была включать браны более высокой размерности.

Открытие D-бран: предоставление открытым струнам чего то, чтобы держаться

Движущей силой для D-бран послужила работа Джозефа Полчински, Джина Даи и Роберта Ли из университета Техаса, и самостоятельная работа, которою проделал в то же время чешский физик Петр Хоржава.

Во время анализирования уравнений теории струн, эти ученые осознали, что края открытых струн не просто свисают в пустое пространство.

Вместо этого, все выглядело как будто бы край открытой струны был присоединен к объекту, но теория струн на тот момент не имела объектов (не струн) чтобы присоединить их.

Чтобы решить эту проблему, физики представили D-брану, поверхность, которая существует в 10-мерной суперструнной теории, таким образом открытые струны могут присоединятся к ним.

Эти браны, и струны присоединенные к ним, показаны на Рисунке 11-1.

("D" в D-бране появилось от Ио́ганна Пе́тера Гу́става Лежёна Дирихле, немецкого математика, чьи связи с D-браной появились из специального типа граничного условия, названного Граничным Условием Дирихле, которое демонстрируют D-браны.)

Рисунок 11-1: Открытые струны присоединяются каждым краем к бране. Края могут присоединятся к той же бране или к другим бранам.

Проще всего визуализировать эти браны как плоскость, но D-браные могут существовать в любом количестве измерений от нуля до девяти, в зависимости от теории.

5-мерная D-брана называлась бы D5-браной.

Легко заметить, как быстро эти D-браны могут множится.

У вас могла бы быть D5-брана пересекающая D3-брану, которая имеет D1-брану выходящую за её пределы.

Открытые струны могли бы иметь один край на D1-бране, а другой край на D5-бране, или на какой-нибудь другой D5-бране в другой позиции, а D9-браны (расширены во всех измерениях пространства-времени) могли бы быть основанием для всех их.

На этом этапе ясно, что стало довольно сложно представить это 10-мерное пространство или запомнить все возможные конфигурации каким-нибудь осмысленном способом.

В добавок, D-браны могу быть либо конечного либо бесконечного размера.

Ученые в самом деле не знают реальных ограничений того, как эти браны ведут себя.

До 1995, мало кто обращал внимания на них.

Создание частиц из p-бран

В середине 1990х, Эндрю Строминджер выполнил работу над другим типом браны, названную p-бранами, что было решениями уравнений поля общей теории относительности Эйнштейна.

"p" представляет число измерений, которые, опять же, могут варьироваться от нуля до девяти.

(4-мерная p-брана называется 4-браной.)

p-браны расширены бесконечно далеко в определенных направлениях и конечно в других.

В тех конечных измерениях, на самом деле казалось, что они ловят все, что оказалось возле них, наподобие гравитационного воздействия черной дыры.

Эта работа предоставила один из самых поразительных результатов теории струн — способ описать некоторые аспекты черной дыры (смотрите раздел "Использование бран для объяснения черных дыр").

Кроме того, p-браны решили одну проблему в теории струн: не все существующие частицы могли бы быть объяснены с точки зрения струнных взаимодействий.

p-бранами Стромиджер показал, что было возможно создать новые частицы без использования струн.

p-брана может создать частицу путем плотного оборачивания вокруг очень маленького, свернутого участка пространства.

Стромиджер показал, что если вы доводите это до крайности — представьте себе участок пространства, который свернут так сильно, как возможно — обернутая p-брана становится безмассовой частицей.

Согласно исследованию Стромиджера p-бран, не все частицы в теории струн созданы струнами.

Иногда, p-браны также могут создавать частицы.

Это важно, потому что струны в одиночку не объясняли все известные частицы.

Делаем вывод, что браны требуются М-теорией

Джозеф Полчински, сильно мотивированный предложением М-теории Эдвардом Уиттенам, начал сосредоточенно работать над D-бранами.

Его работа доказала, что D-браны были не просто гипотетической концепцией, которую допускала теория струн, а они были необходимы всякой версии М-теории.

Кроме того, он доказал, что D-браны и p-браны описывали одни и те же объекты.

