[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_г___

4.3_суси

(23)

Одна из наиболее привлекательных особенностей модели мира как сдвоенной мембраны – это возможность естественного объяснения для феномена квантовой сцепленности. То есть непостижимого иначе научного факта, согласно которому квантовые частицы способны мгновенно взаимодействовать друг с другом в полной независимости от разделяющего их расстояния.

В условиях сдвоенной конструкции всех частиц намного легче представить ситуацию, когда они поначалу образуют единую – когерентную – квантовую систему на обеих мембранах, а затем происходит деликатная эволюция половины системы лишь на одной из мембран. Иначе говоря, исследователи в одном из миров могут аккуратно разделять частицы – не ведая, что работают лишь с половинками пар – и разнести их далеко друг от друга без нарушения, или коллапса, их квантовых состояний.

При этом вторые половинки пар на другой мембране свое положение не меняют и по-прежнему остаются единой квантовой системой. Но если затем измерить – то есть подвергнуть фиксации – состояние одной из разнесенных частиц, то произойдет фиксация или схлопывание состояния и парной ей частицы на второй мембране. А значит, схлопывается вся эта «четверичная система» в целом. Из-за чего на мембране эксперимента другая частица в независимости от дальности тут же «почувствует», что состояние первой изменилось…

Вся эта схема, однако, может работать лишь в том случае, если частицы-пары (электрон-протон), живущие сразу на двух мембранах, способны легко и просто образовывать единое квантовое состояние с другими такими же парами. А возможность этого, увы, далеко не очевидна. Потому что практически все физические взаимодействия между частицами – за единственным исключением – должны происходить лишь в пределах одной мембраны. Иначе факт существования второго параллельного мира был бы давно уже установлен и подтвержден многочисленными экспериментами.

Единственное исключение составляет гравитация. Теория допускает, что гравитационное взаимодействие между мирами-бранами возможно. Однако эффекты гравитации настолько ничтожно малы в сравнении с остальными взаимодействиями, что квантовые эксперименты в этой области остаются делом гигантской сложности.

Не говоря уже о том, что и на теоретическом уровне красиво и убедительно встроить гравитацию в квантовую физику пока еще никому не удалось. Хотя общая схема объединения – через идею дискретной или гранулированной структуры пространства-времени – уже более-менее обозначилась. ^[8C]

(24)

Но прежде, чем разбираться с особенностями механизма, связывающего в модели квантовую гравитацию и квантовую сцепленность, целесообразно рассмотреть несколько важных идей и следствий, вытекающих из общей двухбранной конструкции. Одна из центральных здесь идей – это концепция вселенной как замкнутой односторонней поверхности. Самым простым примером такой поверхности является лента Мебиуса. ^[49][6C]

Соответственно, мир как лента Мебиуса является самым простым и естественным объяснением того, что количество положительных и отрицательных электрических зарядов во вселенной всегда равно друг другу. Так что суммарный электрический заряд мироздания неизменно остается равным нулю.

В науке физике, можно напомнить, этот факт предполагается, но никак не доказывается. В условиях ленты Мебиуса картина становится самоочевидной. Просто оттого, что любой положительный заряд протона в одном месте вселенной – это в то же время отрицательный заряд электрона где-то в противоположном конце мироздания.

Кроме того, особенности топологии ленты Мебиуса на самом деле содержат в себе много, много больше. Чуть ли не любой факт, установленный математиками для этого объекта, позволяет красиво объяснять известные, но плохо постижимые факты в устройстве природы.

Например, лента Мебиуса тесно связана со спином квантовых частиц. Известное значение спина 1/2 для массивных частиц-фермионов в геометрическом представлении означает, что для возвращения вращающейся частицы в исходное состояние ее ось надо перевернуть не на 360 градусов, как обычно, а на 720. То есть сделать два полных переворота.

