Мы уже упоминали «программу объединения», которую Эйнштейн пытался осуществить в течение 30 лет. Эта программа не была реализована в том смысле, что она не привела ни к какому явному результату, способному охватить общую теорию относительности и квантовую теорию и объяснить необходимость разных типов взаимодействий в физике. Тем не менее примечательно, что та теория, которая активно развивается в настоящее время посредством совершенно новых методов, кажется способной реализовать надежды Эйнштейна об объединении. Изначально она получила название «теория струн», поскольку ее исходная идея заключается в том, что элементарные составляющие материи (и силы) являются струнами, а не точечными частицами, как предполагалась ранее.

Напомним, что в течение двух тысячелетий, с тех пор как древнегреческие философы впервые заговорили об атомах и пустоте, материя представлялась состоящей из точечных частиц. Западная физика добавила понятие силы и выявила, что источником этой силы является непрерывное поле, создаваемое материей. Можно представить себе, например, электрическое поле, создаваемое заряженными частицами. Но в 1905 г. Эйнштейн выдвинул революционную идею, что электромагнитное поле фактически состоит из точечных корпускул, квантов света или фотонов. Работы Гейзенберга, Дирака, Йордана, Паули и др. в 1930-е гг. показали, как математический формализм квантовой теории позволяет примирить кажущиеся противоречивыми свойства непрерывного поля и локализованных частиц. Затем благодаря, в частности, работам американского физика Ричарда Фейнмана было показано, что возможно реконструировать полную теорию «квантовых полей», используя основные постулаты квантовой теории динамики точечных частиц.

Теория «квантовых струн» определяется, применяя эти же базовые квантовые постулаты к динамике упругих релятивистских струн. Каждая струна подобна «резинке», т. е. тонкой резиновой ленте. При этом она может быть «замкнутой», т. е. замкнуться в петлю, или же «открытой», т. е. заканчиваться с двух сторон. Релятивистская струна обладает внутренней напряженностью, которая стремится уменьшить ее длину. Точнее, эта напряженность, если бы ей ничто не противодействовало, свела бы длину струны к нулю. В противоположность обычной резинке, которая обладает в состоянии покоя ненулевой длиной и становится напряженной, только если ее растягивать, релятивистская струна всегда находится в напряжении, тогда как ее «длина в состоянии покоя» равна нулю. Таким образом, релятивистская струна может иметь ненулевую длину, только если она не находится в состоянии покоя, а возбуждается непрерывным движением. Например, струна может равномерно вращаться вокруг себя, как фигурист, который крутится на льду с распростертыми руками, или же может совершать колебательные движения во всевозможных направлениях, как танцор хип-хопа.

Мы не будем здесь вдаваться в детали квантовой теории релятивистских струн и ограничимся лишь общей информацией. Эта теория была предложена в 1968 г. в работе Габриеле Венециано. В течение последующих 30 лет она развивалась в работах большого числа физиков, среди которых необходимо отметить Габриеле Венециано, Мигеля Вирасоро, Пьера Рамона, Андре Неве, Джона Шварца, Джоэла Шерка, Майкла Грина, Александра Полякова и Дэвида Гросса. Затем ученые, в частности Пол Таунсенд, Джозеф Польчинский и Эдвард Виттен, осознали, что помимо струн эта теория предполагает также существование более сложных протяженных объектов, таких как упругие мембраны (подобные резиновым мячам) или в более общем случае p-браны, т. е. объекты, протяженные в p пространственных направлениях.

Два столпа, на которых стоит теория струн, – это специальная теория относительности (1905 г.) и квантовая теория. Первоначальная формулировка теории струн полностью игнорирует общую теорию относительности. Тем не менее весьма примечательно, что теория струн, как оказывается, содержит в качестве подсектора общую теорию относительности. Это довольно удивительно, поскольку в качестве отправной точки теория струн предполагает четкое разделение между жестким резервуаром (пространство-время Минковского) и эластичным наполнением (струны). Однако в конечном счете оказывается, что в соответствии с теорией наполнение в некотором смысле частично передает свою упругость резервуару, в результате чего он становится эластичным пространством-временем общей теории относительности.

С этой точки зрения теория струн (частично) реализует одну из идей Эйнштейна, согласно которой гравитация, описываемая как пространственно-временная деформация, является не дополнительным атрибутом реальности, но, скорее, чем-то неотъемлемым, что должно играть фундаментальную роль. Более того, оказывается, что теория струн предсказывает более богатую геометрическую структуру пространства-времени, нежели та, что используется в общей теории относительности. Было установлено, что некоторые из новых геометрических структур, предложенных теорией струн, удивительным образом связаны с «последней единой теорией», над которой Эйнштейн работал до последнего дня.

Другая идея Эйнштейна заключалась в объединении электромагнитного поля (Максвелла) с гравитационным полем (в смысле Эйнштейна). Многие считали, что эта надежда была тщетной и наивной. Удивительно, однако, что теория струн, похоже, абсолютно нетривиальным образом «объединяет» электромагнитные взаимодействия (а также их обобщения, так называемые «калибровочные взаимодействия» или «взаимодействия Янга – Миллса») с гравитацией Эйнштейна. Это объединение пока что выглядит таинственным, однако, как предполагается, оно может содержать важный ключ к дальнейшему развитию теории. Интересно отметить также, что в некотором смысле электромагнитное поле связано c открытыми струнами (имеющими два конца), в то время как гравитационное поле связано с замкнутыми струнами.

Эйнштейн также надеялся устранить «точечные сингулярности», возникающие в пространстве-времени Минковского при рассмотрении полей точечных источников. Он полагал, что гравитация может заменить эти особенности регулярными зонами, такими как «мосты Эйнштейна – Розена», которые он изучал в 1935 г. Теория струн опять-таки кажется способна реализовать эту надежду весьма нетривиальным образом. Действительно, некоторые недавние работы по теории струн показывают глубокую и загадочную эквивалентность между источниками определенных полей, аналогичных электромагнитному полю, и деформированным пространством-временем. Если пренебречь гравитацией, эти источники (так называемые браны Дирихле) порождают особенности поля. Однако при учете эффектов гравитации производимое ими деформированное пространство-время становится полностью регулярным. Кроме того, эти деформированные версии пространства-времени содержат геометрические структуры, подобные мостам Эйнштейна – Розена. Наконец, что действительно замечательно, эквивалентность, о которой мы только что говорили, позволяет идентифицировать определенные процессы и их результаты, обладающие типично квантовой природой, с неквантовыми, геометрическими явлениями.

Как мы видим, многие надежды Эйнштейна, таким образом, находят неожиданную реализацию в наиболее передовой физике. Тем не менее необходимо обратить внимание на тот факт, что контекст, в котором эти надежды частично реализуются, сильно отличается от изначально предполагаемого самим Эйнштейном. В частности, принятие квантовой теории в качестве отправной точки является необходимым условием для того, чтобы в теории струн происходили только что описанные нами явления.