[Перевод] Как искать признаки наличия дополнительных измерений


Я уже давал вам несколькопримеров того, как в природе могут быть представлены дополнительные измерения — измерения в пространстве, о которых мы и не подозреваем. Но пока я ещё не объяснял, как учёные могут узнать об их существовании.

Здесь можно использовать несколько основных стратегий, но пока я сконцентрируюсь на одном простом последствии существования дополнительных измерений. Оно имеет весьма общий характер и приводит к стратегии изучения физики частиц, имеющей отношение ко многим исследованиям, включая и эксперименты на Большом адронном коллайдере.

Моё объяснение пойдёт в два этапа. На первом этапе при помощи простейшей физики я дам вам интуитивное понимание, простое, но неидеальное (поскольку в нём не будет учитываться квантовая механика), и предоставлю частично неправильный ответ. На втором шаге я исправлю неточность, что потребует ещё одного дополнительного усложнения, и затем вы увидите ответ целиком.
Но перед тем, как начать объяснение, я сначала сразу дам вам ответ, чтобы вы понимали, что мне нужно будет вам объяснить. Вот он — в нескольких вариантах, чтобы вам было понятнее.

Любая частица, двигающаяся в измерениях, дополнительных к уже известным нам, будет казаться таким, как мы с вами, наивным наблюдателям, не имеющим представления о дополнительных измерениях, частицами нескольких типов, каждая из которых движется только в известных нам измерениях, и различия между которыми совсем малы, если не считать их масс.

Иначе говоря: если частица определённого типа может двигаться во всех измерениях, то неосведомлённому наблюдателю будет казаться, что в природе есть не только эта частица (двигающаяся только в известных ему измерениях), но целый набор сопутствующих частиц, «КК-партнёров», каждая из которых также двигается в известных направлениях, немного отличающихся от первоначальной частицы, кроме того, что они будут тяжелее. «КК» обозначает теорию Калуцы — Клейна, о которой позже.

Допустим, мы живём в четырёх пространственных измерениях, три из которых большие (известные нам), а четвёртое — очень короткое (такое, как ширина полоски, которую я использовал в предыдущих примерах). Под коротким подразумевается реально короткое расстояние, меньше диаметра протона. Назовём это расстояние L.

Теперь представим, что существует частица, очень-очень малая, меньше L, которая может свободно двигаться во всех четырёх пространственных измерениях. Также допустим существование хитроумных наблюдателей, которым известно, что эта частица может двигаться в четырёх измерениях и обладает массой m. Теперь рассмотрим наивных наблюдателей, нас, не знающих о мелком пространственном измерении, считающих, что они живут в трёхмерном мире. После некоторых экспериментов, указанных на рис. 1, мы можем сказать: «вот один тип частицы, которая может двигаться в трёх измерениях, и у неё масса m; а вот, глядите, ещё один тип частицы, тоже способной двигаться в трёх измерениях, и она похожа на первую, только её масса M, гораздо больше, чем m; и, ух ты, вот ещё один тип частицы, способной двигаться в трёх измерениях, похожей на первую, только у неё масса M’, больше M; и ещё один тип частицы, массы M»; и ещё, и ещё…»


Рис. 1

Массы M, M’, M” и так далее определяет комбинация фундаментальной массы m и геометрии дополнительных пространственных измерений — в частности, M, M’, M” и так далее обратно пропорциональны L. Чем меньше L, тем больше M, M’, M” и так далее, и тем сложнее найти тяжёлых КК-партнёров. Более того, последовательность масс, проявляющихся у КК-партнёров, даёт прямое указание на количество, размер и форму дополнительных измерений. Можно дать музыкальную аналогию — этот факт связан с тем, что точные гармоники, выдаваемые инструментом, могут дать информацию о его форме и размере.

Например: если бы фотоны (частицы света) могли двигаться в одном или нескольких дополнительных измерений, подобно лодке в канале, тогда наблюдатель, которому было бы известно о дополнительных измерениях, описал бы их как безмассовые частицы (m=0), двигающиеся во всех измерениях. Но учёный-человек, которому пока что известен лишь безмассовый фотон, движущийся в трёх известных измерениях, открыл бы набор тяжёлых частиц, похожих на фотоны. Чем меньше размер дополнительного измерения, тем больше массы КК-фотонов, и тем сложнее их открыть — точнее, тем они тяжелее, и тем больше энергии потребуется ускорителю частиц, чтобы их породить.

Вполне может быть так, что несколько типов частиц могут двигаться в дополнительных измерениях, и в этом случае учёные откроют тяжёлых КК-партнёров для каждого из этих типов частиц (см. рис. 2). Открытие небольшого количества тяжёлых частиц, напоминающих некоторые из известных лёгких частиц, чьё распределение масс продемонстрирует похожее на рис. 2 распределение будет явно говорить о том, что новые частицы — это КК-партнёры, и что у нас есть одно или несколько дополнительных измерений.


Рис. 2

Это и есть простой ответ: частица, перемещающаяся как в дополнительных измерениях, так и в известных, откроет нам себя через обнаружение своих тяжёлых КК-партнёров. Позже я более точно опишу, как можно попытаться произвести и открыть КК-партнёров в эксперименте. В следующих статьях я опишу, почему именно этот ответ будет правильным — и приведу простой и сложный вариант объяснения.