Читаем Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства. онлайн бесплатно

Лиза "Рэндалл, без сомнения, является одним из ведущих, физиков-теоретиков в области космологии…

Дух захватывает от мысли, что всего в нескольких сантиметрах от нашей Вселенной может существовать другая вселенная, оставаясь для нас совершенно недоступной, ибо эти несколько сантиметров отмерены в четвертом измерении, в то время как мы находимся в плену у наших трех измерений!

Сэр Мартин Рис, член Королевского общества, профессор Кингс-колледжа

Книга «Закрученные пассажи» логично объясняет новые интригующие идеи, необходимые сегодня физикам для того, чтобы изучать природу физической реальности. От читателя не требуется специальных знаний, только любознательность и живой интерес к науке. Лиза Рэндалл ведет нас от простых интуитивных представлений к более сложным понятиям современной физики, и далее — к самым захватывающим рубежам науки.

Стивен Линкер, автор книг «Язык как инстинкт» и «Субстанция мышления»

Книга Лизы Рэндалл — это ослепительный фонтан новых понятий… которые, без сомнения, расширят кругозор и обогатят научный лексикон любого, кто прочтет эту книгу. И что удивительно — самые фантастические идеи новой физики, похоже, гармоничны с миром, каков он есть.

Адам Гопник, автор книг «Париж — Луна» и «Король в окне»

Увлекательный и поразительно ясный рассказ о том, как наличие дополнительных измерений, помимо привычных нам трех (или четырех, если учитывать время), может разрешить множество космологических загадок.

New York Times Book Review

Книга Лизы Рэндалл «Закрученные пассажи», русский перевод которой предлагается вниманию читателей, посвящена изложению на общедоступном уровне важнейших результатов, полученных в последнее десятилетие в области моделей взаимодействий элементарных частиц в пространстве-времени с дополнительными измерениями. Автор книги является известным специалистом по физике элементарных частиц и по теориям с дополнительными измерениями пространства-времени и внесла значительный вклад в развитие таких моделей.

Следует заметить, что гипотеза о существовании дополнительных измерений пространства-времени обсуждается в теоретической физике уже около ста лет и за это время претерпела значительные изменения. Тот факт, что в окружающем нас макроскопическом мире дополнительные измерения пространства не наблюдаются, обязательно должен иметь объяснение в теориях, основанных на этой гипотезе. В первоначальном варианте этого подхода — в теориях Калуцы — Клейна, названных так по фамилиям их создателей, — ненаблюдаемость дополнительных измерений пространства в нашем макроскопическом мире объяснялась их очень малым, порядка длины Планка, размером. Длина Планка равна 10^-33 см, что примерно в сто миллионов миллиардов (10¹⁷) раз меньше тех расстояний, которые доступны для наблюдения на самых мощных современных ускорителях частиц. Вследствие этого оказывается, что экспериментально наблюдать проявление дополнительных измерений пространства в этом случае невозможно.

Около тридцати лет назад в работах советских ученых В. А. Рубакова и М. Е. Шапошникова для теорий с дополнительными измерениями был предложен новый сценарий, основанный на идее локализации частиц, из которых состоит наш мир, в тонкой области вблизи трехмерной поверхности в многомерном пространстве с дополнительными измерениями. Такие области в физике называются доменными стенками, и на них может возникать потенциальная яма для материи, из которой состоит наш мир. Этот сценарий допускает существование больших и даже бесконечных дополнительных измерений, не наблюдаемых при доступных в настоящее время относительно низких энергиях. Однако при более высоких энергиях дополнительные измерения могут оказывать влияние на физические процессы в нашем мире и, таким образом, стать наблюдаемыми.

Если нас не интересует конкретный механизм удержания частиц на доменной стенке и последнюю можно считать бесконечно тонкой, то возникает новый физический объект — мембрана, или просто брана, т. е. трехмерная поверхность в многомерном пространстве, на которой локализована материя, из которой состоит наш мир. Модели такого типа получили название моделей мира на бране, и оказалось, что они возникают также в теории суперструн.

Мировую известность Лизе Рэндалл принесла опубликованная в 1999 г. совместно с Р. Сундрумом работа, в которой была сформулирована первая последовательная модель мира на бране, получившая название модели Рэндалл — Сундрума. Этот материал входит в число наиболее цитируемых работ во всех областях науки. Главная цель, поставленная автором данной книги, — донести до читателя новейшие идеи о дополнительных измерениях пространства, обсуждаемые в современной теоретической физике, объяснить на качественном уровне, без привлечения сложного математического аппарата, как эволюционировали представления о пространстве-времени. Эти идеи неразрывно связаны с физикой элементарных частиц и с космологией и, как полагают работающие в этих областях ученые, позволяют объяснить многие загадки микро- и макромира.

Физику элементарных частиц также невозможно представить себе без квантовой механики и специальной теории относительности. Поэтому обсуждению этой теории и возможной роли в ней дополнительных измерений предпослан достаточно подробный обзор достижений физики XX века, который отражает оригинальный взгляд автора на развитие этой науки и может представлять самостоятельный интерес для читателей.

В начале книги обсуждаются специальная и общая теории относительности Эйнштейна, квантовая механика, Стандартная модель взаимодействий элементарных частиц и ее симметрии. Затем автор рассматривает теории за рамками Стандартной модели: суперсимметрию, теории струн и бран.

Последующие главы, посвященные обсуждению дополнительных измерений пространства-времени и их роли в физике элементарных частиц и в космологии, в значительной степени основаны на результатах исследований автора книги. В них не только изложены доступным языком последние достижения в этой области, но и интересно и эмоционально рассказано о самом процессе получения результатов.

Книга написана ярким, образным языком. Для объяснения сложных физических понятий в ней используются совершенно неожиданные аналогии из повседневной жизни.

Через всю книгу проходит забавное сказочное повествование, перекликающееся с «Алисой в стране чудес», отдельные истории которого предваряют каждую главу и метафорически аннотируют ее содержание.

Английский язык оригинала весьма своеобразен, поэтому перевод этой книги был сопряжен со значительными трудностями. Переводчик А. В. Берков и редакторы перевода постарались найти максимально близкие русские эквиваленты, чтобы передать это своеобразие и донести до читателя мысли и эмоциональный настрой автора. Насколько это удалось — судить читателю.

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

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.