Leģenda vēsta, ka Alberts Einšteins savas pēdējās stundas pavadīja uz Zemes, izsekojot kaut ko uz papīra, mēģinot formulēt visa teoriju. Pēc sešdesmit gadiem cits leģendārais zinātniskais teorētiskās fizikas zinātnieks Stīvens Hokings atstās šo pasauli ar līdzīgām domām. Mēs zinām, ka Hokings uzskatīja, ka tā saucamā M teorija ir mūsu labākā iespēja izveidot pilnīgu Visuma teoriju. Bet kas tas ir?
Kopš Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas formulēšanas 1915. gadā, katrs teorētiskais fiziķis ir sapņojis saskaņot mūsu izpratni par bezgalīgi mazo atomu un daļiņu pasauli ar bezgala lielo kosmosa mērogu. Lai gan pēdējais ir lieliski aprakstīts ar Einšteina vienādojumiem, bijušais tiek prognozēts ar ārkārtēju precizitāti ar tā saukto pamata mijiedarbības standarta modeli.
Mūsu pašreizējā izpratne ir tāda, ka fizisko objektu mijiedarbību raksturo četri pamata spēki. Divas no tām - smaguma spēks un elektromagnētisms - mums parādās makroskopiskā līmenī, mēs ar tām strādājam katru dienu. Divas pārējās - vāja un spēcīga mijiedarbība - parādās ļoti mazā mērogā un tikai tad, kad mums ir darīšana ar subatomiskiem procesiem.
Pamattiesību mijiedarbības standarta modelis nodrošina vienotu struktūru trim no šiem spēkiem, bet gravitācija nekādā veidā nevēlas iekļauties šajā attēlā. Neskatoties uz precīziem liela mēroga parādību aprakstiem, piemēram, uz planētas izturēšanos orbītā vai galaktiku dinamiku, vispārējā relativitāte neizdodas ļoti mazos attālumos. Saskaņā ar standarta modeli, visus spēkus mediē noteiktas daļiņas. Smaguma gadījumā darbu veic gravitons. Bet, mēģinot aprēķināt šo gravitonu mijiedarbību, vienādojumos parādās bezjēdzīgas bezgalības.
Pilnīgai gravitācijas teorijai jādarbojas jebkurā mērogā un jāņem vērā pamatdaļiņu kvantu raksturs. Tas ļautu gravitācijai iekļauties kombinētā struktūrā ar trim citām pamata mijiedarbībām, tādējādi radot bēdīgi slaveno teoriju par visu. Protams, kopš Alberts Einšteins nomira 1955. gadā, šajā jomā ir panākts ievērojams progress. Mūsdienu labāko kandidātu sauc par M-teoriju.
Stīgu revolūcija
Lai saprastu M-teorijas pamatideju, jums jāiet atpakaļ uz 70. gadiem, kad zinātnieki saprata, ka tā vietā, lai aprakstītu Visumu, pamatojoties uz punktu daļiņām, labāk būtu tos aprakstīt oscilējošu virkņu (enerģijas cauruļu) veidā. Jauns veids, kā izprast dabas galvenās sastāvdaļas, ir ļāvis daudzām teorētiskām problēmām atrisināt problēmu. Pirmkārt, virknes vibrāciju var interpretēt kā gravitonu. Un atšķirībā no standarta smaguma, stīgu teorija var matemātiski aprakstīt tās mijiedarbību un nesaņemt dīvainas bezgalības. Tas nozīmē, ka smagumu var iekļaut kombinētajā struktūrā.
Reklāmas video:
Pēc šī aizraujošā atklājuma teorētiskie fiziķi ir smagi strādājuši, lai saprastu tā sekas. Bet, kā tas bieži notiek zinātnisko pētījumu gadījumā, stīgu teorijas vēsture ir pilna ar kāpumiem un kritumiem. Sākumā cilvēki bija apjukumā, ka viņa paredzēja tādas daļiņas esamību, kas pārvietojas ātrāk nekā gaisma, tā saukto "tachonu". Šis pareģojums bija pretrunā ar visiem eksperimentālajiem novērojumiem un radīja nopietnu ēnu stīgu teorijai.
Neskatoties uz to, šis jautājums tika atrisināts 80. gadu sākumā, stīgu teorijā ieviešot tā saucamo “supersimetriju”. Viņa prognozē, ka katrai daļiņai ir savs superpartneris un, neparasta sakritība, tas pats nosacījums faktiski novērš tahilu. Šie pirmie panākumi ir plaši pazīstami kā “pirmā stīgu revolūcija”.
Vēl viena neparasta iezīme ir tā, ka stīgu teorijai ir vajadzīgas desmit telpas un laika dimensijas. Pašlaik mēs zinām tikai četrus: dziļumu, augstumu, platumu un laiku. Lai arī tas šķiet būtisks šķērslis, līdz šim ir ierosināti vairāki risinājumi, un šobrīd tas, šķiet, drīzāk ir neparasta īpašība nekā problēma.
Piemēram, mēs varētu pastāvēt četrdimensionālā pasaulē bez jebkādas piekļuves papildu dimensijām. Vai arī papildu izmēri varētu būt “kompakti” un ietilpināt tik mazos mērogos, ka mēs tos nepamanītu. Tomēr dažādi sablīvējumi radītu atšķirīgas fizikālo konstantu vērtības un atšķirīgus fizikas likumus. Iespējamais risinājums ir tas, ka mūsu Visums ir tikai viens no daudzajiem bezgalīgajā “daudzveidīgajā Visumā”, ko regulē dažādi fiziski likumi.
M-teorija
Bija vēl viena problēma, kas mūsdienās vajāja stīgu teorētiķus. Rūpīga klasifikācija atklāja piecu atšķirīgu secīgu virkņu teoriju esamību, un nebija skaidrs, kāpēc dabai jāizvēlas viena no piecām.
Šeit tiek spēlēta M-teorija. Otrās virkņu revolūcijas laikā 1995. gadā fiziķi ierosināja, ka piecas secīgas virkņu teorijas faktiski ir unikālas teorijas, kas pastāv vienpadsmit laika un telpas dimensijās, kuras sauc par M teoriju, dažādas sejas. Tā iekļauj katru stīgu teoriju dažādos fiziskos kontekstos, vienlaikus paliekot izmantojama ikvienam. Šis neticami aizraujošais attēls ir licis vairumam teorētisko fiziķu domāt, ka M teorija kļūs par visa teoriju - un arī matemātiski konsekventāka nekā jebkura cita ierosinātā teorija.
Lai kā arī būtu, līdz šim M-teorija nav spējusi radīt prognozes, kuras var pārbaudīt eksperimentāli. Supersimetrija pašlaik tiek pārbaudīta lielajā hadronu sadursmē. Ja zinātnieki varētu atrast superpartneru esamības pazīmes, tas beidzot stiprinātu M-teorijas pozīcijas. Bet mūsdienu teorētiskā fizika vēl nespēj sniegt pārbaudāmus paredzējumus, un eksperimentālā fizika nevar iesniegt šīs verifikācijas eksperimentus.
Lielākā daļa lielo fiziķu un kosmologu ir apsēsti ar iespēju atrast šo skaisto un vienkāršo pasaules aprakstu, kas varētu visu izskaidrot. Un, kaut arī mēs joprojām esam tālu no tā, bez izciliem un radošiem cilvēkiem, piemēram, Hokingam, tas būtu pilnīgi neiespējami.
Iļja Khel