У найближчому майбутньому фізика може повернутися до піфагорівської ідеї світових гармоній. Але, зрозуміло, на новому рівні.
У 1968 році два молодих теоретики з ЦЕРНу, Габріеле Венеціано і Махіко Сузукі, займалися математичним аналізом зіткнень піонів (в застарілій номенклатурі - пі-мезонів). Подібні квантові колізії описують за допомогою матриці розсіювання, яка дозволяє знайти ймовірності переходів частинок, що зіштовхуються, з початкових станів в кінцеві.
У всякому разі її зазвичай обчислюють лише наближено. Венеціано і Сузукі незалежно один від одного помітили, що амплітуду парного розсіювання високоенергетичних піонів можна дуже точно виразити за допомогою маловідомої бета-функції, яку в 1730 році придумав Леонард Ейлер. У чистому вигляді її використовують рідко, і кажуть, що цернівскі фізики наткнулися на бета-функцію випадково, переглядаючи математичні довідники. Ця подія викликала у фізиці елементарних частинок велику сенсацію. Незабаром інші теоретики встановили, що амплітуда піон-піонного розсіювання насправді задається розкладанням в нескінченний ряд, перший і основний член якого як раз і збігається з формулою Венеціано-Сузукі.
А в 1970 році Ечіро Намбу, Тецуя Гото, Леонард Сасскінд і Хольгер Нільсен виявили воістину дивовижну річ. Вони вивели цю ж формулу, припустивши, що взаємодія між піонами, що зіштовхуються, виникає через те, що їх з'єднує нескінченно тонка нитка, яка коливається і підкоряється законам квантової механіки. Цей несподіваний результат дав поштовх винаходу моделей, що представляють елементарні частинки у вигляді надмікроскопічних одновимірних камертонів, які вібрують на певних нотах. Їх і стали називати струнами.
Перша версія теорії струн отримала назву бозонної, так як працювала тільки з цілочисловими спінами. Проте в 1971 році Джон Шварц, Андре Неві і П'єр Рамон знайшли узагальнення струнної концепції, яка описувала як бозони, так і ферміони, частинки з напівцілим спіном. У цій моделі з кожною бозонною струнною вібрацією поєднується парна їй ферміонна. У квантовій теорії поля таку відповідність між бозонами і ферміонами іменують суперсиметрією. Тому нову версію стали називати суперсиметричною теорією струн або, коротше, теорією суперструн.
Спочатку в ній бачили кандидата на загальну теорію сильної взаємодії між елементарними частинками. Але саме на початку 1970-х з'явилася квантова хромодинаміка, надзвичайно ефективний спосіб опису сильних взаємодій, оснований на кварковій моделі. Вона чудово узгоджувалася з експериментами і до того ж не виходила за рамки квантової теорії поля, яка вважалася універсальною основою фундаментальних пояснень мікросвіту. Теорія струн на цьому фоні виглядала чистою екзотикою, яка до того ж не могла похвалитися ні внутрішньою стрункістю, ні експериментальними підтвердженнями. Тому майже всі фахівці її просто проігнорували.
Юна теорія відразу ж зіткнулася і з труднощами іншого роду. У тому ж 1970 році американець Клод Лавлейс зауважив, що модель Венеціано математично коректна тільки в разі, якщо просторово-часовий континуум є 26-вимірним. Це ще можна було пережити, але незабаром Шварц, Неві і Рамон ввели в теорію струн спін і довели, що в такому вигляді вона може реалізуватися тільки в десятивимірному просторі-часу, що вміщає дев'ять просторових вимірів і один тимчасовий. Це був шок: фізикам ще жодного разу не доводилося стикатися з теорією, яка б сама вибирала розмірність. Рівняння механіки Ньютона, максвеловської електромагнітної теорії, СТВ, ЗТВ і квантової електродинаміки можна написати для будь-якого числа вимірів, і вони будуть працювати. А теорія суперструн неодмінно вимагала для себе простору-часу однієї певної розмірності і ні на що інше геть не погоджувалася (причому вимагала не звичний 4-вимірний простір-час). 6 вимірювань виявилися зайвими, і над «струнниками» стали сміятися. Шварц згадував, що Річард Фейнман якось єхидно запитав у нього: «Ну, Джон, так в яких вимірах ви живете сьогодні?» Здавалося, що моделі суперструн так і судилося залишитися чисто інтелектуальною вправою, що часто буває в теоретичній фізиці.
Порятунок прийшов з несподіваного боку. При вирішенні струнних рівнянь з'являлися замкнуті кільця, яким відповідали невідомі науці безмасові частинки зі спіном 2. Всі спроби від них позбавитися ні до чого не приводили - теорія просто розсипалася. Ці частинки безуспішно намагалися виявити в експериментах на прискорювачах. Проте Шварц і його паризький колега Джоел Шерк висунули сміливу гіпотезу, яка дозволила це ускладнення і представила всю теорію струн у зовсім новому світлі.
