В 10-мерном пространстве, на достаточном расстоянии от струны возникает суперсимметричный вариант гравитации, названный супергравитацией. Оказалось, что супергравитация возможна только при условии, что размерности пространства-времени находятся в пределах от 2-х до 11-ти. Десятимерные теории супергравитации представляют собой предел, к которому сводится теория суперструн на больших расстояниях, а супергравитации в пространствах меньшей размерности получаются из десятимерных.
Таким образом, известные ранее теории поля оказались пределом теории суперструн, а их симметрии частью симметрии струнной теории. Однако, 11-мерная супергравитация представляется здесь лишней, и поэтому не вполне понятной.
Какое же взаимодействие четырехмерной физики и теории суперструн возможно в десятимерии? Идея взаимного влияния пространств различной размерности называется теорией Калуцы-Клейна. Рассмотрим самый простой случай — приведение пятимерного мира к четырехмерному. Для этого в пятимерии нужно рассматривать не «плоское» пространство, а пространство, представленное в виде «цилиндра», т. е. считать одно из измерений свернутым в кольцо. Скрученный в тонкую полоску лист бумаги больше похож на линию, чем на плоскость, а линия — одномерное пространство. Но все же он остается именно трубкой. Но представим, что по этому листу бумаги движутся какие-то частицы. Пока лист не скручен или радиус трубки не слишком мал, эти частицы движутся во всех направлениях. По мере того, как радиус цилиндра уменьшается, частицы движутся вокруг трубки все быстрее и быстрее, а их движение вдоль трубки остается без изменения и происходит с той же скоростью, что и на плоском листе. Если диаметр трубки приближается к размеру самой частицы, время, за которое частица проходит полный круг настолько мало, что мы не можем его фиксировать, нам кажется, что она движется только вдоль «плоского» направления, вдоль трубки. Таким образом, двумерное пространство свелось к одномерному. В действительности движение по измерениям, закрученным в кольцо, не удаётся заметить, так как действует принцип неопределённости. Чем меньше размеры окружности, тем больше энергии нужно затратить, чтобы частица двигалась по ней. Поэтому, как только измерения сворачиваются в маленькие окружности, не хватает энергии, чтобы заставить частицу двигаться по ней, таким образом, это измерение как бы исчезает.
Мы знаем, что частицы в микромире — это кванты соответствующих полей, и последовательное описание их взаимодействий осуществляется исходя из этого утверждения. Поля могут иметь сотни различных компонент и, как правило, их тем больше, чем выше размерность пространства-времени. Компоненты — это как бы отдельные поля, но они все собраны в единую структуру и не обладают без неё абсолютной самостоятельностью. Например, электромагнитное поле в 4-мерном пространстве имеет четыре компоненты. Две из них ненаблюдаемы, а другие две соответствуют двум направлениям поляризации фотона. Если представить, что поле существует в пространстве, одно или несколько измерений которого свернуты в маленькие окружности (или просто свёрнуты), то есть в эффективном пространстве меньшей размерности, это поле должно будет преобразовать себя так, чтобы число компонент уменьшилось до количества, ожидаемого от него в новом пространстве меньшей размерности. Лишние компоненты поля при этом оказываются полностью независимыми, самостоятельными и выступают как новые поля.
Суть теории Калуцы-Клейна состоит в том, что некоторые наборы вроде бы никак не связанных полей в четырёхмерном пространстве могут оказаться осколками единого поля в пространстве более высокой размерности. У существующих в 10 и 11-мерных пространствах полей достаточно компонентов, чтобы упаковать в них все поля, имеющиеся в четырехмерии. Но как объяснить, почему десятимерие распалось именно на 4 + 6 измерения, а не, например, 3 + 7 или 5 + 5?
На сегодняшний день неизвестно, как осуществляется выбор между разными вариантами скрутки и разбивки. Однако возможности такого выбора встроены в теорию суперструн, поскольку суперструны порождают гравитацию, которая и определяет геометрию пространства-времени. Можно определить, может ли то или иное шестимерное пространство быть отобранным суперструной, чтобы из десятимерия получился наблюдаемый четырехмерный мир. Определяющим критерием для этого служит суперсимметрия — не во всяком пространстве может существовать суперструна, структура шестимерия должна быть согласована со свойствами наблюдаемого мира. Дело в том, что при скручивании лишних измерений в очень маленькие пространства, свойства теории в остающихся измерениях отражают некоторые геометрические характеристики этих пространств.
