Legendan mukaan Albert Einstein vietti viimeiset tuntinsa maapallolla jäljittääksesi jotain paperille viimeisenä yrityksenä muotoilla teoria kaikesta. Kuusikymmentä vuotta myöhemmin toinen legendaarinen teoreettisen fysiikan alan tutkija, Stephen Hawking, jättää tämän maailman samanlaisten ajatusten kanssa. Tiedämme, että Hawking uskoi, että ns M-teoria oli paras mahdollisuutemme luoda täydellinen maailmankaikkeuden teoria. Mutta mitä se on?
Siitä lähtien, kun Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria oli muotoiltu vuonna 1915, jokainen teoreettinen fyysikko on haaveillut sovittavan ymmärryksemme atomien ja hiukkasten äärettömän pienestä maailmasta äärettömän suureen avaruusmittakaavaan. Vaikka jälkimmäinen kuvataan täydellisesti Einsteinin yhtälöillä, entistä ennustetaan poikkeuksellisen tarkkuudella ns. Perusmallien perusmallilla.
Nykyinen käsitys on, että fyysisten esineiden vuorovaikutusta kuvaa neljä perustavoimaa. Kaksi niistä - painovoima ja sähkömagneetismi - ilmestyvät meille makroskooppisella tasolla, käsittelemme niitä joka päivä. Kaksi muuta - heikko ja vahva vuorovaikutus - esiintyvät hyvin pienessä mittakaavassa ja vain silloin, kun kyse on alaatomisista prosesseista.
Perusteellisten vuorovaikutusten vakiomalli tarjoaa yhden rakenteen kolmelle näistä voimista, mutta painovoima ei halua sopia tähän kuvaan millään tavalla. Huolimatta suurten ilmiöiden, kuten kiertoradalla olevan planeetan käyttäytymisen tai galaksien dynamiikan, täsmällisistä kuvauksista, yleinen suhteellisuusteho epäonnistuu hyvin lyhyillä etäisyyksillä. Standardimallin mukaan tietyt hiukkaset välittävät kaikki voimat. Painovoiman tapauksessa työn tekee gravitoni. Mutta kun yritämme laskea näiden gravitonien vuorovaikutusta, yhtälöissä ilmenee merkityksettömiä äärettömyyksiä.
Täydellisen painovoiman teorian on toimittava missä tahansa mittakaavassa ja siinä on otettava huomioon perushiukkasten kvanttiluonne. Tämän ansiosta painovoima mahtuu yhdistettyyn rakenteeseen kolmen muun perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen kanssa, mikä loisi pahamaineisen teorian kaikesta. Tietysti Albert Einstein kuoli vuonna 1955, ja tällä alalla on edistytty huomattavasti. Paras ehdokas tänään on nimeltään M-teoria.
Merkkijonovallankumous
M-teorian perusidean ymmärtämiseksi sinun on palattava 1970-luvulle, jolloin tutkijat ymmärsivät, että sen sijaan, että kuvataan maailmankaikkeutta pistehiukkasten perusteella, olisi parempi kuvata niitä värähtelevien merkkijonojen (energiaputkien) muodossa. Uusi tapa ymmärtää luonnon perustekijöitä on johtanut monien teoreettisten ongelmien ratkaisuun. Ensinnäkin, yhden merkkijonon värähtely voidaan tulkita gravitoniksi. Ja toisin kuin tavallinen painovoima, jousiteoria voi kuvata vuorovaikutuksensa matemaattisesti eikä saada omituisia äärettömyyksiä. Tämä tarkoittaa, että painovoima voidaan sisällyttää yhdistettyyn rakenteeseen.
