Стивен Хокинг возлагал надежды на «М-Теорию», чтобы полностью объяснить Вселенную

Ходят слухи, что Альберт Эйнштейн провел последние несколько часов жизни, пытаясь написать что-то на листе бумаги, в последней попытке сформулировать теорию всего. Примерно через 60 лет другая легендарная фигура в теоретической физике — Стивен Хокинг, возможно, скончался с подобными мыслями. Мы знаем, что Хокинг думал, что что-то, что называется «М-теория», является нашим лучшим выбором для полной теории Вселенной. Но что это?

Зная формулировку общей теории относительности Эйнштейна, каждый физик-теоретик мечтал примирить наше понимание бесконечно малого мира атомов и частиц с бесконечно большим масштабом космоса. Хотя последнее эффективно описывается уравнениями Эйнштейна, первое из них с необычайной точностью прогнозируется так называемой Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий.

Наше нынешнее понимание состоит в том, что взаимодействие между физическими объектами описывается четырьмя фундаментальными силами. Два из них — гравитация и электромагнетизм — актуальны для нас на макроскопическом уровне, мы имеем дело с ними в нашей повседневной жизни. Два других, называемые сильными и слабыми взаимодействиями, действуют в очень небольших масштабах и становятся актуальными только при рассмотрении субатомных процессов.

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий обеспечивает единую структуру для трех из этих сил, но гравитация не может быть последовательно включена в эту картину. Несмотря на точное описание крупномасштабных явлений, таких как орбита планеты или динамика галактик, общая теория относительности разрушается на очень коротких расстояниях. Согласно стандартной модели, все силы опосредуются определенными частицами. Для гравитации частица, называемая гравитоном, выполняет свою работу. Но, пытаясь рассчитать, как взаимодействуют эти гравитоны, появляются бессмысленные бесконечности.

Согласованная теория гравитации должна быть действительной в любом масштабе и должна учитывать квантовую природу основных частиц. Это позволило бы приспособить гравитацию в единой структуре с другими тремя фундаментальными взаимодействиями, тем самым обеспечив знаменитую теорию всего. Конечно, с момента смерти Эйнштейна в 1955 году был достигнут большой прогресс, и в настоящее время лучший кандидат для этого выходит в свет под именем М-теории.

Струнная революция

Чтобы понять основную идею М-теории, нужно вернуться к 1970-м годам, когда ученые поняли, что вместо описания Вселенной, основанной на точечных частицах, вы можете описать ее в терминах крошечных колеблющихся струн (трубок энергии). Этот новый образ мышления о фундаментальных составляющих природы оказался подходящим для решения многих теоретических проблем. Прежде всего, конкретное колебание струны можно интерпретировать как гравитон. И в отличие от стандартной теории гравитации теория струн может математически описывать свои взаимодействия, не получая странных бесконечностей. Таким образом, гравитация была наконец окончательно включена в единую структуру.

После этого захватывающего открытия теоретические физики приложили много усилий для понимания последствий этой оригинальной идеи. Однако, как это часто бывает с научными исследованиями, история теории струн характеризуется взлетами и падениями. Сначала люди были озадачены, потому что предсказали существование частицы, которая движется быстрее скорости света, получившей название «тахион». Это предсказание противоречило всем экспериментальным наблюдениям и вызвало серьезные сомнения в теории струн.

Тем не менее, этот вопрос был решен в начале 1980-х годов путем введения в теорию струн понятия, называемого «суперсимметрия». Она предсказывает, что каждая частица имеет суперпартнера и, по необыкновенному совпадению, то же самое условие фактически устраняет тахион. Этот первый успех широко известен как «первая революция струны».

Еще одна поразительная особенность заключается в том, что теория струн требует наличия десяти пространственно-временных измерений. В настоящее время мы знаем только четыре: глубина, высота, ширина и время. Хотя это может показаться серьезным препятствием, было предложено несколько решений, и в настоящее время оно рассматривается как заметная функция, а не проблема.

Например, мы можем быть вынуждены жить в четырехмерном мире без какого-либо доступа к дополнительным измерениям. Или дополнительные размеры могут быть «уплотнены» в таком маленьком масштабе, что мы их не заметили. Однако различные компактификации приведут к разным значениям физических констант и, следовательно, к различным законам физики. Возможное решение состоит в том, что наша Вселенная является лишь одной из многих в бесконечной «мульти-вселенной», управляемой различными законами физики.

Это может показаться странным, но к этой идее приходит много теоретиков-физиков. Если Вы не уверены, вы можете попробовать прочитать роман Флатландия: роман про множество измерений Эдвина Эббота, в котором персонажи вынуждены жить в двух пространственных измерениях и не в состоянии понять, что есть третье.

М-теория

Но была одна остающаяся насущная проблема, которая беспокоила физиков-теоретиков в то время. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было неясно, почему природа выберает одну из пяти.

Тогда в игру вошла М-теория. Во время второй струнной революции, в 1995 году, физики предложили, что пять последовательных струнных теорий были фактически только разными гранями одной уникальной теории, которая живет в одиннадцати измерениях пространства-времени и известна как М-теория. Она включает в себя каждую из теорий струн в разных физических контекстах, но по-прежнему действительна для всех из них. Эта чрезвычайно увлекательная картина заставила большинство физиков-теоретиков поверить в М-теорию как теорию всего – она также более математически последовательна, чем другие теории-кандидаты.

Тем не менее, до сих пор M-теория боролась за создание прогнозов, которые могут быть проверены экспериментами. Суперсимметрия в настоящее время проходит испытания на большом Адронном коллайдере. Если ученые найдут доказательства суперпартнеров, это в конечном итоге усилит М-теорию. Но для нынешних физиков-теоретиков по-прежнему остается проблемой находить проверяемые предсказания, а для физиков-экспериментаторов — ставить эксперименты для их проверки.

Большинство великих физиков и космологов руководствуется страстью найти это красивое, простое описание мира, которое может все объяснить. И хотя мы еще не совсем там, у нас не было бы шанса без острых, творческих умов таких людей, как Стивен Хокинг.