От наблюдаемых свойств элементарных частиц (при доступных малых энергиях в ускорителях) переходят к теории суперструн, экстраполируя эти свойства на очень высокие энергии (не доступные пока, но существенные для струнного описания). В рамках струнной формулировки теории ученые пытаются понять, каковы механизмы, «переводящие» струнные сущности (иногда непосредственно не наблюдаемые, как и свойства полей, находящихся на мировом листе струны) в термины геометрии скрученных измерений, а затем на язык четырехмерия и существующих в нем элементарных частиц.
Физические процессы описаны уравнениями, как правило с некоторыми начальными условиями. Т. е. теоретически мы можем рассчитать поведение какой-либо системы на длительное время, но практически это можно сделать лишь в некотором приближении. Для наиболее точного вычисления была сознана теория возмущений, т. е. сначала поведение системы рассчитывается в приближении, а затем вносятся коррективы. Однако существуют ситуации, в которых теория возмущений неприменима, например, если необходимо рассчитать движение в системе тройной звезды, массы звезд в которой примерно одинаковые. Такую ситуацию называют «сильная связь» и подобные задачи решаются только с абсолютной точностью, если их решение вообще может быть проведено.
Проблема сильной связи есть и в теории суперструн. Прежде чем приступить к ее рассмотрению, необходимо обратить внимание на один очень важный момент: струнам доступно то, что недоступно частицам. При наличии хотя бы одного скрученного измерения они могут «наматываться» на него, делая один или несколько витков. С точки зрения наблюдателя это выглядит как появление некоторых новых частиц. При определённых соотношения между радиусом свернутого измерения и количеством оборотов струны такие частицы становятся легкими, и их можно сравнивать с теми безмассовыми частицами, появление которых ожидалось с самого начала, как соответствующих низшим гармоникам колебаний струны.
В итоге получается, что при слабом взаимодействии между струнами, в рамках стандартной теории возмущений струна порождает определенные частицы, реализующие некоторые виды симметрии, в частности суперсимметрию. В другом диапазоне интенсивности взаимодействия, вне рамок теории возмущений (в области сильной связи) струна может порождать другие частицы.
Рассмотрим подробнее 5 существующих на сегодняшний день теорий суперструн.
Большинство удачных теорий физики элементарных частиц основываются на калибровочной симметрии. В таких теориях различные поля могут переходить одно в другое. Эти переходы полностью определяются калибровочной группой теории. Если можно провести некое калибровочное преобразование в точке пространства и при этом теория не изменится, то говорят, что теория имеет локальную калибровочную симметрию.
У струн могут быть совершенно произвольные условия на границе. Например, замкнутая струна имеет периодичные граничные условия - струна "переходит сама в себя". У открытых же струн могут быть два типа граничных условий - условия Неймана и условия Дирихле. В первом случае конец струны может свободно двигаться, правда, не унося при этом импульса. Во втором случае, конец струны может двигаться только по некоторому многообразию. Это многообразие и называется D-браной или Dp-браной (при использовании второго обозначения 'p' - целое число, характеризующее число пространственных измерений многообразия).
D-браны могут иметь число пространственных измерений от -1 до числа пространственных измерений заданного пространства-времени. Например, в теории суперструн 10 измерений - 9 пространственных и одно временное. Таким образом, для суперструн может существовать D9-брана, но возникновение D10-браны невозможно. Отметим, что в этом случае концы струн фиксированы на многообразии, покрывающем все пространство, поэтому они могут двигаться везде, так что это сводится к наложению условия Неймана. В случае p=-1 все пространственные и временные координаты фиксированы, и такая конфигурация называется инстантоном или D-инстантоном. Если p=0, то все пространственные координаты фиксированы, и конец струны может существовать лишь в одной единственной точке в пространстве, так что D0-браны зачастую называют D-частицами. Совершенно аналогично D1-браны называют D-струнами. Кстати, само слово 'брана' произошло от слова 'мембрана', которым называют 2-мерные браны, или 2-браны. В действительности D-браны динамичны, они могут флуктуировать и двигаться. Например, они взаимодействуют гравитационно.
Используя минимально-связанную теорию возмущений, можно выделить пять различных согласованных суперструнных теорий, известных как Type I SO(32), Type IIA, Type IIB, SO(32) Гетеротическая (Heterotic) и E8 x E8 Гетеротическая (Heterotic).
| Type IIB | Type IIA | E8 x E8 Гетеротическая | SO(32) Гетеротическая | Type I | |
| Тип струн | Замкнутые | Замкнутые | Замкнутые | Замкнутые | Открытые и замкнутые |
| 10d Суперсимметрия | N=2 (киральная) | N=2(некиральная) | N=1 | N=1 | N=1 |
| 10d Калибровочные группы | нет | нет | E8 x E8 | SO(32) | SO(32) |
| D-браны | -1,1,3,5,7 | 0,2,4,6,8 | нет | нет | 1,5,9 |
•Type I SO(32):