Legenda kaže da je Albert Einstein proveo svoje posljednje sate na Zemlji tražeći nešto na komadu papira u posljednjem pokušaju formuliranja teorije svega. Šezdeset godina kasnije, drugi legendarni znanstvenik na polju teorijske fizike, Stephen Hawking, napustiti će ovaj svijet sa sličnim razmišljanjima. Znamo da je Hawking vjerovao da je takozvana M-teorija naša najbolja šansa za stvaranje cjelovite teorije svemira. Ali što je to?
Otkako je 1915. formulirana Einsteinova opća teorija relativnosti, svaki teorijski fizičar sanjao je da uskladi naše razumijevanje beskonačno malog svijeta atoma i čestica s beskonačno velikim prostorom prostora. Iako je potonji savršeno opisan Einsteinovim jednadžbama, prvi se predviđa s iznimnom točnošću takozvanim Standardnim modelom temeljnih interakcija.
Naše trenutno shvaćanje je da interakciju između fizičkih objekata opisuju četiri temeljne sile. Dvije od njih - gravitacija i elektromagnetizam - pojavljuju se za nas na makroskopskoj razini, s njima se bavimo svakodnevno. Druga dva - slabe i jake interakcije - pojavljuju se u vrlo malom obimu i to samo kad se bavimo subatomskim procesima.
Standardni model temeljnih interakcija pruža jedinstvenu strukturu za tri od tih sila, ali gravitacija se ni na koji način ne želi uklopiti u ovu sliku. Unatoč točnom opisu fenomena velikih razmjera, poput ponašanja planeta u orbiti ili dinamike galaksija, opća relativnost ne uspijeva na vrlo malim udaljenostima. Prema Standardnom modelu sve sile su posredovane određenim česticama. U slučaju gravitacije, posao obavlja graviton. Ali kad pokušamo izračunati interakcije tih gravitona, u jednadžbama se pojavljuju besmislene beskonačnosti.
Kompletna teorija gravitacije mora raditi u bilo kojoj mjeri i uzeti u obzir kvantnu prirodu osnovnih čestica. To bi gravitaciji omogućilo da se uklopi u kombiniranu strukturu s tri druge temeljne interakcije, stvarajući tako notornu teoriju svega. Naravno, otkako je Albert Einstein umro 1955., na ovom je području postignut značajan napredak. Naš najbolji kandidat danas se zove M-teorija.
Niz revolucija
Da biste razumjeli osnovnu ideju M-teorije, morate se vratiti u 1970-e, kada su znanstvenici shvatili da bi bilo bolje opisivati svemir temeljen na točkovnim česticama, bolje ih je opisati u obliku oscilirajućih žica (energetskih cijevi). Novi način razumijevanja osnovnih sastavnih dijelova prirode doveo je do rješenja mnogih teorijskih problema. Prije svega, jedna vibracija niza može se protumačiti kao graviton. A za razliku od standardne gravitacije, teorija struna može matematički opisati svoje interakcije i ne dobiti neobične beskonačnosti. To znači da gravitacija može biti uključena u kombiniranu strukturu.
Promotivni video:
Nakon ovog uzbudljivog otkrića, teorijski fizičari naporno su radili kako bi shvatili njegove posljedice. Ali, kao što je to često slučaj sa znanstvenim istraživanjima, povijest teorije struna puna je uspona i padova. U početku su je ljudi zbunili što je ona predvidjela postojanje čestice koja se kreće brže od svjetlosti, takozvanog "tahiona". Ovo predviđanje bilo je protivno svim eksperimentalnim opažanjima i bacilo je ozbiljnu sjenu na teoriju struna.
Ipak, ovo je pitanje riješeno početkom 1980-ih uvođenjem takozvane "supersimetrije" u teoriju struna. Ona predviđa da svaka čestica ima svog superpartnera i, neobičnom slučajnošću, isti uvjet zapravo uklanja tahion. Ovaj prvi uspjeh nadaleko je poznat kao „prva struna revolucija“.
Još jedna neobična značajka je da teorija struna zahtijeva deset dimenzija prostor-vrijeme. Trenutno znamo samo četiri: dubinu, visinu, širinu i vrijeme. Iako se ovo čini glavnom preprekom, do sada je predloženo nekoliko rješenja, a čini se da je to više neuobičajena značajka nego problem.
Na primjer, mogli bismo postojati u četverodimenzionalnom svijetu bez ikakvog pristupa dodatnim dimenzijama. Ili bi dodatne dimenzije mogle biti "kompaktne" i uklopiti se u tako male ljestvice da ih ne bismo primijetili. Međutim, različita zbijanja dovela bi do različitih vrijednosti fizičkih konstanti i različitih zakona fizike. Moguće rješenje je da je naš Univerzum samo jedan od mnogih u beskonačnom "višestrukom svemiru" kojim upravljaju različiti fizički zakoni.
M-teorija
Imao je još jedan problem koji je progonio gudačke teoretičare današnjice. Pažljiva klasifikacija otkrila je postojanje pet različitih uzastopnih teorija niza, i bilo je nejasno zašto bi priroda trebala odabrati jednu od pet.
Tu dolazi do izražaja M-teorija. Tijekom revolucije drugog niza 1995., fizičari su sugerirali da je pet uzastopnih teorija niza zapravo različita lica jedinstvene teorije koja postoji u jedanaest vremensko-prostornih dimenzija zvanih M-teorija. Uključuje svaku teoriju struna u različitim fizičkim kontekstima, dok je svima korisno. Ova nevjerojatno fascinantna slika dovela je većinu fizičara teorije do ideje da će M-teorija postati teorija svega - a također je matematički konzistentnija od bilo koje druge predložene teorije.
Bez obzira na to, M-teorija do sada nije uspjela proizvesti predviđanja koja bi se mogla eksperimentalno provjeriti. Supersimetrija se trenutno ispituje na velikom hadronskom sudaraču. Ako bi znanstvenici mogli pronaći znakove postojanja super partnera, to bi konačno ojačalo poziciju M-teorije. No suvremena teorijska fizika još nije u mogućnosti dati predvidljiva predviđanja, a eksperimentalna fizika ne može predstaviti eksperimente za ovu provjeru.
Većina velikih fizičara i kozmologa opsjednuta je pronalaskom ovog lijepog i jednostavnog opisa svijeta koji bi mogao objasniti sve. I iako smo još daleko od ovoga, bez sjajnih i kreativnih ljudi poput Hawkinga, to bi bilo potpuno nemoguće.
Ilya Khel