Legenda pravi, da je Albert Einstein zadnje ure na Zemlji izsledil nekaj na koščku papirja v zadnjem poskusu oblikovanja teorije o vsem. Šestdeset let pozneje bo še en legendarni znanstvenik s področja teoretične fizike, Stephen Hawking, zapustil ta svet s podobnimi razmišljanji. Vemo, da je Hawking verjel, da je tako imenovana M-teorija najboljša priložnost za ustvarjanje popolne teorije vesolja. Toda kaj je to?
Odkar je bila leta 1915 oblikovana splošna teorija relativnosti Einsteina, je vsak teoretični fizik sanjal, da bi naše razumevanje neskončno majhnega sveta atomov in delcev uskladil z neskončno velikim prostorskim obsegom. Medtem ko slednjega odlično opisujejo Einsteinove enačbe, prvega z izjemno natančnostjo napovedujejo tako imenovani standardni model temeljnih interakcij.
Naše trenutno razumevanje je, da interakcijo med fizičnimi predmeti opisujejo štiri temeljne sile. Dva od njih - gravitacija in elektromagnetizem - se nam pojavita na makroskopski ravni, z njimi se ukvarjamo vsak dan. Druga dva - šibka in močna interakcija - se pojavita v zelo majhnem obsegu in šele, ko imamo opravka s subatomskimi procesi.
Standardni model temeljnih interakcij zagotavlja eno samo strukturo za tri od teh sil, vendar se gravitacija noče nikakor vključiti v to sliko. Kljub natančnemu opisu obsežnih pojavov, kot sta vedenje planeta v orbiti ali dinamika galaksij, splošna relativnost ne uspe na zelo kratkih razdaljah. Po standardnem modelu vse sile posredujejo določeni delci. Pri gravitaciji delo opravi graviton. Ko pa skušamo izračunati interakcije teh gravitonov, se v enačbah pojavijo nesmiselne neskončnosti.
Celovita teorija gravitacije mora delovati v katerem koli obsegu in upoštevati kvantno naravo osnovnih delcev. To bi gravitaciji omogočilo, da se prilega v kombinirano strukturo s tremi drugimi temeljnimi interakcijami in s tem ustvari zloglasno teorijo vsega. Ker je Albert Einstein umrl leta 1955, je bil na tem področju dosežen pomemben napredek. Naš najboljši kandidat danes se imenuje M-teorija.
Nizka revolucija
Če želite razumeti osnovno idejo M-teorije, se morate vrniti v sedemdeseta leta, ko so znanstveniki spoznali, da bi jih bilo bolje opisati kot nihajoče strune (energijske cevi), namesto da bi vesolje opirali na točkovne delce. Nov način razumevanja temeljnih naravnih sestavin je pripeljal do reševanja številnih teoretičnih problemov. Najprej lahko eno vibracijo strune razlagamo kot graviton. In za razliko od standardne gravitacije lahko teorija strun matematično opiše svoje interakcije in ne dobi čudnih neskončnosti. To pomeni, da je lahko gravitacija vključena v kombinirano strukturo.
Promocijski video:
Po tem razburljivem odkritju so si teoretični fiziki močno prizadevali, da bi razumeli njegove posledice. Toda kot je to pogosto pri znanstvenih raziskavah, je zgodovina teorije strun polna vzponov in padcev. Sprva so jo ljudje zbujali, da je napovedovala obstoj delca, ki se giblje hitreje od svetlobe, tako imenovanega "tahiona". Ta napoved je nasprotovala vsem eksperimentalnim opazovanjem in menila resno senco nad teorijo strun.
Kljub temu je bilo to vprašanje rešeno v začetku osemdesetih let z uvedbo tako imenovane „super-simetrije“v teorijo strun. Napoveduje, da ima vsak delec svojega superpartnerja in po nenavadnem naključju isti pogoj dejansko odpravi tahion. Ta prvi uspeh je splošno znan kot "prva struna revolucije".
Druga nenavadnost je, da teorija strun zahteva deset dimenzij prostora in časa. Trenutno poznamo le štiri: globino, višino, širino in čas. Čeprav se zdi, da je to velika ovira, je bilo doslej predlaganih več rešitev in zdi se, da je to bolj nenavadna značilnost kot težava.
Na primer, lahko bi obstajali v štiridimenzionalnem svetu brez kakršnega koli dostopa do dodatnih dimenzij. Ali dodatne dimenzije bi lahko bile "kompaktne" in se prilegale tako majhnim lestvicam, da jih ne bi opazili. Vendar pa bi različne kompaktifikacije povzročile različne vrednosti fizičnih konstant in različne fizikalne zakone. Možna rešitev je, da je naše Vesolje le eno od mnogih v neskončnem „več vesolju“, ki ga upravljajo različni fizikalni zakoni.
M-teorija
Obstajala je še ena težava, ki je preganjala godalne teoretike. Natančna razvrstitev je razkrila obstoj petih zaporednih teorij nizov in ni bilo jasno, zakaj bi narava izbrala eno od petih.
Tu nastopi M-teorija. Med drugo revolucijo strun leta 1995 so fiziki predlagali, da so pet zaporednih teorij strupov v resnici različni obrazi edinstvene teorije, ki obstaja v enajstih dimenzijah vesoljskega časa, imenovanih M-teorija. Vsako teorijo strun vključuje v različni fizični kontekst, hkrati pa ostaja uporabno za vse. Ta neverjetno fascinantna slika je večino teoretičnih fizikov pripeljala do ideje, da bo M-teorija postala teorija vsega - in je tudi matematično bolj skladna kot katera koli druga predlagana teorija.
Kakor koli že, do zdaj M-teorija ni mogla pripraviti napovedi, ki bi jih bilo mogoče eksperimentalno preveriti. Supersimetrija se trenutno preizkuša na velikem hadronskem trkalniku. Če bi znanstveniki lahko našli znake obstoja super partnerjev, bi to končno okrepilo položaj M-teorije. Toda sodobna teoretična fizika še ni sposobna dati preverljivih napovedi in eksperimentalna fizika ne more predstaviti eksperimentov za to preverjanje.
Večina velikih fizikov in kozmologov je obsedena z iskanjem tega lepega in preprostega opisa sveta, ki bi lahko razložil vse. In čeprav smo še vedno daleč od tega, brez briljantnih in kreativnih ljudi, kot je Hawking, bi bilo to povsem nemogoče.
Ilya Khel