Чтобы ответить на вопрос о том, почему возможные энергии однородных колебаний равны целым кратным 1/R, достаточно лишь вспомнить обсуждение квантовой механики (в частности, примера с ангаром) в главе 4. Там мы узнали о том, что согласно квантовой механике энергия, как и деньги, существуют в виде дискретных порций, т.е. в виде целых кратных различных энергетических единиц. В случае однородного колебательного движения струны во вселенной Садового шланга эта энергетическая единица в точности равна 1/R, как объясняется в основном тексте на основе соотношения неопределенностей. Таким образом, энергия однородных колебаний равна произведению целых чисел на 1/R.
Математически равенство энергий струн во вселенной с радиусом циклического измерения R или 1/R есть следствие формулы для энергии v/R + wR, где v — колебательное число, а w — топологическое число. Данное уравнение инвариантно относительно одновременных взаимных замен v на w и R на 1/R, т.е. при перестановке колебательных и топологических чисел с одновременной инверсией радиуса. Мы используем планковские единицы, но можно работать и в более привычных единицах, если переписать формулу для энергии через так называемую струнную шкалу v?', значение которого примерно равно планковской длине, т.е. 10 ?33 сантиметра. В результате энергия записывается в виде выражения v/R + wR/?', инвариантного относительно взаимной замены v на w и R на ?'/R, где последние две величины выражены в стандартных единицах расстояния.
У читателя может возникнуть вопрос, каким образом с помощью струны, намотанной вокруг циклического измерения радиусом R, можно измерить значение радиуса 1/R. Хотя этот вопрос совершенно правомерен, ответ на него, в действительности, заключается в том, что сам вопрос сформулирован некорректно. Когда мы говорим, что струна намотана на окружность радиуса R, мы с необходимостью используем определение расстояния (чтобы фраза «радиус R» имела смысл). Однако это определение расстояния относится к модам ненамотанной струны, т.е. к колебательным модам. С точки зрения этого определения расстояния (и только этого!) конфигурация намотанной струны выглядит так, что струна обернута вокруг циклической компоненты пространства. Однако с точки зрения другого определения расстояния, соответствующего конфигурациям намотанных струн, топологические моды точно так же локализованы в пространстве, как и колебательные моды с точки зрения первого определения, и радиус, который они «видят», равен 1/R, что и отмечено в тексте.
Эти пояснения дают некоторое представление о том, почему расстояния, измеренные с помощью намотанных и ненамотанных струн, обратно пропорциональны друг другу. Однако, так как данный момент достаточно тонкий, возможно, имеет смысл привести технические подробности для читателя, склонного к математическому образу мышления. В обычной квантовой механике точечных частиц расстояние и импульс (по существу, энергия) связаны преобразованием Фурье. Иными словами, собственный вектор оператора координаты |x} на окружности радиусом R можно определить как |x} = ?veixp|p}, где p = v/R, а |p} есть собственный вектор оператора импульса (прямой аналог того, что мы называли общей колебательной модой струны — движение без изменения формы). В теории струн, однако, есть еще один собственный вектор оператора координаты | x'}, определяемый состояниями намотанной струны: |x'} = ?veix'p'|p'}, где |p'} — собственный вектор для намотанной струны с p' = wR. Из этих определений немедленно следует, что x периодична с периодом 2?R, а x' периодична с периодом 2?/R, так что x есть координата на окружности радиусом R, а x' — координата на окружности радиусом 1/R. Более конкретно, можно рассмотреть два волновых пакета |x} и | x'}, распространяющихся из начала координат и эволюционирующих во времени, с помощью которых можно дать практическое определение расстояния. Радиус окружности, измеренный с помощью каждого из пакетов, будет пропорционален времени возвращения пакета в исходную точку. Так как состояние с энергией E эволюционирует с фазовым множителем, пропорциональным Et, видно, что время, а, следовательно и радиус, равны t ~ 1/E ~ R для колебательных мод и t ~ 1/E ~ 1/R для топологических мод.
Для читателя, сведущего в математике, отметим, что число семейств колебательных мод струны равно половине абсолютного значения эйлеровой характеристики многообразия Калаби-Яу, как указано в примечании [92] к главе 9. Эта величина равна абсолютному значению разности h2,1 и h1,1, где hp,q обозначает число Ходжа (p,q). С точностью до константы эти значения равны числу нетривиальных гомологии 3-циклов (трехмерных отверстий) и числу гомологии 2-циклов (двумерных отверстий). Таким образом, хотя в основном содержании говорится о полном числе отверстий, более точный анализ показывает, что число семейств зависит от абсолютного значения разности между числами четномерных и нечетномерных отверстий. Выводы, однако, те же самые. Например, если два пространства Калаби-Яу отличаются перестановкой соответствующих чисел Ходжа h2,1 и h1,1, то число семейств частиц — полное число отверстий — не изменится.
Название объясняется тем, что «ромбы Ходжа», математические выражения чисел отверстий различных размерностей для пространств Калаби-Яу, являются зеркальными отражениями друг друга для каждой зеркальной пары.