Этот факт поначалу выглядел для теоретиков весьма странно и загадочно. Пока Поль Дирак не показал, что такая эволюция электрона на орбите соответствует движению частицы по ленте Мебиуса: когда один обход ленты приводит к изменению направления спина на антипараллельное, а для полного возврата надо сделать два оборота. ^[67]

При сочетании этой геометрической схемы с гидродинамической моделью осцилляций (по Бьеркнесу) появляется на удивление простое объяснение для целого ряда темных мест в физике электромагнитных взаимодействий частиц. Достоверно известно, например, что на каждой орбите атома может находиться лишь максимум два электрона, которые хотя и имеют одноименный заряд, но друг другу совершенно не мешают, имея антипараллельные спины.

Другой факт. Общепринятое объяснение сверхпроводимости построено на основе куперовских пар – электронов с антипараллельными спинами, которые без взаимного отталкивания объединяются по двое и движутся в проводнике без сопротивления. Наконец, из экспериментов со столкновениями протонов в ускорителях известно, что если спин протона-снаряда и спин протона-мишени антипараллельны, то одна частица проходит сквозь другую так, словно ее и нет вовсе. Вопреки, надо подчеркнуть, всем теоретическим предсказаниям. ^[59]

Нельзя не заметить, что во всех перечисленных фактах спины частиц, не вступающих в обычные электромагнитные взаимодействия друг с другом, направлены антипараллельно. То есть различаются на 180 градусов. Или на одну четверть от 720 градусов. Для физики XX века это ничего особенного не означает. Однако в теории пульсаций Бьеркнеса, разработанной почти полтора века назад, математически показано, что между частицами, осциллирующими с разностью фаз в одну четверть, никакого электромагнитного взаимодействия не происходит. ^[45]

(25)

Вполне возможно, что заманчивая идея об устройстве мира на основе ленты Мебиуса уже давно утвердилась бы в науке, если бы не одно препятствие совершенно принципиального характера. В терминах топологии эта проблема известна как различие между ориентируемыми и неориентируемыми поверхностями. Излагая попроще, для вещей нашего мира характерно очень четкое различие между перчатками правой и левой руки. А стрелки часов всегда идут лишь в одну сторону. Эту особенность именуют ориентируемостью пространства.

Лента же Мебиуса, как и прочие односторонние поверхности более сложной конфигурации, является неориентируемым пространством. То есть при однократном обходе такого мира обнаруживается, что правые перчатки превращаются в левые и наоборот. А стрелки часов могут двигаться по циферблату в противоположном направлении. Понятно, что с реальностью нашего мира такие особенности пространства не согласуются никак.

Тут, однако, пора вспомнить, что в исследуемой модели пространства поверхность не просто односторонняя, а состоит из двух близко соседствующих мембран. Примечательно, что именно такая – двухбранная – модель с 1990-х годов стала у физиков предметом очень глубокой теоретической проработки. В первую очередь, благодаря известной конструкции ^]45[ Петра Хоравы и Эда Виттена, которые с ее помощью продемонстрировали эквивалентность пяти конкурирующих теорий струн, прежде считавшихся несовместимыми. ^[84]

Более того, двухбранная модель «с перескоками» интересна еще и тем, что в приложении к ленте Мебиуса она способна превращать неориентируемую поверхность в более привычное нам ориентируемое пространство. Правда, для этого требуется нечто весьма необычное – чтобы и частицы, и все состоящие из них объекты при перескоках с браны на брану изменяли направление своего вращения на противоположное.

Необычно это тем, что именно такого рода переходы очень долгое время считались невозможными как в природе, так и в математике, занимающейся гладкими преобразованиями. Формулируя образно, полагалось самоочевидным, что для обращения направления закрученности вихря – иначе еще говорят «переворота киральности» – этот вихрь требуется сначала разрушить.

Однако на рубеже 1990-2000-х годов было установлено – и в теории, и на практике – что на самом деле вполне возможны и гладкие перевороты вихрей.

