Теория струн как теория объединения

Таким образом, не нарушая общности, можно утверждать, что теория струн является одним из вариантов квантовой теории гравитации. Однако почему мы должны быть уверены в том, что теория струн - это реальный кандидат на окончательную теорию? Ответ прост. В теории струн каждая элементарная частица определяется как частный случай «колебания» одного по-настоящему элементарного микрообъекта - струны (по аналогии с музыкальным инструментом: различные режимы колебания (с различной амплитудой) струны приводят к различным издаваемым звукам). Например, одно из возможных «колебаний» может порождать гравитон - квант гравитационного поля. В то же время фундаментальным геометрическим объектом для всех частиц является одна и та же струна, т. е. как следствие теория струн описывает все элементарные частицы или взаимодействия на основе одной модели - струны. Например, говоря о процессе распада a ® f + 7 + d , мы уверены, что частица a распадается на частицы f ,7 и d (нейтрон распадается на протон, электрон и электронное нейтрино), однако в рамках теории струн это будет означать, что струна, «колебание» которой соответствует частице a, «распалась» на другие элементарные струны, «колебания» которых дают частицы f , 7 и d.

Существуют также другие аргументы в пользу того, что теория струн есть окончательная Теория Всего.

Поскольку теория струн - это в первую очередь математическая теория, более важным является вопрос о том, сколько может быть теорий струн. В настоящее время можно выделить два основных направления построения теорий. Одно из них обращает внимание на то, что струны могут быть «открытыми» (две конечные точки) и «закрытыми» (струна замкнута), причем мы можем также рассматривать теории и с «открытыми», и с «закрытыми» струнами (как правило, теории только с «открытыми» струнами не рассматриваются, поскольку они могут «замыкаться»). Другое направление - это разделение бозонных струнных теорий и суперструнных теорий. Теория бозонных струн строится в 26-мерном пространстве, где различные «вибрации» струны порождают бозоны. Поскольку эта теория не рассматривает фермионы, ее нельзя назвать в числе основных претендентов, однако она намного проще, чем теория суперструн, и также позволяет объяснить основные моменты описания взаимодействия всех четырех фундаментальных физических взаимодействий. Теория суперструн строится в 10-мерном пространстве и включает описание и бозонов, и фермионов, которые связаны одной суперсимметрией.

К середине 1980-х гг. было разработано уже пять суперструнных теорий. К началу 1990-х гг. Эдвард Виттен и ряд других физиков-теоретиков обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи не разработанной пока 11-мерной теории. В 1995 г. Виттен, на теперь уже эпохальной конференции в Лос-Анджелесе назвал ее М-теорией. Считается, что все пять суперструнных теорий связаны между собой, как если бы они были частными случаями одной фундаментальной теории. Эти теории связаны преобразованиями, называемыми дуальностями. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием), это означает, что первую из них можно преобразовать некоторым обра- зом, так что один из ее пределов будет иметь вид второй из этих теорий. Более того, дуальности связывают величины, которые ранее считались принципиально различными, например, большие и малые масштабы, которые всегда считались совершенно четкими пределами поведения физических систем как в классической теории поля, так и в квантовой.

Строго и технически говоря, М-теория - это неизвестная 11-мерная теория, нижним энергетическим пределом которой является теория супергравитации, «объединяющая» различными дуальными связями все известные 10-мерные теории суперструн. Однако многие используют этот термин для обозначения неизвестной теории, которая, как считается, является более фундаментальной и специальным пределом которой являются суперструнные теории. До сих пор неизвестно, что это за фундаментальная теория, «стоящая за спиной» у теории струн. По мнению Виттена, «исходя из всех соотношений это должна быть очень интересная и богатая теория, у которой масштабы расстояний, сила связей и даже число измерений не фиксировано, а может изменяться в зависимости от нашей точки зрения».