Лиза Рэндалл - Достучаться до небес - Научный взгляд на устройство Вселенной

Загадка, связанная со слабостью гравитационных сил, по существу эквивалентна проблеме иерархии — решение одной решает и другую. Но формулировка проблемы иерархии в терминах гравитации помогает думать о решениях, связанных с дополнительными измерениями. А нам пора познакомиться с парой наводящих вопросов.

С того самого момента, когда человек впервые задумался над проблемой иерархии, физики были уверены, что решение этой проблемы должно быть связано с модифицированными взаимодействиями частиц на масштабе слабого взаимодействия, то есть на энергиях порядка 1 ТэВ. С учетом только частиц Стандартной модели квантовый вклад в массу частицы Хиггса попросту слишком велик. Должен найтись фактор, который вмешается и «укротит» большие квантово–механические поправки к массе хиггса.

Суперсимметрия и техницвет — два примера моделей, где в высокоэнергетических взаимодействиях могут участвовать новые тяжелые частицы, которые компенсируют ненужные добавки или вообще не дадут им возникнуть. До 1990–х гг. все предлагавшиеся решения проблемы иерархии попадали в одну и ту же категорию — моделей с новыми частицами и взаимодействиями и даже новыми симметриями, проявляющимися на масштабе энергий слабого взаимодействия.

В 1998 г. Нима Аркани–Хамед, Савас Димопулос и Гия Двали предложили альтернативный подход к проблеме. Они указали на то, что поскольку проблема касается не только масштаба слабого взаимодействия, но и его соотношения с масштабом Планка, связанным с гравитацией, то, может быть, все дело в некорректном понимании фундаментальной природы гравитации.

Они предположили, что на самом деле среди масс не существует никакой иерархии — по крайней мере по отношению к фундаментальному масштабу гравитации в сравнении со слабым масштабом. Может быть, в многомерной Вселенной сила тяготения сильна, а в нашем мире с количеством измерений «три–плюс- один» ее измерение дает такой слабый результат только потому, что она как бы «размазана» по всем измерениям. Их гипотеза состояла в том, что на самом деле в многомерной Вселенной гравитация становится сильной на масштабе масс слабого взаимодействия, а при измерениях мы получаем такие скромные результаты не потому, что гравитация фундаментально слаба, а потому лишь, что она, помимо трех привычных измерений, распространяется на большие невидимые измерения.

Чтобы это понять, представьте себе поливальный шланг. Если вода разбрызгивается только в привычных измерениях, то эффект будет зависеть от количества воды в емкости и расстояния от разбрызгивателя до цели. Но если измерений на самом деле больше трех, то вода по выходу из шланга распределится на все эти измерения. Мы на заданном расстоянии от источника увидим намного меньше воды, потому что часть ее уйдет в другие измерения, видеть которые мы не можем (такая ситуация схематически изображена на рис. 65).

РИС. 65. В многомерном пространстве сила взаимодействия слабеет быстрее, чем в пространстве с меньшим числом измерений. Ситуация аналогична разбрызгиванию воды в многомерном разбрызгивателе, где вода расходится намного быстрее, чем в обычном трехмерном. Вода быстрее расходится по трем измерениям, чем по двум, — на рисунке воды хватает только тому цветку, который получает ее из двумерного, а не трехмерного разбрызгивателя

Если бы размеры дополнительных измерений были конечны, то вода достигла бы границ этих измерений и дальше никуда не пошла. Но количество воды, которую объект в любой конкретной точке многомерного пространства будет получать, окажется намного меньше того объема, которое он подушил бы, если бы вода вообще не уходила бы в дополнительные измерения. Точно так же гравитация может «растекаться» по измерениям, хотя и не вся, если измерения имеют конечные размеры. Большие измерения «разбавляют» силу тяготения, которую мы испытываем у себя, в трехмерном мире. Если эти измерения достаточно велики, сила тяготения у нас становится очень слабой, несмотря на то что фундаментальная сила тяготения в многомерном пространстве значительна. Не забывайте, однако, для того чтобы эта идея работала, дополнительные измерения должны быть просто громадными по сравнению с тем, что предсказывает нам теория, — ведь гравитация в трехмерном мире действительно очень слаба.