Legenden säger att Albert Einstein tillbringade sina sista timmar på jorden att spåra något på ett papper i ett sista försök att formulera en teori om allt. Sextio år senare kommer en annan legendarisk forskare inom området teoretisk fysik, Stephen Hawking, att lämna denna värld med liknande tankar. Vi vet att Hawking trodde att den så kallade M-teorin var vår bästa chans att skapa en fullständig teori om universum. Men vad är det?
Ända sedan Einsteins allmänna relativitetsteori formulerades 1915 har varje teoretisk fysiker drömt om att förena vår förståelse av den oändligt lilla världen av atomer och partiklar med den oändligt stora rymdskalan. Medan den senare beskrivs perfekt av Einsteins ekvationer, förutsägs den förstnämnda med extraordinär noggrannhet av den så kallade standardmodellen för grundläggande interaktioner.
Vår nuvarande förståelse är att interaktionen mellan fysiska föremål beskrivs av fyra grundläggande krafter. Två av dem - gravitation och elektromagnetism - visas för oss på makroskopisk nivå, vi hanterar dem varje dag. De andra två - svaga och starka interaktioner - visas i mycket liten skala och endast när vi har att göra med subatomära processer.
Standardmodellen för grundläggande interaktioner ger en enda struktur för tre av dessa krafter, men tyngdkraften vill inte passa in i denna bild på något sätt. Trots den exakta beskrivningen av storskaliga fenomen som en planets beteende i bana eller galaxernas dynamik, slutar den allmänna relativiteten att fungera på mycket korta avstånd. Enligt standardmodellen förmedlas alla krafter av vissa partiklar. När det gäller tyngdkraft utförs arbetet av graviton. Men när vi försöker beräkna interaktioner mellan dessa gravitoner, visas meningslösa oändligheter i ekvationerna.
En fullständig teori om tyngdkraft måste fungera i alla skalor och ta hänsyn till kvantitetens naturliga grundpartiklar. Detta skulle göra det möjligt för tyngdkraften att passa in i en kombinerad struktur med tre andra grundläggande interaktioner och därigenom skapa den ökända teorin om allt. Sedan Albert Einstein dog 1955 har det naturligtvis gjorts betydande framsteg på detta område. Vår bästa kandidat idag kallas M-teori.
Strängrevolutionen
För att förstå grundtanken i M-teorin måste du gå tillbaka till 1970-talet, när forskare insåg att istället för att beskriva universum baserat på punktpartiklar, skulle det vara bättre att beskriva dem som svängande strängar (energirör). Ett nytt sätt att förstå de grundläggande beståndsdelarna i naturen har lett till lösningen av många teoretiska problem. Först och främst kan en enda vibration av en sträng tolkas som en graviton. Och till skillnad från standardtyngdkraften, kan strängteori beskriva dess interaktioner matematiskt och inte få konstiga oändligheter. Detta innebär att tyngdkraften kan inkluderas i den kombinerade strukturen.
Kampanjvideo:
Efter denna spännande upptäckt har teoretiska fysiker arbetat hårt för att förstå dess konsekvenser. Men, som ofta är fallet med vetenskaplig forskning, strängteoriens historia är full av upp- och nedgångar. Till en början blev människor förvirrade över att hon förutspådde förekomsten av en partikel som rör sig snabbare än ljus, den så kallade "tachyon". Denna förutsägelse motsatte sig alla experimentella observationer och kastade en allvarlig skugga över strängteorin.
Ändå löstes denna fråga i början av 1980-talet med införandet av så kallad”supersymmetri” i strängteorin. Hon förutspår att varje partikel har sin egen superpartner och genom ett ovanligt sammanfall eliminerar samma tillstånd faktiskt takyon. Denna första framgång är allmänt känd som "första strängrevolutionen".
En annan ovanlig egenskap är att strängteori kräver tio rymd-tidsdimensioner. För närvarande vet vi bara fyra: djup, höjd, bredd och tid. Även om detta verkar vara ett stort hinder har flera lösningar hittills föreslagits, och det verkar för närvarande vara mer av en ovanlig egenskap än ett problem.
Vi kan till exempel existera i en fyrdimensionell värld utan tillgång till ytterligare dimensioner. Eller de extra dimensionerna kan vara "kompakta" och passa in i så små skalor att vi inte märker dem. Men olika komprimeringar skulle leda till olika värden på fysiska konstanter och olika fysiklagar. En möjlig lösning är att vårt universum bara är ett av många i ett oändligt "multipelt universum" som styrs av olika fysiska lagar.
M-teori
Det fanns ytterligare ett problem som spökade dagens strengteoretiker. Noggrann klassificering avslöjade förekomsten av fem distinkta sekventiella strängteorier, och det var oklart varför naturen skulle välja en av de fem.
Det är här M-teorin spelar in. Under den andra strängrevolutionen 1995 föreslog fysiker att fem på varandra följande strängteorier i själva verket är olika ansikten på en unik teori som finns i elva tidsrummet dimensioner som kallas M-teori. Den innehåller varje strängteori i en mängd fysiska sammanhang medan den förblir användbar för alla. Denna otroligt fascinerande bild har lett de flesta teoretiska fysiker till tanken att M-teorin kommer att bli en teori för allt - och den är också matematiskt mer konsekvent än någon annan föreslagen teori.
Vara det som det än så har M-teorin inte lyckats producera förutsägelser som kan verifieras experimentellt. Supersymmetry testas för närvarande på Large Hadron Collider. Om forskare kunde hitta tecken på att det finns superpartners, skulle detta äntligen stärka M-teorin. Men modern teoretisk fysik kan ännu inte ge verifierbara förutsägelser, och experimentell fysik kan inte presentera experiment för denna verifiering.
De flesta av de stora fysikerna och kosmologerna är besatta av att hitta denna vackra och enkla beskrivning av världen som kan förklara allt. Och även om vi fortfarande är långt ifrån detta utan lysande och kreativa människor som Hawking, skulle detta vara helt omöjligt.
Ilya Khel
