Стівен Хокінг сподівався, що M-теорія пояснить Всесвіт. Що це за теорія?

Є легенда, що Альберт Ейнштейн провів свої останні години на Землі, викреслюючи щось на аркуші паперу в останній спробі сформулювати теорію всього. Через 60 років і інший легендарний вчений в галузі теоретичної фізики, Стівен Хокінг, покине цей світ зі схожими думками. Ми знаємо, що Він вважав, що так звана M-теорія — наш найкращий шанс створити повну теорію всесвіту. Але що це?

З тих пір, як в 1915 році була сформульована загальна теорія відносності Ейнштейна, кожен фізик-теоретик мріяв примирити наше розуміння нескінченно малого світу атомів і частинок з нескінченно великим масштабом космосу. Якщо останнє відмінно описується рівняннями Ейнштейна, перше з надзвичайною точністю прогнозується так званою Стандартною моделлю фундаментальних взаємодій.

Наше нинішнє розуміння полягає в тому, що взаємодія між фізичними об'єктами описується чотирма фундаментальними силами. Дві з них — гравітація і електромагнетизм — виявляються для нас на макроскопічному рівні, ми маємо з ними справу кожен день. Інші дві — слабку і сильну взаємодію проявляються на дуже малих масштабах і лише коли ми маємо справу з субатомными процесами.

Стандартна модель фундаментальних взаємодій забезпечує єдину структуру для трьох з цих сил, але гравітація ніяк не хоче вписуватися в цю картину. Незважаючи на точне опис великомасштабних явищ, таких як поведінка планети на орбіті або динаміка галактик, загальна теорія відносності перестає працювати на дуже коротких дистанціях. Відповідно до Стандартної моделі, всі сили опосередковуються певними частками. У випадку з гравітацією роботу виконує гравітон. Але коли ми намагаємося розрахувати взаємодії цих гравітонів, з'являються безглузді нескінченності в рівняннях.

Повноцінна теорія гравітації повинна бути робочою в будь-яких масштабах і приймати до уваги квантову природу фундаментальних частинок. Це дозволило б умістити гравітацію в об'єднаній структурі з трьома іншими фундаментальними взаємодіями, тим самим створивши горезвісну " теорію всього. Звичайно, з тих пір, як помер Альберт Ейнштейн у 1955 році, був проведений значний прогрес в цій області. Наш кращий кандидат сьогодні носить ім'я M-теорії.

Революція струн

Щоб зрозуміти основну ідею М-теорії, потрібно повернутися в 1970-е роки, коли вчені зрозуміли, що замість того, щоб описувати світ, ґрунтуючись на точкових частинках, їх краще було б описувати у вигляді осцилюючих струн (енергетичних трубочок). Новий спосіб осмислення фундаментальних складових природи привів до вирішення багатьох теоретичних проблем. Насамперед, окреме коливання струни можна інтерпретувати як гравітон. І на відміну від стандартної теорії гравітації, теорія струн може описувати його взаємодії математично і не отримувати дивних нескінченностей. Значить, гравітацію можна буде включити в об'єднану структуру.

Після цього хвилюючого відкриття фізики-теоретики доклали багато зусиль, щоб усвідомити його наслідки. Але, як це часто трапляється з науковими дослідженнями, історія теорії струн сповнена злетів і падінь. Спершу люди були спантеличені тим, що вона передбачала існування частинки, яка рухається швидше світла, так званий «тахіон». Це передбачення увійшло в протиріччя з усіма експериментальними спостереженнями і кинуло серйозну тінь на теорію струн.

Тим не менше це питання було вирішено на початку 1980-х років разом з введенням в теорію струн так званої "суперсиметрії". Вона передбачає, що у кожної частинки є свій суперпартнер і, за незвичним збігом, те ж саме умова фактично усуває тахіон. Цей перший успіх широко відомий як "перша струнна революція".

Інша незвичайна особливість у тому, що теорія струн вимагає існування десяти просторово-часових вимірів. В даний час нам відомо лише чотири: глибина, висота, ширина і час. Хоча це схоже на серйозну перешкоду, пропонувалося вже кілька рішень, і в даний час це все бачиться швидше незвичайною особливістю, ніж проблемою.

Наприклад, ми могли б існувати в чотиривимірному світі без будь-якого доступу до додаткових вимірів. Або ж зайві вимірювання могли бути компактними" і уміщені в такі невеликі масштаби, що ми їх не помічали. Однак різні компактификации призвели б до інших значень фізичних констант та іншим законам фізики. Можливе рішення полягає в тому, що наш Всесвіт лише одна з багатьох в нескінченній "множинної всесвіту", керованої різними фізичними законами.

М-теорія

Залишалася ще одна проблема, яка не давала спокою теоретикам струн того часу. Ретельна класифікація показала існування п'яти різних послідовних теорій струн, і було незрозуміло, чому природа повинна вибирати одну з п'яти.

І тут у гру вступає М-теорія. Під час другої революції струн в 1995 році фізики припустили, що п'ять послідовних теорій струн насправді є різними особами унікальної теорії, яка існує в одинадцяти просторово-часових вимірах і називається М-теорією. Вона включає кожну струнну теорію різних фізичних контекстів, при цьому залишаючись робочої для всіх. Ця неймовірно захоплююча картина привела більшість теоретичних фізиків до ідеї, що М-теорія стане теорією всього — і вона також математично більш послідовна,ніж всі інші пропоновані теорії.

Як би те ні було, поки що М-теорія не змогла зробити прогнози, які можуть бути перевірені експериментально. Суперсиметрія в даний час тестується на Великому адронному колайдері. Якби вчені змогли знайти ознаки існування суперпартнеров, це остаточно зміцнило б позиції М-теорії. Але сучасна теоретична фізика поки не в змозі дати перевіряються прогнози, а експериментальна не може представити для цієї перевірки експерименти.

Більшість великих фізиків і космологів одержимі бажанням знайти це прекрасне і просте опис світу, яке могло би пояснити все. І хоча ми поки далекі від цього, без геніальних і творчих людей начебто Хокінга це було б і зовсім неможливо.