К 1984 году Шварц, работая в тесном сотрудничестве с Майклом Грином из Колледжа королевы Марии Лондонского университета, продолжал заниматься теорией суперструн, отказавшись от супергравитации. Они видели в ней явное преимущество. В отличие от супергравитации, теория суперструн не содержала бесконечных членов, от которых нужно было избавляться, чтобы добиться конечных значений. Это связано с тем, что струны имеют конечный размер, в отличие от бесконечно малых точечных частиц. Таким образом, всякий раз, когда в знаменателе формул теории струн появлялся масштаб струны, результат получался конечным. Теории не требовалась перенормировка, поскольку она была конечна сама по себе.

В 1984 году на конференции в Аспене, штат Колорадо, Грин и Шварц объявили о важном открытии: в некоторых версиях десятимерной теории суперструн отсутствуют аномалии[130]. Гравитационные аномалии возникают во многих версиях супергравитации и в других подходах к квантованию гравитации, нарушая основные принципы общей теории относительности. Это неприемлемо для единых теорий поля, потому что общая теория относительности, как мы знаем, применима к огромному спектру астрофизических и космологических явлений. Поэтому теория Грина и Шварца без аномалий была встречена с большим воодушевлением, особенно после того, как Виттен проверил и подтвердил их выводы. Свое одобрение и поддержку выразили нобелевские лауреаты Гелл-Манн и Вайнберг. Почти все теоретики физики высоких энергий, увлеченные суперструнами, начали игнорировать супергравитацию, за исключением тех случаев, когда эти две теории пересекались. Так началась первая суперструнная революция.

В процессе спонтанной компактификации десятимерная суперструнная Вселенная разделяется на две части: шестимерный компактный клубок и обычное четырехмерное пространство с его роями вибрирующих струн. Некоторые из этих струн открытые, то есть имеют свободные концы, как у спагетти. Большинство фермионов и бозонов представлены именно такими открытыми струнами. Главным исключением стали гравитоны – они представлены замкнутыми струнами с соединенными концами, похожими на крошечные луковые кольца. По чисто математическим причинам, поскольку к четырехмерному пространству применима определенная суперсимметрия, его свойства оказываются связанными с симметриями компактного шестимерного клубка. Таким образом, чтобы воспроизвести Стандартную модель в обычном пространстве, компактифицированное пространство должно быть устроено точно определенным образом.

В 1985 году Виттен в сотрудничестве с Филипом Канделасом из Техасского университета в Остине, а также Гэри Хоровиц и Эндрю Строминджером из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре исследовали, каким условиям должны отвечать компактные шестимерные пространства. Первоначальные попытки использовать геометрии, напоминающие кольца или пончики, оказались неудовлетворительными, так как они не позволяли получить нужные физические свойства. Тогда они исследовали бугристые многомерные фигуры, названные пространствами Калаби – Яу, по имени математиков Эудженио Калаби из Пенсильванского университета и Шинтуна Яу из Гарварда за их работы по скрученным геометриям. Существует множество таких искривленных конфигураций, каждая из которых имеет свою топологию (например, количество отверстий), влияющую на физические свойства пространства-времени.

К концу 1980‐х годов у теории суперструн было пять разных версий и множество вариантов компактификации. Такой широкий выбор – далеко не всегда хорошая штука, особенно когда пытаешься придумать теорию всего. Это как если бы невеста привела на свадьбу 500 потенциальных женихов и попросила благословить вечный брак с тем из них, кто, по мнению священника, подойдет ей лучше всего. Физика стремится к единственному совершенному союзу, а не к гарему топологий. Эту путаницу усугубило появление мембран, колеблющихся объектов более высокой размерности, чем струны, которые дополнили вибрирующие одномерные струны в качестве основного элемента реальности. Хотя поначалу многие струнные теоретики сопротивлялись их введению, считая мембраны ненужным усложнением, вскоре стало ясно, что струны и мембраны имеют глубокие связи, которые называются дуальностями. Дуальности позволяют заменять малые величины большими и наоборот, сохраняя при этом схожие результаты для разных параметров, таких как толщина[131] и сила взаимодействия. Поскольку мембраны и струны могут превращаться друг в друга с помощью особых механизмов, с математической точки зрения они оказались близкими родственниками.

