Legenden säger att albert Einstein tillbringade sina sista timmar på Jorden, spårning och rita något på ett papper i den sista försök att formulera en teori om allt. 60 år senare och en annan legendarisk forskare i teoretisk fysik, Stephen Hawking, lämna denna värld med liknande tankar. Vi vet att Hawking trodde att den så kallade M-teorin är vår bästa chans att skapa en komplett teori om universum. Men vad är det?
Sedan, år 1915, hade formulerat den Allmänna relativitetsteorin som Einstein, varje fysiker ville förena vår förståelse av det oändligt lilla värld av atomer och partiklar med oändligt stor skala i kosmos. Om det senare är väl beskriven av Einsteins ekvationer, den första med extra noggrannhet förutspådde så kallade standardmodellen av grundläggande interaktioner.
Vår nuvarande förståelse är att samspelet mellan fysiska objekt beskrivs av fyra grundläggande krafter. Två av dem — gravitation och elektromagnetism är uppenbarat för oss på makroskopisk nivå, vi ta itu med dem varje dag. De andra två svag och stark växelverkan förekommer i mycket liten skala och endast när vi har att göra med den subatomära processer.
Standard modell för grundläggande interaktioner ger en enkel struktur för tre av dessa krafter, men allvar som inte passar in i denna bild. Trots den noggranna beskrivning av storskaliga fenomen som beteendet hos en planet i omloppsbana eller dynamiken i galaxer, den Allmänna relativitetsteorin, slutar fungera på mycket kort avstånd. Enligt standardmodellen, alla krafter förmedlas av vissa partiklar. I fallet med gravitation att göra arbetet i gravitonen. Men när vi försöker beräkna växelverkan mellan dessa gravitons verkar meningslöst infinity i ekvationer.
En fullständig teori om gravitationen måste arbeta i någon omfattning och att ta hänsyn till quantum natur fundamentala partiklar. Detta skulle tillåta dig att passa gravitation i en enhetlig struktur med de andra tre grundläggande samspel, och därigenom skapa den ökända teorin om allt. Naturligtvis, sedan dess, sedan död har albert Einstein 1955, har gjort betydande framsteg på detta område. Våra bästa kandidaten idag bär namnet M-teori.
Revolutionen strängar
För att förstå den grundläggande idén av M-teorin, behovet av att gå tillbaka till 1970-talet när forskare insåg att i stället för att beskriva universum, baserat på punkt partiklar, de skulle ha varit bättre att beskriva i form av svängande strängar (power tubes). Ett nytt sätt att förstå de grundläggande beståndsdelarna i naturen ledde till lösningen av många teoretiska problem. Först av allt, separat vibrationer av strängen kan tolkas som gravitonen. Och i motsats till den vanliga teorin för gravitationen, strängteori kan beskriva samverkan matematiskt, och inte får konstiga oändligheter. Så, allvar kan ingå i en gemensam struktur.
Efter denna spännande öppna teoretiska fysiker sätta en hel del ansträngning för att inse dess konsekvenser. Men, som så ofta händer med forskning, historien om strängteori är full av upp-och nedgångar. Vid första människor var förbryllade av det faktum att hon förutsade existensen av en partikel som rör sig snabbare än ljuset, så kallade “tachyon”. Denna förutsägelse kom i konflikt med alla experimentella observationer, och kastar en svart skugga på strängteori.
Men problemet var löst i början av 1980-talet tillsammans med införandet i string-teorin är den så kallade “supersymmetri”. Det förutspår att varje partikel har sin egen superpartner och ovanliga tillfällighet, att samma skick som faktiskt eliminerar tachyon. Denna första framgång är allmänt känt som “den första strängen revolution”.
En annan ovanlig egenskap är att string-teorin förutsätter att det finns tio rum-tid dimensioner. För närvarande vet vi av endast fyra: djup, höjd, bredd och tid. Även om det ser ut som ett allvarligt hinder, som föreslogs flera lösningar, och för närvarande är det hela verkar ganska ovanligt inslag, snarare än ett problem.
Vi skulle till exempel kunna existera i fyrdimensionell värld utan tillgång till ytterligare mätningar. Eller extra dimensioner skulle kunna vara kompakt och är täckt i en så liten skala att vi inte kunde se dem. Men, olika compactification skulle leda till olika värden på fysikaliska konstanter och olika lagar av fysik. En möjlig lösning är att vårt universum är bara en av många i en ändlös “multiversum” som förvaltas av olika fysiska lagar.
M-teori
Det var fortfarande ett problem som hemsökt teoretiker strängar av tiden. En noggrann klassificering visade förekomsten av fem olika konsekvent string teorier, och kunde inte förstå varför naturen bör välja en av de fem.
Och här kommer in i bilden M-teori. Under den andra revolutionen strängarna i 1995, fysiker har antagit att de fem konsekvent string teorier finns faktiskt olika personer unik teori, som finns i elva tid och mått som kallas M-teori. Det omfattar alla strängteori olika fysiska sammanhang, samtidigt som den är användbar för alla. Detta är en otroligt fascinerande bild har lett de flesta teoretiska fysiker att idén om att M-teorin kommer att teorin om allt — och det är också matematiskt mer konsekvent än alla de andra föreslagna teorier.
Hur som helst, så långt M-teorin är oförmögna att producera förutsägelser som kan testas experimentellt. Supersymmetri är för närvarande testas vid Large hadron Collider. Om forskarna kunna hitta tecken på förekomsten av superpartners, det skulle i slutändan stärka positionen av M-teori. Men modern teoretisk fysik är ännu inte kan ge en kontrollerbar förutsägelser, och experimentella kan inte presentera för detta test experiment.
De flesta av de stora fysiker och kosmologer besatt av att hitta denna vackra och enkel beskrivning av världen, som skulle förklara allt. Och även om vi fortfarande är långt från denna, utan den briljanta och kreativa människor som Hawking som skulle vara omöjligt.
Stephen Hawking, hoppas att M-teorin kommer att förklara Universum. Vad är denna teori?
Ilya Hel