Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Основные же идеи содержались во второй и третьей работах трилогии Девитта. В них намечался альтернативный путь, ковариантный подход. Геометрия при этом полностью исключалась из рассмотрения, а гравитация превращалась в еще одно взаимодействие, передаваемое через частицу-переносчик — гравитон. Именно этот подход, пытающийся повторить успех квантовой электродинамики и стандартной модели, привел к появлению неприятных бесконечностей, после Оксфордского симпозиума по квантовой гравитации в 1974 году резко затормозивших прогресс в данной области.

Канонический и ковариантный подходы воплотили две разные философии и с разных сторон подошли к задаче квантования гравитации. Канонический подход в первую очередь рассматривал геометрию, в то время как в ковариантном подходе во главу угла ставились частицы, поля и унификация. Разница подходов стала причиной серьезных разногласий в физическом сообществе.

Знамя ковариантного подхода в конечном счете было подхвачено радикально новым направлением, получившим название теории струн. Изначально теория струн появилась в конце 1960-х как попытка энтузиастов объяснить поведение целого зоопарка экзотических частиц, обнаруженного во время экспериментов с ускорителем. Основная идея состояла в том, что эти частицы — крошечные точечные объекты — лучше всего описываются в терминах микроскопических вибрирующих фрагментов струн. Частицы разной массы представляют собой не что иное, как вибрации плавающих в пространстве маленьких струн. Хитрость состояла в том, что одна такая струна была в состоянии описать все частицы. Чем больше колебания струны, тем выше ее энергия и тем более тяжелую частицу она описывает. Это тоже было объединение, просто его способ кардинально отличался от всего, что предлагалось раньше.

Идея фундаментальных струн была захватывающей, но несовершенной. Попытки получить с ее помощью любые предсказания приводили к появлению бесконечных значений, которые не допускали перенормирования, выполняемого как в квантовой электродинамике, так и в стандартной модели. Кроме того, новая теория предсказывала существование частицы, которая вела себя в точности как гравитон — его считали ответственным за гравитационные взаимодействия. Гравитон требовался в квантовой теории гравитации, но был совершенно не нужен в задаче, решить которую была призвана теория струн: найти объяснение экзотическим новым частицам, обнаруженным в ускорителях.

Пережив первоначальный всплеск интереса, к середине 1970-х теория струн была предана забвению, будучи отвергнутой большинством ведущих физиков. Один из ее немногочисленных сторонников, лауреат Нобелевской премии Мари Гелл-Ман называл себя «своего рода покровителем теории струн» и «борцом за ее сохранение». Он вспоминает: «В Калехе я создал заповедник для находящихся под угрозой исчезновения теоретиков суперструн, и с 1972-го по 1984 год большая часть работ по теории струн выполнялась именно здесь».

В 1984 году теоретик из заповедника Мари Гелл-Мана Джон Шварц объединился с молодым физиком из Лондона Майклом Грином. Совместно они предположили, что теория струн может оказаться полезной при построении теории квантовой гравитации. Они показали, как в десятимерной вселенной теория струн, удовлетворяющая определенным ограничениям и подчиняющаяся определенной симметрии, может быть связана с квантовой гравитацией. На следующий год группа специалистов по физике частиц и релятивистов, в которую вошли Эдвард Виттен из Принстона, Филипп Канделас из Остина, штат Техас, а также Эндрю Строминжер и Гари Горовиц из Санта-Барбары, пошла еще дальше. Они показали, что если эти шесть дополнительных измерений являются пространством Калаби-Яу, решение уравнений теории струн будет выглядеть в точности как суперсимметричная версия стандартной модели. Отсюда до стандартной модели оставался всего один небольшой шаг.

К концу 1980-х теория струн набрала огромную силу. Казалось, она может принести пользу всем. Математика выглядела новой и увлекательной, почти как неевклидова геометрия для Эйнштейна, когда он с ее помощью пытался понять общую теорию относительности. Математики применяли новейшие инструменты — не только геометрию, но также теорию чисел и топологию, — пытаясь понять, что может дать теория струн.

К концу XX века теория струн набрала обороты, став более увлекательной и последовательной и вместе с тем более сложной и непонятной. В 1995 году на ежегодной конференции по теории струн в Калифорнии Эдвард Виттен объявил, что все возникшие за предыдущее десятилетие модели теории струн на самом деле связаны друг с другом и, по сути, являются различными аспектами единой, более богатой М-теории. Как он выразился: «Буква М может означать Магическая, Мистическая или Мембранная — в зависимости от ваших предпочтений». Эта теория охватывала собой не только струны, но и населяющие многомерную Вселенную многомерные объекты, называемые мембранами, или, коротко, бранами.