Оказалось, что при слабой связи и малой энергии М-теория превращается в 11-мерную теорию супергравитации! Таким образом, последняя, до этого стоявшая особняком, включилась в общую картину мира. Однако 11-мерность может породить только две теории суперструн. Остальные три не смогли произойти из первых двух, и был сделан шаг к увеличению размерности.

Для вывода из одного источника всех теорий суперструн требуется 12-мерное пространство, где наряду с 10-пространственными измерениями имеются два времени. Но в то время как каждая из пяти теорий суперсимметрична, никакой суперсимметрии в 12-мерном пространстве нет.

Следовательно, создание теории суперструн связано с проблемой единой физической теории о мироздании.

Мировой лист

Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве — времени (мировая линия).

Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве — времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом.Любую точку на мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых — время, а другое — положение точки на струне.

Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве — времени. Мировой лист замкнутой струны — это цилиндр или трубка, сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.

Два куска струны могут соединиться в одну струну; в случае открытых струн они просто смыкаются концами. Аналогичным образом кусок струны может разрываться на две струны. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец.

Испускание и поглощение одной частицей другой отвечает соединению и разделению струн. Например, гравитационная сила, с которой Солнце действует на Землю, в теориях частиц изображалась как результат испускания какой-нибудь частицей на Солнце гравитона и последующего его поглощения какой-нибудь частицей на Земле.

В теории струн этот процесс изображается Н-об-разным соединением трубок. Две вертикальные стороны соответствуют частицам, находящимся на Солнце и на Земле, а горизонтальная поперечина отвечает летящему между ними гравитону.

Теория струн имеет очень необычную историю.

Она возникла в конце 1960-х годов при попытке построить теорию сильных взаимодействий. Идея была в том, чтобы частицы типа протона и нейтрона рассматривались как волны, распространяющиеся по струне. Тогда силы, действующие между частицами, соответствуют отрезкам струн, соединяющим между собой, как в паутине, другие участки струн. Для того чтобы вычисленная в этой теории сила взаимодействия имела значение, отвечающее эксперименту, струны должны быть эквивалентны резиновым лентам, натянутым с силой около десяти тонн.

В 1974 году парижанин Джоэль Шерк и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали работу, в которой было показано, что теория струн может описывать гравитационное взаимодействие, но только при значительно большем натяжении струны — порядка единицы с тридцатью девятью нулями тонн. В обычных масштабах предсказания такой струнной модели и общей теории относительности совпадали, но начинали различаться на очень малых расстояниях, меньших одного сантиметра, деленного на единицу с тридцатью тремя нулями.

Однако эта работа не привлекла особого внимания, потому что как раз в то время многие отказались от первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, обратившись к теории кварков и глюонов, результаты которой значительно лучше согласовались с экспериментом. В 1984 году интерес к струнам неожиданно возродился. На то было, по-видимому, две причины.

Во-первых, никто не мог ничего добиться, пытаясь показать, что супергравитация конечна или что с ее помощью можно объяснить существование всех разнообразных частиц, которые мы наблюдаем. Второй причиной стала публикация статьи Джона Шварца и Майка Грина из лондонского Куин-Мэри-колледжа, в которой было показано, что с помощью теории струн можно объяснить существование части с левой спиральностью, как у некоторых из наблюдаемых частиц.

Но струнные теории содержат серьезную трудность: они непротиворечивы лишь в 10- или 26-мерном пространстве — времени, а не в обычном четырехмерном! Лишние измерения — это обычное дело в научной фантастике, там без них и в самом деле почти невозможно обойтись — пришлось бы путешествовать в космосе неизмеримо долго. А так путь можно сократить, проходя через лишнее измерение.

Но почему же мы не замечаем всех этих дополнительных измерений, если они действительно существуют? Почему мы видим только три пространственных измерения и одно временное?