В шквале активности, которая охарактеризует вторую суперструнную революцию, Полчински показал, что дуальности, которые нужны для М-теории, были не противоречивы только в случаях, где теория содержала также объекты более высоких измерений.

М-теория, которая содержит только 1-мерные струны, была бы противоречивой.

Полчински определил, что за типы D-бран теория струн допускает и некоторые их свойства.

D-браны Полчинского переносили заряд, что означало, что они взаимодействовали друг с другом через что-то похожее на электромагнитную силу.

Другое свойство D-бран это натяжение.

Натяжение в D-бране показывает, как легко взаимодействие влияет на D-брану, подобно волнам движущемся через бассейн с водой.

Малое натяжение означает, что незначительное нарушение приводит к большим следствиям на D-бране.

Большое натяжение означает, что сложнее повлиять (или изменить форму) на D-брану.

Если D-барана имела нулевое натяжение, тогда незначительное взаимодействие имело бы значительный результат — словно, как кто-то дует на поверхность океана и разделяет его, как Красное море в Десяти заповедях.

Бесконечное натяжение означало бы прямо противоположное: никакие усилия не вызвали бы изменений на D-бране.

Если вы представите D-брану как поверхность батута, вы можете еще проще визуализировать ситуацию.

Когда вес вашего тела приземляется на батут, натяжение на нем достаточно слабое, и дает немного, но достаточно сильное, что, в итоге, и приводит к отпружиниванию, бросая вас в воздух.

Если натяжение на поверхности батута было бы существенно слабее или сильнее, то батут был бы совсем не веселым; вы бы либо опускались, пока не ударились об пол, или вы бы ударились о потолок, неподвижный батут, который не прогибается (или отпружинивает) вообще.

Вместе, эти две особенности D-бран — заряд и натяжение — означали, что они не просто математическая концепция, а реальные объекты сами по себе.

Если М-теория верна, D-браны имеют способность взаимодействовать с другими объектами и передвигаться из одного места в другое.

Объединение D-бран и p-бран в один тип бран

Хотя Полчински и был знаком с работой Стромиджера по p-бранам — они обсуждали свои проекты за обедом постоянно — оба ученых думали, что два типа бран отличались.

Часть работы Полчинского над бранам в 1995 включала реализацию, что они были на самом деле одним и тем же объектом.

На энергетических уровнях, где предсказания теории струн и общей теории относительности совпадают, обе браны эквивалентны.

Может показаться странным, что идея не пришла ни к одному из них до 1995, но не было причин ожидать, что два типа бран будут связаны друг с другом.

Для любителя, они звучат в основном одинаково — многомерная поверхность существующая в 10-мерном пространстве-времени.

Почему бы вам, хотя бы не предположить, что они являются одним и тем же?

Ну, одна из причин может исходить из специфики научных исследований.

Когда вы работаете в научной области, вы довольно специфичны в вопросах, которые вы задаете и в способах их задавания.

Полчински и Стромиджер задавали разные вопросы разными способами, поэтому и не пришло в голову ни к одному из них, что ответы на их вопросы могут быть одинаковыми.

Их знание ослепило их от видения общих черт.

Это, что то вроде туннельного зрения, является весьма распространенным и это одна из причин, почему в научном сообществе.принято делится исследованием.

Так же, для любителя, резкие различия между этими двумя типами бран менее очевидны.

Так же как и кто-то, кто не изучает много религию, может быть сбит с толку различием между Епископальной и Католической теологическими доктринами, для священника любой из религий различия хорошо известны, и обе считаются очень разными.

В случае же бран, однако, любитель имел бы более четкое понимание по этому вопросу, чем кто-либо из экспертов.

Сами детали, которые сделали D-браны и p-браны такими интригующими для Полчинского и Стромиджера, препятствовали их способности видеть, минуя детали, общие черты — по крайней мере до 1995, когда Полчински в конце концов увидел связь.

Из-за эквивалентности, и D-браны и p-браны как правило просто называются бранами.

При упоминании их размерности, обычно используется обозначение p-брана.

Некоторые физики все еще используются обозначение D-бран потому что это другие типы бран, о которых они говорят.

