Stephen Hawking nadzieję, że M-teoria wyjaśni Wszechświat. Co to za teoria?

Istnieje legenda, że Albert Einstein spędził swoje ostatnie chwile na Ziemi, вычерчивая coś na kartce papieru w ostatniej próby sformułowania teorii wszystkiego. 60 lat później i inny legendarny naukowiec w dziedzinie fizyki teoretycznej, Stephen Hawking, opuścić ten świat z podobnymi myślami. Wiemy, że Hawking uważał, że tak zwana M-teoria — nasz najlepszy szansę stworzyć pełną teorię wszechświata. Ale co to jest?

Od tego czasu, jak w 1915 roku została sformułowana ogólna teoria względności Einsteina, każdy fizyk-teoretyk marzył pogodzić nasze rozumienie nieskończenie małych świata atomów i cząsteczek z nieskończenie dużą skalę kosmosu. Jeśli ostatnio świetnie opisano równaniami Einsteina, pierwszy z niezwykłą dokładnością przewiduje tzw. Standardowym modelem podstawowych interakcji.

Nasze obecne zrozumienie polega na tym, że interakcja pomiędzy fizycznymi, jak opisano czterema fundamentalnymi siłami. Dwie z nich — grawitacja i elektromagnetyzm — pojawiają się dla nas na badanie makroskopowe poziomie, mamy z nimi do czynienia na co dzień. Pozostałe dwie — słabe i silne oddziaływanie — pojawiają się na bardzo niewielką skalę i tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z субатомными procesami.

Model Standardowy podstawowych interakcji zapewnia jednolitą strukturę dla trzech z tych sił, ale grawitacja nie chce zmieścić się w ten obraz. Pomimo dokładny opis na dużą skalę zjawisk, takich jak zachowanie planety na orbicie lub głośnika galaktyk, ogólna teoria względności przestaje pracować na bardzo krótkich dystansach. Według Standardowego modelu, wszystkie siły опосредуются pewnymi stałymi. W przypadku grawitacji pracę wykonuje grawitony. Ale kiedy próbujemy obliczyć interakcji tych гравитонов, pojawiają się bezsensowne nieskończoności w równaniach.

Pełna teoria grawitacji roboczej musi być w dowolnej skali i brać pod uwagę kwantową naturę fundamentalnych cząstek. To pozwoliło by zmieścić grawitację w połączonej strukturze z trzema innymi fundamentalnymi interakcjami, tym samym tworząc przysłowiową teorii wszystkiego. Oczywiście, odkąd zmarł Albert Einstein w 1955 roku, był zrobić znaczący postęp w tej dziedzinie. Nasz najlepszy kandydat dziś nosi nazwę M-teorii.

Rewolucja strun

Aby zrozumieć główną ideę M-teorii, trzeba wrócić w latach 1970-tych, kiedy to naukowcy zrozumieli, że zamiast opisywać wszechświat, na podstawie punktowych cząstek, ich lepiej byłoby opisać jako wahadłowy strun (energetycznych rurek). Nowy sposób myślenia o podstawowych składników przyrody, doprowadził do rozwiązania wielu problemów teoretycznych. Przede wszystkim, osobne drganie struny można interpretować jako grawitony. I w przeciwieństwie do standardowej teorii grawitacji, teoria strun może opisywać jego interakcji matematycznie i nie dostawać dziwnych бесконечностей. To znaczy, że grawitację będzie można włączyć się w jednolitą strukturę.

Po tym волнительного otwarcia fizycy-teoretycy włożył wiele wysiłku, aby zrozumieć jego konsekwencje. Ale, jak to często się zdarza z badaniami naukowymi, historia teorii strun jest pełna wzlotów i upadków. Najpierw ludzie byli zdumieni tym, że ona przewidzial istnienie cząstki, która porusza się szybciej niż światło, tak zwany "тахион". Ta przepowiednia weszło w konflikt ze wszystkimi obserwacjami eksperymentalnymi i umieścił poważny cień na teorię strun.

Niemniej jednak kwestia ta została rozwiązana na początku lat 1980-tych wraz z wprowadzeniem w teorię strun tzw. "supersymetrią". Przewiduje ona, że każda cząstka ma swoją суперпартнер i niezwykłym zbiegiem okoliczności, to samo warunek skutecznie eliminuje тахион. Ten pierwszy sukces powszechnie znany jako "pierwsza sekcję ciągu rewolucja".

Kolejna niezwykła cecha w tym, że teoria strun wymaga istnienia dziesięciu czasowo-przestrzennych pomiarów. Obecnie wiemy tylko cztery: głębokość, wysokość, szerokość i czas. Chociaż wygląda to na poważną przeszkodę, proponowano już kilka rozwiązań, i teraz to wszystko wydaje się raczej niezwykłą cechą, niż problemem.

Na Przykład, moglibyśmy istnieć w четырехмерном świecie bez jakiegokolwiek dostępu do zaawansowanych pomiarów. Albo dodatkowe pomiary mogły być "zwarte" i умещены w tak małych rozmiarów, że ich nie zauważył. Jednak różne компактификации doprowadziły by do innych wartości stałych fizycznych i innym prawom fizyki. Rozwiązanie polega na tym, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu w niekończącej się "szpiczaka wszechświata", kierujących się różnymi prawami fizycznymi.

M-teoria

Pozostawała jeszcze jedna sprawa, która nie dawała spokoju теоретикам strun czasu. Dokładna klasyfikacja wykazała istnienie pięciu różnych kolejnych teorii strun, i nie było jasne, dlaczego natura musi wybrać jedną z pięciu.

I tu w grę wchodzi M-teoria. Podczas drugiej rewolucji strun w 1995 roku fizyki sugerują, że pięć kolejnych teorii strun w rzeczywistości są różnymi osobami wyjątkowej teorii, która istnieje w jedenastu przestrzenno-czasowych i nazywa się M-teorią. Polega ona na każdą струнную teorię różnych fizycznych kontekstów, pozostając roboczej dla wszystkich. Ta niezwykle wciągająca obraz doprowadziła większość fizyków teoretycznych do idei, że M-teoria staje się teorią wszystkiego — i ona również matematycznie bardziej konsekwentna,niż wszystkie pozostałe oferowane teorii.

Jak by to było, póki co M-teoria nie była w stanie dokonać prognozy, które mogą być sprawdzone doświadczalnie. Суперсимметрия obecnie jest testowany na Wielkim zderzaczu hadronów. Gdyby naukowcy byli w stanie znaleźć oznaki istnienia суперпартнеров, to ostatecznie utwierdziło pozycji M-teorii. Ale współczesna fizyka teoretyczna nie jest w stanie dać sprawdzalne prognozy, a eksperymentalna nie może przedstawić do tej kontroli eksperymenty.

Większość wielkich fizyków i kosmologów opętani pragnieniem znaleźć to piękny i prosty opis świata, która mogłaby wyjaśnić wszystko. I choć jesteśmy jeszcze daleko od tego, bez pomysłowych i kreatywnych ludzi takich jak Hawkinga to byłoby w ogóle możliwe.