Legenden fortæller, at Albert Einstein tilbragte sine sidste timer på Jorden med at spore noget på et stykke papir i et sidste forsøg på at formulere en teori om alt. Seksti år senere vil en anden legendarisk videnskabsmand inden for teoretisk fysik, Stephen Hawking, forlade denne verden med lignende tanker. Vi ved, at Hawking troede, at den såkaldte M-teori var vores bedste chance for at skabe en komplet teori om universet. Men hvad er det?
Lige siden Einsteins generelle relativitetsteori blev formuleret i 1915, har enhver teoretisk fysiker drømt om at forene vores forståelse af den uendeligt lille verden af atomer og partikler med den uendeligt store rumskala. Mens sidstnævnte er perfekt beskrevet af Einsteins ligninger, forudsiges førstnævnte med ekstraordinær nøjagtighed af den såkaldte standardmodel for grundlæggende interaktioner.
Vores nuværende forståelse er, at interaktionen mellem fysiske objekter er beskrevet af fire grundlæggende kræfter. To af dem - tyngdekraft og elektromagnetisme - vises for os på det makroskopiske niveau, vi behandler dem hver dag. De to andre - svage og stærke interaktioner - vises i meget lille skala og kun når vi beskæftiger os med subatomære processer.
Standardmodellen for grundlæggende interaktioner giver en enkelt struktur for tre af disse kræfter, men tyngdekraften ønsker ikke at passe ind i dette billede på nogen måde. På trods af nøjagtige beskrivelser af fænomener i stor skala, såsom en planets adfærd i kredsløb eller galaksernes dynamik, mislykkes generel relativitet på meget korte afstande. I henhold til standardmodellen er alle kræfter medieret af visse partikler. I tilfælde af tyngdekraft udføres arbejdet af graviton. Men når vi prøver at beregne interaktioner mellem disse gravitoner, vises meningsløse uendeligheder i ligningerne.
En komplet teori om tyngdekraft skal arbejde i enhver skala og tage hensyn til de kvante natur af grundlæggende partikler. Dette ville give tyngdekraften mulighed for at passe ind i en kombineret struktur med tre andre grundlæggende interaktioner og derved skabe den berygtede teori om alt. Siden Albert Einstein døde i 1955 er der naturligvis gjort betydelige fremskridt på dette område. Vores bedste kandidat i dag kaldes M-teori.
Strenge revolutionen
For at forstå den grundlæggende idé om M-teori er du nødt til at gå tilbage til 1970'erne, da forskere indså, at i stedet for at beskrive universet baseret på punktpartikler, ville de blive bedre beskrevet som svingende strenge (energirør). En ny måde at forstå de grundlæggende bestanddele i naturen har ført til løsningen af mange teoretiske problemer. Først og fremmest kan en enkelt vibration af en streng fortolkes som en graviton. Og i modsætning til standardtyngdekraften kan strengteori beskrive dets interaktioner matematisk og ikke få underlige uendeligheder. Dette betyder, at tyngdekraften kan inkluderes i den kombinerede struktur.
Salgsfremmende video:
Efter denne spændende opdagelse har teoretiske fysikere arbejdet hårdt for at forstå dens konsekvenser. Men som ofte er tilfældet med videnskabelig forskning, er strengteoriens historie fuld af op- og nedture. Først blev folk forvirrede over, at hun forudsagde eksistensen af en partikel, der bevæger sig hurtigere end lys, den såkaldte "tachyon". Denne forudsigelse modsatte alle eksperimentelle observationer og kastede en alvorlig skygge over strengteorien.
Ikke desto mindre blev dette problem løst i de tidlige 1980'ere med introduktionen af såkaldt "supersymmetri" i strengteori. Hun forudser, at hver partikel har sin egen superpartner, og ved en usædvanlig tilfældighed eliminerer den samme tilstand faktisk tachyon. Denne første succes er bredt kendt som”den første strengrevolution”.
Et andet usædvanligt træk er, at strengteori kræver ti rum-tid-dimensioner. I øjeblikket kender vi kun fire: dybde, højde, bredde og tid. Selvom dette ser ud til at være en stor hindring, er der indtil nu blevet foreslået flere løsninger, og det ser ud til at være mere usædvanligt end et problem.
For eksempel kunne vi eksistere i en firdimensionel verden uden adgang til yderligere dimensioner. Eller de ekstra dimensioner kunne være "kompakte" og passe ind i så små vægte, at vi ikke ville bemærke dem. Imidlertid ville forskellige komprimeringer føre til forskellige værdier af fysiske konstanter og forskellige fysiske love. En mulig løsning er, at vores univers kun er et af mange i et uendeligt “multiple univers” styret af forskellige fysiske love.
M-teori
Der var endnu et problem, der hjemsøgte dagens strengteoretikere. Omhyggelig klassificering afslørede eksistensen af fem forskellige sekventielle strengteorier, og det var uklart, hvorfor naturen skulle vælge en af de fem.
Det er her M-teori kommer ind. Under den anden strengrevolution i 1995 foreslog fysikere, at fem på hinanden følgende strengteorier faktisk er forskellige ansigter af en unik teori, der findes i elleve tidsrummet dimensioner kaldet M-teori. Den inkorporerer hver strengteori i en række fysiske sammenhænge, mens den forbliver brugbar for alle. Dette utroligt fascinerende billede har ført de fleste teoretiske fysikere til tanken om, at M-teori bliver en teori for alting - og det er også matematisk mere konsistent end nogen anden foreslået teori.
Være det som det må, hidtil har M-teori ikke været i stand til at producere forudsigelser, der kan verificeres eksperimentelt. Supersymmetry testes i øjeblikket hos Large Hadron Collider. Hvis forskere kunne finde tegn på superpartners eksistens, ville dette endelig styrke M-teoriens position. Men moderne teoretisk fysik er endnu ikke i stand til at give verificerbare forudsigelser, og eksperimentel fysik kan ikke præsentere eksperimenter til denne verifikation.
De fleste af de store fysikere og kosmologer er besat af at finde denne smukke og enkle beskrivelse af verden, der kunne forklare alt. Og selvom vi stadig er langt fra dette, uden strålende og kreative mennesker som Hawking, ville dette være helt umuligt.
Ilya Khel