Legenda głosi, że Albert Einstein spędził ostatnie godziny na Ziemi, śledząc coś na kartce papieru, próbując ostatecznie sformułować teorię wszystkiego. Sześćdziesiąt lat później inny legendarny naukowiec zajmujący się fizyką teoretyczną, Stephen Hawking, opuści ten świat z podobnymi myślami. Wiemy, że Hawking uważał, że tak zwana teoria M była naszą najlepszą szansą na stworzenie pełnej teorii wszechświata. Ale co to jest?
Odkąd w 1915 roku sformułowano ogólną teorię względności Einsteina, każdy fizyk teoretyk marzył o pogodzeniu naszego rozumienia nieskończenie małego świata atomów i cząstek z nieskończenie dużą skalą przestrzeni. Podczas gdy to drugie jest doskonale opisane przez równania Einsteina, to pierwsze jest przewidywane z niezwykłą dokładnością przez tak zwany Standardowy Model Oddziaływań Fundamentalnych.
Obecnie rozumiemy, że interakcję między obiektami fizycznymi opisują cztery podstawowe siły. Dwa z nich - grawitacja i elektromagnetyzm - pojawiają się dla nas na poziomie makroskopowym, mamy z nimi do czynienia na co dzień. Pozostałe dwa - oddziaływania słabe i silne - pojawiają się na bardzo małą skalę i tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z procesami subatomowymi.
Standardowy model oddziaływań fundamentalnych zapewnia jedną strukturę dla trzech z tych sił, ale grawitacja nie chce w żaden sposób pasować do tego obrazu. Pomimo dokładnych opisów zjawisk na dużą skalę, takich jak zachowanie planety na orbicie lub dynamika galaktyk, ogólna teoria względności zawodzi na bardzo małych odległościach. Zgodnie z modelem standardowym we wszystkich siłach pośredniczą określone cząstki. W przypadku grawitacji praca jest wykonywana przez grawiton. Ale kiedy próbujemy obliczyć oddziaływania tych grawitonów, w równaniach pojawiają się bezsensowne nieskończoności.
Kompletna teoria grawitacji musi działać w dowolnej skali i uwzględniać kwantową naturę cząstek elementarnych. Umożliwiłoby to dopasowanie grawitacji do połączonej struktury z trzema innymi podstawowymi interakcjami, tworząc w ten sposób słynną teorię wszystkiego. Oczywiście, odkąd Albert Einstein zmarł w 1955 roku, dokonał się znaczący postęp w tej dziedzinie. Nasz najlepszy dzisiejszy kandydat nazywa się M-teorią.
Rewolucja strunowa
Aby zrozumieć podstawową ideę teorii M, trzeba cofnąć się do lat 70. XX wieku, kiedy naukowcy zdali sobie sprawę, że zamiast opisywać wszechświat na podstawie cząstek punktowych, lepiej byłoby opisać je jako oscylujące struny (rury energetyczne). Nowy sposób rozumienia podstawowych składników przyrody doprowadził do rozwiązania wielu problemów teoretycznych. Przede wszystkim pojedynczą wibrację struny można zinterpretować jako grawiton. I w przeciwieństwie do standardowej grawitacji, teoria strun może opisywać swoje interakcje w sposób matematyczny i nie daje dziwnych nieskończoności. Oznacza to, że w połączonej strukturze można uwzględnić grawitację.
Film promocyjny:
Po tym ekscytującym odkryciu fizycy teoretyczni ciężko pracowali, aby zrozumieć jego konsekwencje. Ale, jak to często bywa w przypadku badań naukowych, historia teorii strun jest pełna wzlotów i upadków. Początkowo ludzie byli zakłopotani, że przewidziała istnienie cząstki poruszającej się szybciej niż światło, tak zwanego „tachionu”. Ta prognoza zaprzeczała wszystkim obserwacjom eksperymentalnym i rzuciła poważny cień na teorię strun.
Niemniej jednak kwestia ta została rozwiązana na początku lat 80. XX wieku wraz z wprowadzeniem do teorii strun tzw. „Supersymetrii”. Przewiduje, że każda cząstka ma swojego superpartnera i, przez niezwykły zbieg okoliczności, ten sam stan faktycznie eliminuje tachion. Ten pierwszy sukces jest powszechnie znany jako „pierwsza rewolucja strun”.
Inną niezwykłą cechą jest to, że teoria strun wymaga dziesięciu wymiarów czasoprzestrzennych. Obecnie znamy tylko cztery: głębokość, wysokość, szerokość i czas. Chociaż wydaje się to być główną przeszkodą, do tej pory zaproponowano kilka rozwiązań i obecnie wydaje się, że jest to bardziej niezwykła cecha niż problem.
Na przykład moglibyśmy istnieć w czterowymiarowym świecie bez dostępu do dodatkowych wymiarów. Albo dodatkowe wymiary mogą być „kompaktowe” i zmieścić się w tak małych skalach, że byśmy ich nie zauważyli. Jednak różne zagęszczenia prowadziłyby do różnych wartości stałych fizycznych i różnych praw fizyki. Możliwym rozwiązaniem jest to, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu w nieskończonym „wielokrotnym wszechświecie”, rządzonym przez różne prawa fizyczne.
M-teoria
Był jeszcze jeden problem, który prześladował ówczesnych teoretyków strun. Dokładna klasyfikacja ujawniła istnienie pięciu odrębnych sekwencyjnych teorii strun i nie było jasne, dlaczego natura miałaby wybrać jedną z pięciu.
I tu do gry wkracza M-teoria. Podczas drugiej rewolucji strun w 1995 roku fizycy zasugerowali, że pięć kolejnych teorii strun jest w rzeczywistości różnymi obliczami unikalnej teorii, która istnieje w jedenastu wymiarach czasoprzestrzeni zwanych M-teorią. Uwzględnia każdą teorię strun w różnych kontekstach fizycznych, pozostając jednocześnie wykonalnym dla każdego. Ten niesamowicie fascynujący obraz doprowadził większość fizyków teoretycznych do idei, że teoria M stanie się teorią wszystkiego - i jest również matematycznie bardziej spójna niż jakakolwiek inna proponowana teoria.
Tak czy inaczej, do tej pory M-teoria nie była w stanie stworzyć prognoz, które można zweryfikować eksperymentalnie. Supersymetria jest obecnie testowana w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Gdyby naukowcy mogli znaleźć oznaki istnienia superpartnerów, ostatecznie wzmocniłoby to pozycję teorii M. Ale współczesna fizyka teoretyczna nie jest jeszcze w stanie podać sprawdzalnych przewidywań, a fizyka eksperymentalna nie może przedstawić eksperymentów dla tej weryfikacji.
Większość wielkich fizyków i kosmologów ma obsesję na punkcie znalezienia tego pięknego i prostego opisu świata, który mógłby wszystko wyjaśnić. I chociaż wciąż nam do tego daleko, bez genialnych i kreatywnych ludzi, takich jak Hawking, byłoby to całkowicie niemożliwe.
Ilya Khel