A legenda szerint Albert Einstein az utolsó óráit a Földön töltötte, hogy valamit papíron nyomon követhessen, és végül megpróbálta megfogalmazni minden elméletét. Hatvan évvel később, az elméleti fizika másik legendás tudósa, Stephen Hawking hasonló gondolatokkal hagyja el ezt a világot. Tudjuk, hogy Hawking úgy gondolta, hogy az úgynevezett M-elmélet volt a legjobb esélyünk az univerzum teljes elméletének létrehozására. De mi az?
Azóta, hogy Einstein általános relativitáselméletet 1915-ben megfogalmazták, minden elméleti fizikus álmodozott arról, hogy összehangoljuk az atomok és részecskék végtelenül kicsi világának megértését és a végtelenül nagy tér skáláját. Míg az utóbbi tökéletesen leírja Einstein egyenleteit, addig az előbbi rendkívüli pontossággal megjósolja az alapvető interakciók ún. Standard modelljét.
Jelenlegi megértésünk szerint a fizikai tárgyak közötti kölcsönhatást négy alapvető erő írja le. Két közülük - a gravitáció és az elektromágnesesség - makroszkopikus szinten jelenik meg számunkra, minden nap foglalkozunk velük. A másik kettő - a gyenge és az erős interakciók - nagyon kis léptékben jelenik meg, és csak akkor, ha a szubatómiai folyamatokkal foglalkozunk.
Az alapvető interakciók szokásos modellje egyetlen erőszerkezetet biztosít ezek közül az erők közül három számára, de a gravitáció semmiképpen sem akarja beleilleszkedni ebbe a képbe. A nagyszabású jelenségek pontos leírása ellenére, például egy bolygó keringési viselkedésén vagy a galaxisok dinamikáján, az általános relativitáselmélet nagyon rövid távolságon esik le. A standard modell szerint az összes erőt bizonyos részecskék közvetítik. Gravitáció esetén a munkát a graviton végzi. De amikor megpróbáljuk kiszámítani ezeknek a gravitonoknak a kölcsönhatásait, értelmetlen végtelenségek jelennek meg az egyenletekben.
A gravitáció teljes elméletének bármilyen léptékben működnie kell, és figyelembe kell vennie az alapvető részecskék kvantum jellegét. Ez lehetővé tenné a gravitációnak a három másik alapvető interakcióval kombinált struktúrába illesztését, és így minden hírhedt elméletét hozná létre. Természetesen, mivel Albert Einstein 1955-ben meghalt, ezen a téren jelentős előrelépés történt. Ma a legjobb jelöltünk az M-elmélet.
A húrverseny
Az M-elmélet alapvető gondolatának megértéséhez vissza kell térnie az 1970-es évekre, amikor a tudósok rájöttek, hogy a világegyetem pont részecskék alapján történő leírása helyett jobb lenne őket oszcilláló húrok (energiacsövek) formájában leírni. A természet alapvető alkotóelemeinek megértésének új módja számos elméleti probléma megoldásához vezetett. Először is, egy húr egy rezgése gravitonként értelmezhető. És a standard gravitációval ellentétben a húr elmélet képes matematikai módon leírni kölcsönhatásait, és nem kap furcsa végtelenségeket. Ez azt jelenti, hogy a gravitáció beépíthető a kombinált szerkezetbe.
Promóciós videó:
Az izgalmas felfedezés után az elméleti fizikusok keményen dolgoztak annak következményeinek megértésében. De a tudományos kutatásokhoz hasonlóan, a húros elmélet története tele van hullámvölgyekkel. Az emberek kezdetben meg voltak zavarodva, hogy a fényen gyorsabban mozgó részecske, az úgynevezett "tachyon" létezését jósolta. Ez az előrejelzés ellentmond minden kísérleti megfigyelésnek, és komoly árnyékot vet a húros elmélet fölött.
Ennek ellenére ezt a kérdést az 1980-as évek elején sikerült megoldani az úgynevezett „szuperszimmetria” bevezetésével a húr elméletbe. Azt jósolja, hogy mindegyik részecskének megvan a saját szuperpartnerje, és szokatlan véletlen egybeesés alapján ugyanaz a helyzet valóban kiküszöböli a tachyont. Ezt az első sikert széles körben „első húrversenynek” hívják.
Egy másik szokatlan vonás, hogy a karakterlánc-elmélet tíz tér-idő dimenziót igényel. Jelenleg csak négyet tudunk: mélységet, magasságot, szélességet és időt. Noha ez komoly akadálynak tűnik, eddig számos megoldást javasoltak, és jelenleg úgy tűnik, hogy inkább szokatlan jellemző, mint probléma.
Például létezhetnénk egy négydimenziós világban, anélkül, hogy hozzáférnénk a további dimenziókhoz. Vagy az extra méretek lehetnek „kompaktok”, és beleférnek olyan kis méretekbe, hogy nem vesszük észre őket. A különböző tömörítések azonban a fizikai állandók eltérő értékeihez és a fizika eltérő törvényeihez vezetnek. Egy lehetséges megoldás az, hogy világegyetemünk csak egy a sok fizikai törvények által szabályozott végtelen „többszörös univerzumban”.
M-elmélet
Volt még egy probléma, ami kísértetjárta a mai vonósok teoretikusait. A gondos osztályozás öt különálló egymást követő húrelmélet létezését tárta fel, és nem volt világos, miért kellene a természetnek választania az öt közül egyet.
Az M-elmélet itt játszik szerepet. Az 1995-ös második húros forradalom során a fizikusok azt sugallták, hogy öt egymást követő húrelmélet valójában egy olyan elmélet különféle oldala, amely tizenegy, az idő-tér dimenzióban létezik, úgynevezett M-elmélet. Beépíti az egyes húr elméleteket különféle fizikai összefüggésekbe, miközben mindenki számára használható marad. Ez a hihetetlenül izgalmas kép arra vezette a legtöbb elméleti fizikát, hogy az M-elmélet mindent elméletgé váljon - és matematikailag következetesebb is, mint bármely más javasolt elmélet.
Bárhogy is legyen, az M-elmélet eddig nem volt képes olyan előrejelzéseket készíteni, amelyeket kísérletileg igazolni lehet. A szuperszimmetriát jelenleg a Large Hadron Collider vizsgálja. Ha a tudósok jeleket találnának a szuper partnerek létezéséről, ez végül megerősíti az M-elmélet helyzetét. A modern elméleti fizika azonban még nem képes ellenőrizhető előrejelzéseket adni, és a kísérleti fizika nem képes kísérleteket bemutatni ennek igazolására.
A legtöbb nagy fizikus és kozmológus megszállottja annak, hogy megtalálja a világ ezt a gyönyörű és egyszerű leírását, amely mindent megmagyarázhat. És bár még messze vagyunk ettől, briliáns és kreatív emberek nélkül, mint például Hawking, ez teljesen lehetetlen.
Ilya Khel