Теоретики багато років намагалися знайти квантову версію загальної теорії відносності. Це завдання було і залишається горішком особливої твердості. Рівняння ЗТВ пророкують існування гравітаційних хвиль, які при квантуванні перетворюються на гравітони, переносники сили тяжіння. Практично всі теоретики були згодні, що гравітони повинні володіти нульовою масою і подвійним спіном. І ось в 1974 році Шварц з Шерком заявили, що таємнича безмасова частинка струнної моделі і є гравітон! Звідси випливало, що теорія струн - це не метод опису сильних взаємодій, а математичний каркас для конструювання квантової теорії тяжіння. Вона не конкурент квантовій хромодинаміці, її завдання - об'єднати всі фундаментальні взаємодії і стати Теорією Всього.
Настільки неабияку заяву спочатку майже ніхто не підтримав. Висловлювалася думка, що «струнники» зазнали невдачі на сильних взаємодіях і тепер відчайдушно намагаються знайти для своєї моделі нове застосування. До того ж Шварц і Шерк прийшли до висновку, що довжина струни повинна становити 10-33 см. З об'єктами таких розмірів фізика ніколи не мала справи. Та ще в теорії суперструн виявилися дуже неприємні аномалії, наприклад порушення закону збереження енергії. І тому більшість теоретиків вважало за краще трудитися над об'єднанням квантової хромодинаміки та теорії електрослабкої взаємодії, що в середині 1970-х призвело до появи успішної Стандартної моделі елементарних частинок.
Але жменька ентузіастів продовжувала працювати, і врешті-решт їм посміхнулася удача. У 1984 році Джон Шварц і Майкл Грін довели, що аномалії теорії суперструн взаємно анулюють одна одну. В результаті інтерес до неї відродився, і до середини 1990-х вона вже існувала в п'яти різних формулюваннях. Різнобій протримався недовго: у 1995 році Едвард Віттен встановив, що ці формулювання є різними втіленнями єдиної суперструнної моделі, яку він охрестив М-теорією (чому - не цілком зрозуміло).
Віттен зробив навіть більше. Точні рівняння теорії суперструн складні і погано піддаються інтерпретації, і фізики надавали перевагу їхнім наближеним версіям. У деяких формулюваннях теорії струн з'являлися граничні випадки, які додавали до неї ще один просторовий вимір. Віттен показав, що це не випадковість: теорія суперструн з 10-вимірним простором-часом виявилася лише апроксимацією більш повної 11-вимірної структури!
Цей результат призвів до глибокої перебудови основ теорії. Віттен, Пол Таунсенд і ще кілька фізиків додали до одновимірних струн просторові різноманіття з великим числом вимірів. Двовимірні об'єкти стали називати мембранами, або 2-бранами, тривимірні - 3-бранами, структури з розмірністю p - p-бранами. Теорія струн перетворилася на теорію бран довільної розмірності - від 1 до 9. Однак одномірні струни все одно залишаються головними: саме їхні вібрації і проявляють себе у вигляді елементарних частинок. А ось брани обмежують свободу струнних рухів, причому тільки струн з вільними кінцями. Джозеф Полчінскі довів, що обидва кінці таких струн завжди закріплені або на одній і тій же брані, або на двох бранах, причому не обов'язково однакової розмірності. Замкнуті в кільця струни не мають кінців і можуть гуляти самі по собі, як кішка у Кіплінга.
Ця обставина дуже важлива. Зазвичай пишуть, що ми не відчуваємо присутності шести або семи додаткових просторових вимірів через те, що вони згорнуті в ультрамікроскопічні клубки (компактифіковані), які всі наші вимірювальні інструменти, від мікроскопів до надпотужних прискорювачів, не відрізняють від геометричних точок. Така інтерпретація стандартна, але не обов'язкова: електрони, кварки та інші частинки матерії представлені струнами з вільними кінцями. Це справедливо і щодо переносників електромагнітної взаємодії (фотонів), сильного (глюонів) і слабкого (W-і Z-бозонів). Якщо простір нашого Всесвіту - це 3-брана (що правдоподібно) і якщо всі «наші» частинки вкорінені в ній обома кінцями, вони не можуть його покинути і піти в інші різноманіття. Виходить, що ми замкнені в своєму просторі не через те, що з нього нікуди вийти, а тому, що він нас від себе не відпускає. У бранців замку Іф шансів на втечу було більше...
Проте шанси виявити вищі виміри все-таки є. Гравітон - це закільцьовані струни, і тому бранні кордони їм не перешкода. Вони можуть залишати наш 3-бранний і йти в інші виміри. Але якщо переносники гравітації здатні на це, то сила тяжіння повинна спадати із збільшенням відстані не за ньютонівським законом зворотних квадратів, а набагато швидше! Те, що ми цього не помічаємо, може свідчити про компактифікацію додаткових вимірів, що завжди приймала «до-бранівська» теорія суперструн. У цьому разі відхилення від ньютонівської формули повинні виявлятися лише на дуже малих дистанціях. Поки що вона перевірена з точністю до 0,1 мм і аберацій не виявлено. Так що можна припустити, що масштаб вищих вимірювань значно менший. Однак є й інші інтерпретації. Сім років тому гарвардський теоретик Ліза Рандал і її колега Раман Сандрум прийшли до висновку, що наші 3-брана в змозі утримувати гравітон своїм власним тяжінням. Якщо це так, то зовнішні виміри можуть бути хоч нескінченно великими, а закон Ньютона все одно буде виконуватися на будь-яких дистанціях.
