Маленькая книга о большой теории струн - [48]

При столкновениях тяжёлых ионов создаются условия, похожие на только что рассмотренный пример с водой, обтекающей камень, за исключением того, что тут нет ни воды, ни камней. Аналогия состоит в том, что сильновзаимодействующая кварк-глюонная плазма своим поведением напоминает низковязкую воду, состоящую из отдельных слоёв, свободно скользящих друг относительно друга, а пучок свободных частиц, редко сталкивающихся друг с другом, — высоковязкий пар. Тот факт, что наилучшее соответствие экспериментальным данным даёт аналогия с низковязкой жидкостью, стал сюрпризом для физиков, а предварительные оценки вязкости, полученные на основе квантовой хромодинамики, оказались неверными: они предсказывали, что кварки и глюоны должны вести себя скорее как пар, нежели как вода.

Ещё одно потрясение ожидало исследователей, когда обнаружилось, что горизонт чёрной дыры имеет вязкость, сопоставимую с той, которая необходима для описания столкновений тяжёлых ионов. Эти теоретические результаты были получены на основе струнно-калибровочной дуальности, о которой я рассказывал в шестой главе. Дальнейшие изыскания показали, что многие аспекты столкновений тяжёлых ионов имеют близкие аналогии с описанием гравитационно-связанных систем. В описаниях таких систем всегда используется дополнительное измерение, но это не одно из тех дополнительных измерений, которые используются в теории струн. Это дополнительное измерение — пятое измерение, которое присутствует в названии главы, — не является свёрнутым, оно ортогонально четырём обычным измерениям, но мы не можем двигаться в нём привычным образом. Оно описывает энергетическую шкалу — характерные значения энергий различных физических процессов. Объединив пятое измерение с четырьмя привычными и любимыми измерениями реального мира, вы получите искривлённое пятимерное пространство-время. Это пространство-время «кодирует» информацию о температуре, потерях энергии и вязкости в своей геометрии. В последнее время много усилий тратится на то, чтобы установить соответствие между пятимерной геометрией и физикой кварк-глюонной плазмы.

Что мы имеем в итоге: мягкие процессы, мешающие физикам разбираться в протон-протонных столкновениях в БАК, становятся ещё более многочисленными в экспериментах по столкновению тяжёлых ионов, где они ведут к образованию кварк-глюонной плазмы. Кварк-глюонная плазма не может быть удовлетворительно описана в терминах взаимодействий отдельных частиц. Её свойства лучше всего становятся понятны, если описывать их в терминах чёрных дыр в пятимерном пространстве с привлечением струнно-калибровочной дуальности.

Чёрные дыры в пятимерном пространстве

В главе 6 я попытался рассказать о струнно-калибровочной дуальности. Взаимодействие струн, прикреплённых к D3-бранам, описывается калибровочной теорией, напоминающей квантовую хромодинамику. Изменяя свободный параметр этой теории, взаимодействие струн можно сделать более сильным или более слабым. Если мы сделаем взаимодействие струн очень сильным, то тепловые состояния лучше всего будут описываться в терминах горизонта чёрной дыры, окружающего D3-браны. Этот горизонт трудно изобразить наглядно, поскольку он представляет собой восьмимерную гиперповерхность в десятимерном пространстве. Упрощённо я представляю себе эту гиперповерхность в виде трёхмерной поверхности, параллельной трём пространственным измерениям нашего мира и отстоящей от неё в пятом измерении на расстояние, зависящее от температуры. Чем выше температура этой трёхмерной поверхности, тем меньше расстояние, на которое она удалена от нашего мира в пятом измерении. Это несовершенная визуализация. Она не отражает того факта, что пятое измерение не похоже на привычные нам четыре. Наш четырёхмерный мир является как бы тенью пятимерной реальности. Но, в отличие от тени, которую мы видим только в солнечный день, наш четырёхмерный опыт несёт не меньше информации, чем пятимерная реальность, стоящая за ним. Четырёхмерное и пятимерное описания на самом деле эквивалентны. Эта эквивалентность хотя и неочевидная, но точная: любое утверждение, которое можно сформулировать в четырёхмерной физике, имеет аналог в пятимерной, и наоборот.

Другие дуальности теории струн обладают похожими метафорическими качествами. Вспомним, к примеру, дуальность между десятимерной теорией струн и одиннадцатимерной M-теорией, включающую эквивалентность D0-бран и движущихся по окружностям частиц. Особое очарование струнно-калибровочной дуальности в том, что вместо установления отношения между двумя абстрактными теориями в размерностях, лежащих за пределами человеческих представлений, она имеет дело непосредственно со знакомой нам четырёхмерной физикой, используемой для описания кварков и глюонов. Таким образом, эквивалентные объекты на пятимерной стороне дуальности имеют особое значение. Наиболее важным для нашего разговора является отношение между кварк-глюонной плазмой, создаваемой при столкновениях тяжёлых ионов, и пятимерным горизонтом чёрной дыры. Справедливым это отношение делают в первую очередь высокие температуры, достигаемые в столкновениях тяжёлых ионов, расплавляющие нуклоны в составляющие их глюоны и кварки. Нуклоны сами по себе очень трудно отразить на пятимерное пространство, отдельные кварки и глюоны — тоже, а вот коллективное поведение сильновзаимодействующих кварков и глюонов транслировать в пятое измерение очень просто: рой частиц переходит в горизонт.