Сначала, в 1997 году, это было показано дуэтом струнных теоретиков, Евой Силверстейн и Шамитом Качру ^]46[. На основе двухбранной модели Хоравы-Виттена они продемонстрировали, что пространства соседних бран могут быть тесно связаны друг с другом через фазовые переходы частиц с одной мембраны на другую. Причем переходы такие происходят через весьма специфическое состояние системы, нетривиальную «точку сжатия в пространстве модулей», после прохода которой частицы меняют свою киральность на противоположную. ^[89]

Вскоре, в 2001, появился и близкий по сути экспериментальный результат. В области лазерной оптики международная группа исследователей из Испании и США сконструировала прибор, позволяющий не только добиваться переворота спиральности в закрученном винтом луче света, но и сделать снимки с подробностями работы этого механизма. ^]47[

Исследования феноменов нелинейной оптики, важные и сами по себе, особо интересны тем, что имеют много общего с физикой квантовых супержидкостей, вроде конденсатов Бозе-Эйнштейна (КБЭ). В частности, поведение квантовых вихрей в КБЭ и в лазерной оптике описывается сходными уравнениями.

Как показали эксперименты с лазером, после того, как спирально закрученный пучок света проходит через цилиндрическую линзу, прежде круглая сердцевина луча начинает сплющиваться в вытянутый эллипс, пока не вытягивается в исчезающе тонкую линию. А после того, как свет проходит через фокус линзы – или «точку сжатия» – эта линия снова превращается в эллипс, однако энергия в нем уже циркулирует в противоположном направлении…^[67]

(26)

Примечательная особенность в механизме переворота оптического вихря или «топологического заряда» – это экспериментально наблюдаемая фаза его вытягивания в узкую линию или тонкую вихревую трубку.

Результат этот особо интересен по двум причинам. Во-первых, тем, что картинка данного явления очевидно напоминает астрономические снимки спиральных галактик с перемычкой-баром в ядре. И тот же самый образ – в виде метафоры с крутящимся «разбрызгивателем воды на садовой лужайке» – часто фигурирует в популярных описаниях самых разных физических теорий – от ядерной физики до суперструн и квантовой гравитации. ^[56]

Во-вторых, весьма нетривиальная фаза тонкой вихревой трубки, возникающая при схождении двух соседних бран, может иметь, похоже, самое непосредственное отношение к решению большой теоретической проблемы под кратким названием SUSY или СУперСИмметрия. Но для начала имеет смысл хотя бы несколько слов сказать о собственно суперсимметрии.

В Стандартной Модели – как вершине современной квантовой физики – имеется довольно много искусственных натяжек, где правильные уравнения получаются подгонкой свободных параметров под результаты экспериментов. И есть понимание, что нужна новая теория, сохраняющая все сильные стороны старой, но объясняющая природу взаимодействий более естественным образом.

По многим своим свойствам на эту роль подходит так называемый принцип суперсимметрии. Базовая идея SUSY довольно проста. Если бы удалось найти в природе такую симметрию, которая каждому фермиону сопоставляет свой бозон, а каждому бозону, соответственно, находит свой парный фермион, то многие из серьезных проблем стандартной модели исчезли бы сами собой.

Формулируя тот же самый принцип чуть иными словами, для каждой имеющейся во вселенной частицы со спином 1/2 (фермиона) требуется парная ей частица со спином 1 (бозон). И наоборот.

При математическом анализе этой суперсимметричной картины выясняется и еще одна замечательная вещь. Выполнение двух последовательных суперсимметричных преобразований к системе таких частиц приводит к появлению той же самой системы, что была вначале, но только с другими пространственно-временными координатами. Иначе говоря, каким-то образом эта суперсимметрия преобразует пространство-время. А значит, открывается также и путь к постижению квантовой природы гравитации…

Короче говоря, математически вся эта картина полной симметрии выглядит чрезвычайно красиво и заманчиво. Однако в природе ничего похожего на суперсимметричных партнеров для известных частиц не наблюдается и близко. Но при этом интуиция подсказывает ученым, что надо упорно продолжать поиски СУСИ. Потому что – ну не может быть такая красота совершенно бесполезной.

