Пол Хэлперн - Коллайдер

Примерно в то же время Таунсхенд, его коллега Майкл Дафф и другие теоретики обнаружили глубокие связи между струнами и мембранами, получившие названия дуальностей. Дуальность - это, грубо говоря, математическое тождество двух случаев, когда в уравнениях пару значений некоторой переменной меняют местами. Например, при прочих равных физических условиях вместо микроскопически малого радиуса подставляют большой. Это как в карточных играх: если какая-то масть объявлена козырной, то вытащенная из колоды «маленькая» карта приобретает значительный вес и дает игроку шанс, побив даже тузы других мастей, выйти победителем. Аналогично в мембранной теории: подстановка вместо больших значений маленьких помогает доказать определенные тождества.

На мембранную теорию физическое сообщество почти не обращало внимания вплоть до середины 90-х гг. прошлого века. Но потом группа теоретиков обнаружила набор дуальностей, с помощью которого удавалось свести воедино все пять разновидностей теории струн. Когда в начале 80-х струнная теория начала серьезно претендовать на звание теории всего сущего, оказалось, что ее формулировка - при соблюдении всех разумных требований - допускает разночтения: по научной терминологии это типы I, IIa, IIb, а также гетеротические теории струн О и Е-типа. Физики только недоуменно разводили руками, ведь теория всего сущего должна быть одна. Как выбрать из этих версий ту самую?

Это как если бы несколько свидетелей преступления давали противоречивые показания. Один бы сказал: «Преступник был одет в длинный серый плащ», а второй убеждал бы следователя: «Нет, на нем была синяя куртка». И только потом криминалист догадался бы, что всему виной игра света и тени, которая и изменила внешность злодея. Из-за тени, отбрасываемой навесом под определенным углом, куртка визуально потемнела и удлинилась. Так и дуальности, подаренные нам мембранной теорией, помогли понять, что, меняя точку зрения, все пять вариантов теории струн можно сводить один к другому.

В 1995 г. на конференции, проходившей на юге Калифорнии, ведущий специалист по теории струн Эд Виттен торжественно заявил об открытии «дуальности дуальностей», позволяющей описать весь струнный ассортимент в рамках единой схемы, которую он назвал М-теорией. Расшифровывать этот термин Виттен отказался и вопрос о его значении оставил открытым. Например, буква «М», считал он, может означать «магическая», «матричная» или «мистическая». Остальным тут же в голову пришли «мембраны» и «мать всех теорий». На волне эйфории, вызванной этим заявлением, и чувствуя, что теория струн вот-вот приобретет законченную форму, теоретики окрестили столь эпохальное событие второй струнной революцией. (Первая случилась в 80-х, когда стало ясно, что в теории струн отсутствуют математические аномалии).

Один из свободных параметров объединенной теории струн - это размер так называемых больших дополнительных измерений (размерностей). В этой иерархии различают несколько типов измерений. Во-первых, это три пространственных измерения - длина, ширина и высота, которые вместе с временной координатой образуют четырехмерное пространство-время. Во-вторых, есть маленькие «компактифицированные» измерения (впервые о них заговорил шведский физик Оскар Кляйн), свернутые в крепкие узелки, настолько крошечные, что наши приборы их не в состоянии заметить. Как показали Виттен и другие, эти размерности могут образовывать 6-мерные конфигурации, названные по имени математиков Эудженио Калаби и Шин-Тун Яу пространствами Калаби-Яу. Наконец, имеется одиннадцатое измерение, размер которого предстоит определить. Дело в том, что благодаря дуальностям оно может разбухать, как заведенное на хороших дрожжах тесто. Именно на эту большую «лишнюю» координату мы, возможно, наткнемся в эксперименте.

Как же представить себе дополнительное измерение, отходящее под прямым углом к обычному миру? Наверное, это сродни попыткам рассказать о полете на воздушном шаре людям, которые никогда не отрывались от земли. До изобретения аэростата никто не видел землю с высоты птичьего полета. Но с приходом заполняемых горячим газом шаров, а потом и самолетов с космическими ракетами мы гораздо больше узнали о третьем измерении - высоте. Если одиннадцатое измерение существует и оно не свернуто, то что нам мешает в него выйти? Как уверены некоторые теоретики, причина тому - «клейкость» струн, из которых состоят вещество и излучение.

Одно из ключевых положений М-теории основано на понятии браны Дирихле, или просто D-браны. Эту идею в соавторстве с Цзинь Даем и Робертом Леем развивал теоретик Джозеф Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предложивший рассматривать протяженные объекты, к которым могли бы крепиться открытые струны. Открытые струны - это струны, у которых концы не смыкаются, а висят свободно, как у спагетти. Их антипод - замкнутые струны, представляющие собой петли наподобие колец лука. Полчински с соавторами показал, что открытым струнам свойственно цепляться за D-браны, словно их концы смазаны клеем. Замкнутые струны лишены такой возможности.

В теории струн кварки, лептоны, фотоны и большинство других частиц являются состояниями открытых струн. В качестве исключения можно назвать гравитоны, представленные замкнутыми струнами. Таким образом, все частицы, не считая гравитонов, беспрепятственно прилипают к D-бранам. Гравитонам, в свою очередь, ничто не мешает оставить насиженное место на одной D-бране и устремиться перелетными птицами к другой.

Благодаря отличию струнной сущности гравитонов от остальных частиц в М-теории удалось смоделировать относительную слабость гравитационного взаимодействия и тем самым решить упомянутую выше проблему иерархии. В 1998 г. физики из Стэнфордского университета Нима Аркани-Хамед, Савас Димопулос и Джиа Двали, которых для этой работы свел вместе Игнациус Антониадас, обрисовали схему, включающую две D-браны, разделенные большим - около 1 мм - дополнительным измерением. Вторая D-брана в модели АДД (по инициалам авторов) играет роль параллельной вселенной или некой области нашей Вселенной. Она расположена прямо у нас перед носом, но совершенно невидима. Поскольку все поля Стандартной модели привязаны к нашей собственной бране, фотоны не в состоянии перепрыгнуть через пропасть и осветить параллельную брану. Из сильного и слабого взаимодействий тоже шпионов не выйдет - они и представления не имеют о спрятанном под боком мире. Единственный шанс на него наткнуться дают невидимые гравитационные нити.

Так как они, связывая наш мир с параллельным, проходят через ограниченный двумя бранами контейнер, тяготение истощается и становится гораздо слабее других взаимодействий. Представьте себе четыре бойлера, подключенные к системе отопления 10-этажного здания. Пусть первые три снабжают находящуюся за стенкой сауну с джакузи и бассейном, а четвертый тащит на себе все остальные этажи. Посетители сауны наверняка не будут испытывать недостатка в тепле, а вот жителям верхнего этажа, велика вероятность, придется запастись пуховыми одеялами, дабы не замерзнуть. По мощности бойлеры могут и не отличаться, но истощенный нагрузкой четвертый котел будет неспособен полноценно выполнять свои функции. Похожим образом ослабевает и гравитация, хотя изначально, в общем-то, ничем не уступает остальным силам, а все из-за утечки гравитонов, которые просачиваются с нашей браны в контейнер.