Полное признание мембран в качестве членов семьи произошло в 1995 году, когда началась «вторая суперструнная революция», как теоретики вскоре назвали этот период. Как и в первой революции, ключевую роль сыграл Виттен – его блеск, уверенность и мощь были решающими. На конференции в Университете Южной Калифорнии в феврале того же года он выступил с убедительным докладом, в котором объяснил, как пять основных версий теории струн вместе с супергравитацией можно объединить в общую одиннадцатимерную теорию, включающую мембраны наряду со струнами. Он назвал эту комбинацию М-теорией. Вопреки своему обыкновению, он очень туманно объяснял, к чему относится буква «М», шутя, что она может означать «магия», «мистика» или «мать» (как в «матери всех теорий»), а также «мембрана», но многие исследователи решили, что она обозначает именно последнее. Возможно, если бы он просто сказал «мембранная теория», многие задались бы вопросом, что же стало со старыми добрыми суперструнами. Некоторые ученые, например физик Майкл Дафф, который много лет работал с мембранами, восприняли это загадочное название как неуважение к их вкладу. Выступая в 1997 году на встрече в Триесте, Дафф сказал, что Виттен, использовав название «М-теория» вместо «теория мембран», одержал «пиррову победу»[132].

Хотя М-теория представляет собой механизм объединения различных теорий, в ней есть множествено неопределенностей. Например, из-за дуальностей ее можно считать и десяти-, и одиннадцатимерной. В совместной работе Виттена и чешского физика Петра Хоравы было показано, что в зависимости от условий оба ответа могут быть правильными. В важной работе, опубликованной в 1996 году, Хорава и Виттен показали, как суперструны, живущие в десяти измерениях, будут утолщаться в дополнительном измерении, если увеличивать их константы связи (силы взаимодействия). (Математически это происходит за счет комбинации дуальностей.) Чудесным образом они превращаются из тонких вибрирующих нитей в десяти измерениях в пульсирующие двумерные мембраны, или 2-браны, растянутые в одиннадцатом измерении. Десятимерное царство суперструн расширяется до одиннадцатимерного мира бран, как его стали называть, где брана – это сокращение от «мембрана».

Миры бран на самом деле устроены очень сложно. После компактификации существует четыре пространственно-временных измерения, три пространственных и одно временнóе, доступные как для открытых, так и для замкнутых струн. Это и есть наш материальный мир, в котором открытые струны служат переносчиками взаимодействий и составляющими материи, а замкнутые струны – гравитонами, передающими гравитационное взаимодействие. Однако, как обнаружили теоретик Джозеф Полчински с коллегами, существует заметная разница между поведением открытых и замкнутых струн относительно обычного трехмерного пространства, известного как брана Дирихле, D-брана, 3-брана или просто брана для краткости. Открытые струны всегда остаются прикрепленными к пространственной бране, подобно мухам, прилипшим к клейкой ленте, в то время как замкнутые струны могут свободно ее покидать. Гравитоны, как замкнутые струны, могут улетать с нашей браны в более обширную область, называемую балком[133], простирающуюся в дополнительном пространственном измерении. Доступный лишь для гравитонов, но запрещенный для электронов, кварков, фотонов и других привычных частиц, балк, несомненно, должен быть весьма специфической территорией. Наконец, для полноты картины шесть дополнительных измерений должны быть свернуты в одну из множества разновидностей компактифицированных пространств Калаби – Яу планковского масштаба. Топология этого внутреннего пространства будет задавать параметры физики в других измерениях, предлагая в одних случаях нечто вроде Стандартной модели, а в других – странные правила, недоступные нашему пониманию.