(До конца этой книги, я в основном называю их бранами, тем самым защищаю от износа D кнопку на моей клавиатуре.)

Использование бран для объяснения черных дыр

Одной из основных теоретических догадок, которую предложила теория струн, является возможность немного понять физику черных дыр.

Они непосредственно завязаны на работу по p-бранам, которые, при определенных конфигурациях, могут вести как нечто, похожее на черные дыры.

Связь между бранами и черным дырами открыли Эндрю Строминджер и Кумран Вафа в 1996.

Это один из немногих аспектов теории струн, который может быть приведен, в качестве активно подтверждающего теорию проверяемым способом, так что это довольно важно.

Отправная точка похожа на работу Стромиджера по p-бранам по созданию частиц: Рассмотрим плотно свернутую область пространства-измерения, которая имеет брану обернутую вокруг ее.

В этом случае, однако, вы рассматриваете ситуацию в которой гравитации не существует, что означает, вы можете обернуть несколько бран вокруг пространства.

Масса бран ограничивает величину электромагнитного заряда, которую брана может содержать.

Похожий феномен происходит с электромагнитно заряженными черными дырами.

Эти заряды создают плотность энергии, которая вносит вклад в массу черной дыры.

Это накладывает ограничение на величину электромагнитного заряда, которую черная дыра может содержать.

В случае, когда брана имеет максимальную величину заряда — названная экстремальной конфигурацией — и случай, где черная дыра имеет максимальную величину заряда — названная экстремальной черной дырой — эти два случая разделяют некоторые свойства.

Это позволяет ученым использовать термодинамическую модель экстремальной конфигурации браны, которая обернута вокруг дополнительных измерений, чтобы извлечь термодинамические свойства, которые ученые надеялись получить от экстремальной черной дыры.

Также, вы можете использовать эти модели, чтобы связать около экстремальные конфигурации с около экстремальными черными дырами.

Черные дыры являются одной из тайн вселенной, для которой физики больше всего хотели бы иметь четное объяснение.

Для более подробной информации, о том, как теория струн связана с черными дырами, перейдите к главе 14.

Теория струн не была разработана с целью проектирования этой связи между свернутыми бранами и черными дырами.

Тот факт, что артефакт, извлеченный чисто из математики теории струн, так точно бы согласовался с известным научным объектом как черная дыра, и то, что ученые особенно хотят изучать новыми способами, рассматривался каждым, как важный шаг в поддержку теории струн.

Многие думают, это слишком прекрасно, чтобы быть простым совпадением.

Застрять на бране: бранные миры

С введением всех этих новых объектов, струнные теоретики начали исследовать, что они означают.

Одним главным шагом является введение сценариев бранного мира, где наша 3-мерная вселенная на самом деле 3-брана.

С момента создания теории струн, одной из главных абстрактных преград было наличие дополнительных измерений.

Эти дополнительные измерения необходимы для непротиворечивой теории, но мы определенно не ощущаем больше трех пространственных измерений.

Типичным объяснением стала компактификация дополнительных шести измерений в плотно скрученный объект приблизительно размером c планковскою длину.

В сценариях бранного мира, причина, почему мы воспринимаем только три пространственных измерений, кроется в том, что мы живем внутри 3-браны.

Есть фундаментальное различие между пространственными измерениями на бране и теми, что вне браны.

Сценарии бранного мира это приводящее в восторг дополнение к теории струн, в частности потому, что они могу предложить несколько способов, где мы можем иметь непротиворечивые теории струн не прибегая к разработке сценариев компактификации.

Не все уверены, однако, эти компактификации могут быть устранены из теории и даже из некоторых теории бранного мира, которые также включают компактификацию.

Далее в этой главе в разделе "Бесконечные измерения: модели Рэндалл-Сундрума", я рассматриваю некоторые предложенные специфические сценарии бранного мира, которые предлагают некоторые интригующие объяснения аспектам нашей вселенной, таких, как решить проблему иерархии (из главы 8).

В главе 15, идея бранных миров позволяет рассмотреть возможность бегства из нашей вселенной и путешествие к другим вселенным на другой бране!

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145403

Переводчики: Swarlz