Mainosvideo:
Tämän jännittävän löytön jälkeen teoreettiset fyysikot ovat työskennelleet ahkerasti ymmärtääksesi sen seurauksia. Mutta kuten tieteellisessä tutkimuksessa usein käy, jousiteorian historia on täynnä ylä- ja alamäkiä. Aluksi ihmiset olivat hämmästyneitä siitä, että hän ennusti hiukkasen, joka liikkuu valoa nopeammin, ns. "Takyonin", olemassaolon. Tämä ennuste oli ristiriidassa kaikkien kokeellisten havaintojen kanssa ja heitti vakavan varjon jousuteoriaan.
Siitä huolimatta tämä kysymys ratkaistiin 1980-luvun alkupuolella ottamalla käyttöön ns. “Supersymmetria” jousiteoriassa. Hän ennustaa, että jokaisella hiukkasella on oma superpartneri ja epätavallisen sattuman vuoksi sama tila todella eliminoi takyonin. Tämä ensimmäinen menestys tunnetaan laajasti nimellä “ensimmäinen merkkijonovallankumous”.
Toinen epätavallinen piirre on, että merkkijonoteoria vaatii kymmenen tila-aika-ulottuvuutta. Tällä hetkellä me tiedämme vain neljä: syvyys, korkeus, leveys ja aika. Vaikka tämä näyttää olevan merkittävä este, toistaiseksi on ehdotettu useita ratkaisuja, ja se näyttää tällä hetkellä olevan epätavallisempi kuin ongelma.
Voisimme esimerkiksi esiintyä nelidimensioisessa maailmassa ilman pääsyä lisäulottuvuuksiin. Tai ylimääräiset mitat voivat olla”pienikokoisia” ja sopia niin pieniin vaakoihin, että emme huomaa niitä. Erilaiset tiivistykset johtaisivat kuitenkin erilaisiin fysikaalisten vakioiden arvoihin ja erilaisiin fysiikkalakeihin. Mahdollinen ratkaisu on, että universumimme on vain yksi monista äärettömässä “monen maailmankaikkeudessa”, jota hallitsevat erilaiset fyysiset lait.
M-teoria
Oli vielä yksi ongelma, joka kummitteli päivän jousiteoreetikkoja. Huolellinen luokittelu paljasti viiden erillisen peräkkäisen jousiteorian olemassaolon, ja oli epäselvää, miksi luonnon tulisi valita yksi viidestä.
Tässä M-teoria tulee peliin. Vuoden 1995 toisen jousivallankumouksen aikana fyysikot ehdottivat, että viisi peräkkäistä jousiteoriaa ovat itse asiassa ainutlaatuisen teorian eri kasvot, jota esiintyy yksitoista avaruusaikamitassa, nimeltään M-teoria. Se sisältää jokaisen merkkijonoteorian erilaisissa fyysisissä yhteyksissä, samalla kun se pysyy toimivana kaikille. Tämä uskomattoman kiehtova kuva on johtanut useimmat teoreettiset fyysikot ajatukseen, että M-teoriasta tulee kaiken teoria - ja se on myös matemaattisesti johdonmukaisempi kuin mikään muu ehdotettu teoria.
Olkoon niin, toistaiseksi M-teoria ei ole pystynyt tuottamaan ennusteita, jotka voidaan vahvistaa kokeellisesti. Supersymmetria testataan parhaillaan Large Hadron Collider -laitteessa. Jos tutkijat löytäisivät merkkejä superkumppaneiden olemassaolosta, tämä vahvistaisi vihdoin M-teorian asemaa. Mutta nykyaikainen teoreettinen fysiikka ei vielä pysty antamaan todennettavissa olevia ennusteita, ja kokeellinen fysiikka ei voi esittää kokeita tätä varmennusta varten.
Suurin osa suurista fyysikoista ja kosmologeista on pakkomielle löytämästä tätä kaunista ja yksinkertaista kuvausta maailmasta, joka voisi selittää kaiken. Ja vaikka olemme vielä kaukana tästä, ilman selkeitä ja luovia ihmisiä, kuten Hawking, tämä olisi täysin mahdotonta.
Ilja Khel