76

Если мы наивно попытаемся просто соединить квантовую теорию с общей теорией относительности, то обнаружим математические нестыковки, которые почти целое столетие ставили физиков в тупик. К примеру, попытавшись просчитать рассеяние двух гравитонов (частиц гравитации), мы получим в ответе бесконечность, что не имеет смысла. Фундаментальная проблема физиков-теоретиков состоит в том, чтобы объединить гравитацию с квантовой теорией так, чтобы ответы получались конечными.

Пока единственным известным способом устранить эти бесконечности является теория струн. Она имеет мощный набор симметрий, в которых бесконечности компенсируют одна другую, поскольку в теории струн у каждой элементарной частицы имеется партнер, называемый счастицей. Бесконечности, исходящие из обычных частиц, в точности компенсируются бесконечностями, исходящими от счастиц, и вся теория становится конечной. Теория струн — единственная в физике теория, которая сама выбирает для себя размерность. Дело в том, что эта теория симметрична по суперсимметрии. Вообще, все частицы во Вселенной делятся на два типа: бозоны (с целым спином) и фермионы (с полуцелым спином). С увеличением числа измерений пространства-времени число фермионов и бозонов также возрастает. В целом число фермионов возрастает быстрее, чем число бозонов, однако на 10 измерениях для струн и на 11 для мембран, таких как сферы и пузыри, две кривые пересекаются. Поэтому непротиворечивая теория струн возможна только при 10 и 11 измерениях.

Установив число измерений пространства-времени равным 10, мы получим непротиворечивую теорию струн. Однако существует пять различных типов теории струн для 10 измерений. Физику, занятому поиском окончательной теории пространства-времени, трудно поверить, что непротиворечивых теорий струн должно быть целых пять. Ведь нам нужна только одна теория. (Один из вопросов, заданных Эйнштейном, звучал так: «Был ли у Бога выбор, когда он творил Вселенную? Уникальна ли она?»)

Эдвард Виттен показал, что эти пять теорий струн можно объединить в единую уникальную теорию, если добавить одиннадцатое измерение. Эта теория (так называемая М-теория) включает в себя не только струны, но и мембраны. Если начать с мембраны в 11 измерениях, а затем убрать одно из них (сплющить или срезать), то выяснится, что существует пять способов превратить мембрану в струну, что и дает нам те самые пять вариантов теории струн. (К примеру, сплющив надувной мяч, мы превратим 11-мерную мембрану в 10-мерную струну.) К сожалению, мы не знаем, на какой фундаментальной теории основывается М-теория. Известно лишь, что, если снизить число измерений с 11 до 10, М-теория сводится к каждой из пяти различных струнных теорий и что на нижней энергетической границе М-теория сводится к 11-мерной теории супергравитации.