Для того, чтобы плавно вернуться от SUSY к фазе тонкой вихревой трубки, возникающей при схождении бран, можно напомнить историю о том, как в теории струн родился известный ныне термин «суперструны». Когда в струнной теории научились объединять бозонные и фермионные поля в единую систему, то суперсимметрия возникла там автоматически – сама собой…

И дабы сделать длинную историю покороче, конкретно интересующая нас задача была подробно рассмотрена в 2005 году группой струнных теоретиков, включающей в себя уже упоминавшуюся Еву Силверстейн. Благодаря этому исследованию ^]48[, в частности, выяснилось, что эволюция вихревой трубки в процессе схождения-расхождения мембран сопровождается радикальными переменами в топологии поверхностей.

С одного конца трубки отрывается – или испускается – частица-тахион, покидающая пространство сдвоенной мембраны (важная, как выясняется, роль этих частиц будет рассмотрена чуть позже). На другом же конце трубки образуется другая частица с необычными свойствами. Частица имеет спин 2, что свойственно гравитону, но при этом как бы раздвоена, обладая «разделенной продольной модой»…

Поскольку после этого вихревая трубка исчезает, а мембраны расходятся с разрывом причинно-следственных связей между ними, итоговый результат исследования был сочтен теоретиками крайне озадачивающим. И что с этим делать дальше, осталось неясным. ^[8A]

Если же смотреть на открывшуюся картину с позиций несколько иной модели – где частицы-фермионы через фазу тонкой трубки  с переворотом киральности меняются местами при каждом сближении бран – то приоткрывается целый набор неожиданных ответов на давно поставленные в физике вопросы.

О том, в частности, что прекрасная SUSY действительно существует в природе во всей своей красе. И о том, почему нами она не наблюдается. И откуда-куда при СУСИ-преобразованиях сдвигается пространство-время. И о том, наконец, что же представляет собой гравитон – неуловимая частица квантовой гравитации.

 (Читать далее)

___

[45] Семейное дело, https://kniganews.org/map/e/01-00/hex45/

[49] Мебиус и электричество , https://kniganews.org/map/e/01-00/hex49/

[56] Как это крутится? https://kniganews.org/map/e/01-01/hex56/

[59] Словно один сквозь другого, https://kniganews.org/map/e/01-01/hex59/

[67] Спин на ленте Мебиуса, https://kniganews.org/map/e/01-10/hex67/

[6C] Резиновая геометрия, https://kniganews.org/map/e/01-10/hex6c/

[84] Раздвоение имеет значение, https://kniganews.org/map/w/10-00/hex84/

[89] Фазовые переходы с переворотом, https://kniganews.org/map/w/10-00/hex89/

[8A] Без паники – тахионы, https://kniganews.org/map/w/10-00/hex8a/

[8С] Петли и сети, https://kniganews.org/map/w/10-00/hex8c/

Внешние ссылки:

]45[. P. Horava and E. Witten, «Heterotic and Type I String Dynamics from Eleven dimensions,» Nucl. Phys. B460 (1996) 506, [arXiv:hep-th/9510209]

]46[. Sh. Kachru, E. Silverstein. «Chirality Changing Phase Transitions in 4d String Vacua«. 25 Apr 1997. [arXiv:hep-th/9704185]

]47[. Gabriel Molina-Terriza, Jaume Recolons, Juan P. Torres, Lluis Torner, and Ewan M. Wright. «Observation of the Dynamical Inversion of the Topological Charge of an Optical Vortex«, Physical Review Letters, vol 87, 023902 (Issue 2 – June 2001)

]48[. A. Adams, X. Liu, J. McGreevy, A. Saltman, E. Silverstein. «Things Fall Apart: Topology Change from Winding Tachyons«. JHEP 0510, 033 (2005) [arXiv:hep-th/0502021]

___