Stephen Hawking havde sat sit håb på M-teori for fuldt ud at forklare universet-her er hvad det er

Rygtet siger, at Albert Einstein tilbragte sine sidste par timer på Jorden med at skrive noget på et stykke papir i et sidste forsøg på at formulere en teori om alt. Omkring 60 år senere, en anden legendarisk figur inden for teoretisk fysik, Stephen Hawking, kan være gået bort med lignende tanker. Vi ved, at Hawking troede, at noget kaldet "M-teori" er vores bedste bud på en komplet teori om universet. Men hvad er det?

Siden formuleringen af ​​Einsteins teori om generel relativitet i 1915, enhver teoretisk fysiker har drømt om at forene vores forståelse af den uendeligt lille verden af ​​atomer og partikler med den af ​​kosmos uendeligt store skala. Selvom sidstnævnte effektivt beskrives ved Einsteins ligninger, førstnævnte forudsiges med ekstraordinær nøjagtighed af den såkaldte Standard Model of fundamental interactions.

Vores nuværende forståelse er, at interaktionen mellem fysiske objekter beskrives af fire grundlæggende kræfter. To af dem - tyngdekraft og elektromagnetisme - er relevante for os på et makroskopisk plan, vi håndterer dem i vores hverdag. De to andre, kaldet stærke og svage interaktioner, handle i meget lille skala og kun blive relevant, når vi beskæftiger os med subatomære processer.

Standardmodellen for grundlæggende interaktioner udgør en samlet ramme for tre af disse kræfter, men tyngdekraften kan ikke konsekvent inkluderes i dette billede. På trods af dens nøjagtige beskrivelse af store fænomener som en planets bane eller galakse dynamik, generel relativitet går i stykker på meget korte afstande. Ifølge standardmodellen, alle kræfter medieres af specifikke partikler. For tyngdekraften, en partikel kaldet graviton gør jobbet. Men når man forsøger at beregne, hvordan disse gravitoner interagerer, uanstændige uendeligheder dukker op.

En konsekvent tyngdekraftsteori bør være gyldig i enhver skala og bør tage hensyn til grundpartiklernes kvantekarakter. Dette ville rumme tyngdekraften i en samlet ramme med de tre andre grundlæggende interaktioner, giver dermed den berømte teori om alt. Selvfølgelig, siden Einsteins død i 1955, der er gjort store fremskridt, og i dag går vores bedste kandidat under navnet M-teori.

Strenge revolution

For at forstå den grundlæggende idé om M-teori, man skal tilbage til 1970'erne, da forskere indså, at frem for at beskrive universet baseret på punktlignende partikler, du kan beskrive det i form af små svingende strenge (energirør). Denne nye tankegang om de grundlæggende bestanddele i naturen viste sig at løse mange teoretiske problemer. Først og fremmest, en bestemt svingning af strengen kunne tolkes som en graviton. Og i modsætning til standardteori om tyngdekraft, strengteori kan beskrive dets interaktioner matematisk uden at få underlige uendeligheder. Dermed, tyngdekraften blev endelig inkluderet i en samlet ramme.

Efter denne spændende opdagelse, teoretiske fysikere lagde en stor indsats i at forstå konsekvenserne af denne skelsættende idé. Imidlertid, som det ofte sker med videnskabelig forskning, strengteoriens historie er præget af op- og nedture. I starten mennesker var forundrede, fordi det forudsagde eksistensen af ​​en partikel, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed, kaldet en "tachyon". Denne forudsigelse var i kontrast til alle de eksperimentelle observationer og satte alvorlig tvivl om strengteori.

Alligevel, dette problem blev løst i begyndelsen af ​​1980'erne ved indførelsen af ​​noget, der kaldes "supersymmetri" i strengteori. Dette forudsiger, at hver partikel har en superpartner og, ved en ekstraordinær tilfældighed, den samme tilstand eliminerer faktisk tachyonen. Denne første succes er almindeligt kendt som "den første strengrevolution".

Et andet slående træk er, at strengteori kræver eksistensen af ​​ti rumtidsdimensioner. I øjeblikket, vi kender kun til fire:dybde, højde, bredde og tid. Selvom dette kan synes at være en stor hindring, flere løsninger er blevet foreslået, og i dag betragtes det som en bemærkelsesværdig funktion, frem for et problem.

For eksempel, vi kunne på en eller anden måde blive tvunget til at leve i en fire -dimensionel verden uden adgang til de ekstra dimensioner. Eller de ekstra dimensioner kunne "komprimeres" i så lille en skala, at vi ikke ville lægge mærke til dem. Imidlertid, forskellige komprimeringer ville føre til forskellige værdier af de fysiske konstanter og, derfor, forskellige fysiske love. En mulig løsning er, at vores univers kun er et af mange i et uendeligt "multivers", styret af forskellige fysiske love.

Det kan virke underligt, men mange teoretiske fysikere kommer til denne idé. Hvis du ikke er overbevist, kan du prøve at læse romanen Flatland:en romantik af mange dimensioner af Edwin Abbott, hvor karaktererne er tvunget til at leve i to rumdimensioner og ikke er i stand til at indse, at der er en tredje.

M-teori

Men der var et tilbageværende presserende problem, der generede strengteoretikere dengang. En grundig klassificering viste eksistensen af ​​fem forskellige konsekvente strengteorier, og det var uklart, hvorfor naturen ville vælge en ud af fem.

Det var da M-teori kom ind i spillet. Under den anden strengrevolution, i 1995, fysikere foreslog, at de fem konsekvente strengteorier faktisk kun er forskellige ansigter på en unik teori, der lever i elleve rumtiden dimensioner og er kendt som M-teori. Det inkluderer hver af strengteorierne i forskellige fysiske sammenhænge, men er stadig gyldig for dem alle. Dette ekstremt fascinerende billede har fået de fleste teoretiske fysikere til at tro på M-teori som teorien om alt-det er også mere matematisk konsekvent end andre kandidatteorier.

Alligevel, hidtil har M-teori kæmpet med at producere forudsigelser, der kan testes ved forsøg. Supersymmetri testes i øjeblikket hos Large Hadron Collider. Hvis forskere finder beviser for superpartnere, det ville i sidste ende styrke M-teorien. Men det er stadig en udfordring for nuværende teoretiske fysikere at producere testbare forudsigelser og for eksperimentelle fysikere at oprette eksperimenter for at teste dem.

De fleste store fysikere og kosmologer er drevet af en passion for at finde det smukke, enkel beskrivelse af verden, der kan forklare alt. Og selvom vi ikke er der endnu, vi ville ikke have en chance uden den skarpe, kreative sind hos mennesker som Hawking.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.