Ryktet säger att Albert Einstein tillbringade sina sista timmar på jorden med att skriva något på ett papper i ett sista försök att formulera en teori om allt. Ungefär 60 år senare, en annan legendarisk figur i teoretisk fysik, Stephen Hawking, kan ha gått bort med liknande tankar. Vi vet att Hawking tyckte att något som kallas "M-teori" är vårt bästa alternativ för en fullständig teori om universum. Men vad är det?

Sedan formuleringen av Einsteins allmänna relativitetsteori 1915, varje teoretisk fysiker har drömt om att förena vår förståelse av den oändligt små världen av atomer och partiklar med den i den oändligt stora skalan i kosmos. Även om det senare effektivt beskrivs av Einsteins ekvationer, den förra förutses med extraordinär noggrannhet av den så kallade Standardmodellen för grundläggande interaktioner.

Vår nuvarande förståelse är att interaktionen mellan fysiska objekt beskrivs av fyra grundläggande krafter. Två av dem - gravitation och elektromagnetism - är relevanta för oss på makroskopisk nivå, vi hanterar dem i vår vardag. De andra två, kallade starka och svaga interaktioner, agera i mycket liten skala och bli relevant endast när det handlar om subatomära processer.

Standardmodellen för grundläggande interaktioner ger en enhetlig ram för tre av dessa krafter, men tyngdkraften kan inte konsekvent inkluderas i denna bild. Trots sin exakta beskrivning av storskaliga fenomen som en planets bana eller galaxdynamik, den allmänna relativiteten går sönder på mycket korta avstånd. Enligt standardmodellen, alla krafter medieras av specifika partiklar. För tyngdkraften, en partikel som kallas graviton gör jobbet. Men när man försöker beräkna hur dessa gravitoner interagerar, meningslösa oändligheter dyker upp.

En konsekvent tyngdkraftsteori bör vara giltig i vilken skala som helst och bör ta hänsyn till kvantiteten hos grundläggande partiklar. Detta skulle rymma tyngdkraften i en enhetlig ram med de tre andra grundläggande interaktionerna, vilket ger den berömda teorin om allt. Självklart, sedan Einsteins död 1955, mycket framsteg har gjorts och nuförtiden går vår bästa kandidat under namnet M-teori.

Strängrevolution

För att förstå M-teorins grundidé, man måste gå tillbaka till 1970 -talet när forskare insåg att, snarare än att beskriva universum baserat på punkter som partiklar, du kan beskriva det med små oscillerande strängar (energirör). Detta nya sätt att tänka om de grundläggande beståndsdelarna i naturen visade sig lösa många teoretiska problem. Framför allt, en viss svängning av strängen kan tolkas som en graviton. Och till skillnad från standardteorin om gravitation, strängteori kan beskriva dess interaktioner matematiskt utan att få konstiga oändligheter. Således, tyngdkraften ingick slutligen i en enhetlig ram.

Efter denna spännande upptäckt, teoretiska fysiker ägnade mycket ansträngningar åt att förstå konsekvenserna av denna spännande idé. Dock, som ofta händer med vetenskaplig forskning, strängteorins historia kännetecknas av upp- och nedgångar. I början, människor var förbryllade eftersom det förutspådde förekomsten av en partikel som färdas snabbare än ljusets hastighet, kallade en "tachyon". Denna förutsägelse stod i kontrast till alla experimentella observationer och väckte allvarlig tvekan om strängteorin.

Ändå, denna fråga löstes i början av 1980 -talet genom införandet av något som kallas "supersymmetri" i strängteorin. Detta förutsäger att varje partikel har en superpartner och, av en ovanlig slump, samma tillstånd eliminerar faktiskt takyonen. Denna första framgång är allmänt känd som "den första strängrevolutionen".

En annan slående egenskap är att strängteori kräver att det finns tio rumsdimensioner. För närvarande, vi vet bara om fyra:djup, höjd, bredd och tid. Även om detta kan tyckas vara ett stort hinder, flera lösningar har föreslagits och numera betraktas det som en anmärkningsvärd egenskap, snarare än ett problem.

Till exempel, vi kan på något sätt tvingas leva i en fyrdimensionell värld utan tillgång till de extra dimensionerna. Eller så kan de extra dimensionerna "komprimeras" i en så liten skala att vi inte skulle märka dem. Dock, olika komprimeringar skulle leda till olika värden för de fysiska konstanterna och, därför, olika fysiklagar. En möjlig lösning är att vårt universum bara är ett av många i ett oändligt "multiversum", styrs av olika fysiklagar.

Det kan tyckas konstigt, men många teoretiska fysiker kommer fram till denna idé. Om du inte är övertygad kan du försöka läsa romanen Flatland:en romantik av många dimensioner av Edwin Abbott, där karaktärerna tvingas leva i två rymddimensioner och inte kan inse att det finns en tredje.

M-teori

Men det fanns en återstående angelägen fråga som då störde strängteoretiker. En noggrann klassificering visade att det fanns fem olika konsekventa strängteorier, och det var oklart varför naturen skulle välja en av fem.

Det var då M-teori kom in i spelet. Under den andra strängrevolutionen, 1995, fysiker föreslog att de fem konsekventa strängteorierna faktiskt bara är olika ansikten på en unik teori som lever i elva rymddimensioner och är känd som M-teori. Den innehåller var och en av strängteorierna i olika fysiska sammanhang, men är fortfarande giltigt för dem alla. Denna extremt fascinerande bild har fått de flesta teoretiska fysiker att tro på M-teorin som teorin om allt-den är också mer matematiskt konsekvent än andra kandidatteorier.

Ändå, hittills har M-teorin kämpat med att ta fram förutsägelser som kan testas med experiment. Supersymmetri testas för närvarande på Large Hadron Collider. Om forskare hittar bevis på superpartners, som i slutändan skulle stärka M-teorin. Men det är fortfarande en utmaning för nuvarande teoretiska fysiker att producera testbara förutsägelser och för experimentella fysiker att sätta upp experiment för att testa dem.

De flesta stora fysiker och kosmologer drivs av en passion att hitta det vackra, enkel beskrivning av världen som kan förklara allt. Och även om vi inte riktigt är där än, vi skulle inte ha en chans utan den skarpa, kreativa sinnen hos människor som Hawking.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.