Мать всех теорий струн прошла проверку, которую пока не смогла пройти ни одна из теорий квантовой гравитации

М-теория сводит в единую математическую структуру все пять непротиворечивых версий теории струн (а также описание частиц под названием супергравитация). В различных физических условиях она выглядит как каждая из этих теорий.

Сложно быть «теорией всего». У ТВ есть сложная задача – впихнуть гравитацию в квантовые законы природы таким образом, чтобы на крупных масштабах гравитация выглядела, как кривизна ткани пространства-времени, которую Альберт Эйнштейн описывал в своей общей теории относительности. Каким-то образом кривизна пространства-времени возникает как общий знаменатель квантующихся единиц гравитационной энергии – частиц, известных, как гравитоны. Но наивные попытки подсчитать взаимодействие гравитонов приводят к бессмысленным бесконечностям, что говорит о необходимости более глубокого понимания гравитации.

Теорию струн, или, что технически более правильно, м-теорию, часто описывают, как ведущего кандидата на ТВ в нашей Вселенной. Но ей нет никаких эмпирических свидетельств, как нет их ни для какой другой альтернативной идеи по поводу того, как гравитация может объединиться со всеми остальными фундаментальными силами. Почему же м-теории дают преимущество над другими?

Эта теория, как известно, утверждает, что гравитоны, как и электроны, фотоны и всё остальное, являются не точечными частицами, а неуловимо крохотными резиночками энергии, или «струнами», вибрирующими разными способами. Интерес к теории струн резко возрос в середине 1980-х, когда физики поняли, что она даёт математически непротиворечивое описание квантовой гравитации. Но пять известных версий теории были «пертурбационными», то есть, переставали работать в определённых условиях. Теоретики могли подсчитать, что происходит, когда две гравитонные струны сталкиваются на высоких энергиях, но оказывались бессильны перед слиянием гравитонов настолько экстремальным, что оно порождает чёрную дыру.

Затем в 1995 году физик Эдвард Уиттен открыл мать всех теорий струн. Он обнаружил различные признаки того, что пертурбационные теории струн совмещаются в одну связную непертурбационную теорию, которую он назвал «М-теорией». М-теория в различных физических контекстах выглядит, как одна из теорий струн, но у неё нет ограничений по условиям – а это важное требование для теории всего. Или, по крайней мере, так говорили вычисления Уиттена. «Уиттен мог привести свои аргументы, не записывая уравнения М-теории, что само по себе впечатляет, но оставляет много вопросов без ответов», — объяснил Дэвид Симмонс-Даффин, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института.

Очередной взрыв исследований случился два года спустя, когда физик Хуан Малдасена открыл AdS/CFT-соответствие: реализацию голографического принципа, объединяющего гравитацию в регионе пространства-времени, известном, как «пространство анти-де Ситтера» (AdS), с квантовым описанием частиц (конформной теорией поля, CFT), движущихся по границе этого региона. AdS/CFT даёт полное определение М-теории для особого случая геометрии пространства-времени AdS, наполненного отрицательной энергией, заставляющей его искривляться не так, как наша Вселенная. Для таких вымышленных миров физики могут описывать процессы при любых энергиях, включая и формирование и испарение чёрных дыр. 16000 работ, упоминавших Малдасену за последние 20 лет, в основном пытаются провести эти вычисления с тем, чтобы лучше понять AdS/CFT и квантовую гравитацию.

Эта простая последовательность событий привела большинство экспертов к выводу о том, что М-теория является ведущим кандидатом на ТВ, даже несмотря на то, что её точное определение во Вселенной, похожей на нашу, остаётся неизвестным. Корректна ли теория – вопрос отдельный. Предлагаемые ею струны – как и дополнительные свёрнутые измерения, в которых эти струны должны вибрировать – в 10 миллионов миллиардов раз меньше разрешения таких экспериментов, как Большой адронный коллайдер. А некоторых макроскопических признаков теории, которые можно было бы уже увидеть, вроде космических струн или суперсимметрии, обнаружено не было.

У других же версий ТВ наблюдается множество различных технических проблем, и ни одна из них пока не повторила математической непротиворечивости теории струн – как расчёт такого, например, процесса, как рассеяние гравитонов друг на друге. Согласно Симмонсу-Даффину, ни один из соперников не смог закончить первый шаг, или первую «квантовую коррекцию» этого вычисления. Один философ даже утверждал, что статус теории струн, как единственной из известных непротиворечивых теорий, считается доказательством её истинности.

Среди дальних соперников имеются асимптотически безопасная гравитация, теория Е8 [она же "исключительно простая теория всего"], некоммутативная геометрия и причинные фермионные системы. Асимптотически безопасная гравитация, к примеру, говорит о том, что сила гравитации может меняться при переходе к меньшим масштабам так, чтобы помочь избежать бесконечностей в расчётах. Но пока ещё никому не удалось заставить этот трюк работать.