Легендата гласи, че Алберт Айнщайн прекара последните си часове на Земята, проследявайки нещо на лист хартия, в последния опит да формулира теория за всичко. Шестдесет години по-късно друг легендарен учен в областта на теоретичната физика Стивън Хокинг ще напусне този свят с подобни мисли. Знаем, че Хокинг е вярвал, че така наречената М-теория е най-добрият ни шанс да създадем цялостна теория на Вселената. Но какво е това?
Откакто е създадена общата теория на относителността на Айнщайн през 1915 г., всеки теоретичен физик е мечтал да съвмести нашето разбиране за безкрайно малкия свят на атоми и частици с безкрайно големия мащаб на пространството. Докато последният е отлично описан от уравненията на Айнщайн, първото се прогнозира с изключителна точност чрез така наречения Стандартен модел на фундаменталните взаимодействия.
Сегашното ни разбиране е, че взаимодействието между физическите обекти се описва от четири основни сили. Две от тях - гравитацията и електромагнетизмът - се появяват за нас на макроскопично ниво, ние се справяме с тях всеки ден. Другите две - слаби и силни взаимодействия - се появяват в много малък мащаб и само когато имаме работа със субатомни процеси.
Стандартният модел на фундаменталните взаимодействия предоставя единна структура за три от тези сили, но гравитацията не иска да се вписва в тази картина по никакъв начин. Въпреки точното описание на мащабни явления като поведението на планета в орбита или динамиката на галактиките, общата относителност се проваля на много къси разстояния. Според стандартния модел всички сили са опосредствани от определени частици. При гравитацията работата се извършва от гравитона. Но когато се опитаме да изчислим взаимодействията на тези гравитони, в уравненията се появяват безсмислени безкрайности.
Цялостната теория за гравитацията трябва да работи във всякакъв мащаб и да отчита квантовата природа на основните частици. Това би позволило на гравитацията да се впише в комбинирана структура с три други основни взаимодействия, като по този начин създаде прословутата теория за всичко. Разбира се, след като Алберт Айнщайн почина през 1955 г., в тази област е постигнат значителен напредък. Най-добрият ни кандидат днес се нарича М-теория.
Струнната революция
За да разберете основната идея на М-теорията, трябва да се върнете към 70-те години на миналия век, когато учените разбраха, че вместо да описват Вселената, базирана на точкови частици, би било по-добре да ги опишат като осцилиращи струни (енергийни тръби). Нов начин за разбиране на основните съставки на природата доведе до решаването на много теоретични проблеми. На първо място, една вибрация на струна може да се интерпретира като гравитон. И за разлика от стандартната гравитация, теорията на струните може да опише взаимодействията си математически и да не получи странни безкрайности. Това означава, че гравитацията може да бъде включена в комбинираната структура.
Промоционално видео:
След това вълнуващо откритие, теоретичните физици са работили усилено, за да разберат неговите последици. Но, както често се случва с научните изследвания, историята на теорията на струните е пълна с възходи и падения. В началото хората бяха озадачени, че тя предсказва съществуването на частица, която се движи по-бързо от светлината, така наречения „тахион“. Това прогнозиране противоречи на всички експериментални наблюдения и хвърля сериозна сянка върху теорията на струните.
Въпреки това, този въпрос е решен в началото на 80-те години с въвеждането на така наречената „суперсиметрия“в теорията на струните. Тя прогнозира, че всяка частица има свой суперпартнер и по необичайно съвпадение същото условие всъщност елиминира тахиона. Този първи успех е широко известен като „първата струнна революция“.
Друга необичайна особеност е, че теорията на струните изисква десет пространствено-времеви измерения. В момента знаем само четири: дълбочина, височина, ширина и време. Въпреки че това се оказва основна пречка, досега са предложени няколко решения и в момента изглежда по-скоро необичайна функция, отколкото проблем.
Например, бихме могли да съществуваме в четириизмерен свят без достъп до допълнителни измерения. Или допълнителните размери могат да бъдат „компактни“и да се поберат в такива малки везни, че ние не бихме ги забелязали. Различните уплътнения обаче биха довели до различни стойности на физичните константи и различни закони на физиката. Възможно решение е нашата Вселена да е само една от многото в безкрайната „множествена вселена“, управлявана от различни физически закони.
М-теория
Имаше още един проблем, който преследва струнните теоретици на деня. Внимателното класифициране разкри съществуването на пет различни последователни теории на низ и не беше ясно защо природата трябва да избере една от петте.
Тук М-теорията влиза в игра. По време на втората струнна революция през 1995 г. физиците предполагат, че петте последователни теории на струните всъщност са различни лица на уникална теория, която съществува в единадесет пространствено-времеви измерения, наречена М-теория. Той включва всяка теория на струните в различни физически контексти, като остава работещ за всички. Тази невероятно завладяваща картина доведе повечето физици-теоретици до идеята, че М-теорията ще се превърне в теория на всичко - и също така е математически по-последователна от всяка друга предложена теория.
Както и да е, досега М-теорията не е в състояние да даде прогнози, които могат да бъдат проверени експериментално. В момента суперсиметрията се тества на Големия адронен колайдер. Ако учените успеят да намерят признаци за съществуването на супер партньори, това най-накрая ще засили позицията на M-теорията. Но съвременната теоретична физика все още не е в състояние да даде проверими прогнози и експерименталната физика не може да представи експерименти за тази проверка.
Повечето велики физици и космолози са обсебени от намирането на това красиво и просто описание на света, което би могло да обясни всичко. И въпреки че все още сме далеч от това, без блестящи и креативни хора като Хокинг, това би било напълно невъзможно.
Иля Кел