Het gerucht gaat dat Albert Einstein zijn laatste paar uur op aarde doorbracht met het krabbelen van iets op een stuk papier in een laatste poging om een ​​theorie van alles te formuleren. Zo'n 60 jaar later, een andere legendarische figuur in de theoretische natuurkunde, Stephen Hawking, kan zijn overleden met soortgelijke gedachten. We weten dat Hawking dacht dat iets dat 'M-theorie' wordt genoemd, onze beste gok is voor een complete theorie van het universum. Maar wat is het?

Sinds de formulering van Einsteins algemene relativiteitstheorie in 1915, elke theoretisch fysicus droomde ervan om ons begrip van de oneindig kleine wereld van atomen en deeltjes te verzoenen met dat van de oneindig grote schaal van de kosmos. Terwijl de laatste effectief wordt beschreven door de vergelijkingen van Einstein, de eerste wordt met buitengewone nauwkeurigheid voorspeld door het zogenaamde standaardmodel van fundamentele interacties.

Ons huidige begrip is dat de interactie tussen fysieke objecten wordt beschreven door vier fundamentele krachten. Twee ervan – zwaartekracht en elektromagnetisme – zijn voor ons op macroscopisch niveau relevant, we hebben ermee te maken in ons dagelijks leven. De andere TWEE, sterke en zwakke interacties genoemd, handelen op zeer kleine schaal en worden alleen relevant als het om subatomaire processen gaat.

Het standaardmodel van fundamentele interacties biedt een verenigd raamwerk voor drie van deze krachten, maar zwaartekracht kan niet consequent in deze afbeelding worden opgenomen. Ondanks de nauwkeurige beschrijving van grootschalige fenomenen zoals de baan van een planeet of de dynamiek van sterrenstelsels, de algemene relativiteitstheorie valt uiteen op zeer korte afstanden. Volgens het standaardmodel alle krachten worden gemedieerd door specifieke deeltjes. voor zwaartekracht, een deeltje genaamd graviton doet het werk. Maar als je probeert te berekenen hoe deze gravitonen op elkaar inwerken, onzinnige oneindigheden verschijnen.

Een consistente zwaartekrachttheorie moet op elke schaal geldig zijn en moet rekening houden met de kwantumaard van fundamentele deeltjes. Dit zou de zwaartekracht accommoderen in een verenigd raamwerk met de andere drie fundamentele interacties, daarmee de gevierde theorie van alles verschaffend. Natuurlijk, sinds de dood van Einstein in 1955, er is veel vooruitgang geboekt en tegenwoordig gaat onze beste kandidaat onder de naam M-theory.

Snaarrevolutie

Om het basisidee van de M-theorie te begrijpen, men moet teruggaan naar de jaren zeventig toen wetenschappers zich realiseerden dat, in plaats van het universum te beschrijven op basis van puntachtige deeltjes, je zou het kunnen omschrijven in termen van minuscule oscillerende snaartjes (buisjes van energie). Deze nieuwe manier van denken over de fundamentele bestanddelen van de natuur bleek veel theoretische problemen op te lossen. Bovenal, een bepaalde trilling van de snaar kan worden geïnterpreteerd als een graviton. En in tegenstelling tot de standaardtheorie van de zwaartekracht, snaartheorie kan zijn interacties wiskundig beschrijven zonder vreemde oneindigheden te krijgen. Dus, zwaartekracht werd uiteindelijk opgenomen in een uniform kader.

Na deze spannende ontdekking, theoretische fysici hebben veel moeite gedaan om de gevolgen van dit baanbrekende idee te begrijpen. Echter, zoals vaak gebeurt bij wetenschappelijk onderzoek, de geschiedenis van de snaartheorie wordt gekenmerkt door ups en downs. Aanvankelijk, mensen waren verbaasd omdat het het bestaan ​​voorspelde van een deeltje dat sneller reist dan de snelheid van het licht, een "tachyon" genoemd. Deze voorspelling was in tegenspraak met alle experimentele waarnemingen en deed ernstige twijfel rijzen over de snaartheorie.

Hoe dan ook, dit probleem werd begin jaren tachtig opgelost door de introductie van iets dat "supersymmetrie" wordt genoemd in de snaartheorie. Dit voorspelt dat elk deeltje een superpartner heeft en, door een buitengewoon toeval, dezelfde toestand elimineert eigenlijk de tachyon. Dit eerste succes staat algemeen bekend als "de eerste snaarrevolutie".

Een ander opvallend kenmerk is dat de snaartheorie het bestaan ​​van tien ruimtetijddimensies vereist. Momenteel, we kennen er maar vier:diepte, hoogte, breedte en tijd. Hoewel dit misschien een groot obstakel lijkt, er zijn verschillende oplossingen voorgesteld en tegenwoordig wordt het als een opmerkelijk kenmerk beschouwd, eerder een probleem.

Bijvoorbeeld, we zouden op de een of andere manier gedwongen kunnen worden om in een vierdimensionale wereld te leven zonder enige toegang tot de extra dimensies. Of de extra dimensies kunnen op zo'n kleine schaal worden "gecompacteerd" dat we ze niet zouden opmerken. Echter, verschillende compactificaties zouden leiden tot verschillende waarden van de fysische constanten en, daarom, verschillende natuurkundige wetten. Een mogelijke oplossing is dat ons universum slechts een van de vele is in een oneindig "multiversum", beheerst door verschillende natuurkundige wetten.

Dit lijkt misschien vreemd, maar veel theoretische natuurkundigen komen op dit idee af. Als u niet overtuigd bent, kunt u proberen de roman Flatland:een roman van vele dimensies van Edwin Abbott te lezen, waarin de personages gedwongen worden om in twee ruimtedimensies te leven en niet in staat zijn te beseffen dat er een derde is.

M-theorie

Maar er was nog een dringend probleem waar snaartheoretici op dat moment last van hadden. Een grondige classificatie toonde het bestaan ​​aan van vijf verschillende consistente snaartheorieën, en het was onduidelijk waarom de natuur een van de vijf zou kiezen.

Dit is het moment waarop M-theorie in het spel kwam. Tijdens de tweede snaarrevolutie, in 1995, natuurkundigen stelden voor dat de vijf consistente snaartheorieën eigenlijk slechts verschillende gezichten zijn van een unieke theorie die leeft in elf ruimtetijddimensies en bekend staat als M-theorie. Het omvat elk van de snaartheorieën in verschillende fysieke contexten, maar geldt nog steeds voor allemaal. Dit buitengewoon fascinerende beeld heeft de meeste theoretische natuurkundigen ertoe gebracht te geloven in de M-theorie als de theorie van alles - het is ook wiskundig consistenter dan andere kandidaat-theorieën.

Hoe dan ook, tot nu toe heeft de M-theorie moeite gehad met het produceren van voorspellingen die door experimenten kunnen worden getest. Supersymmetrie wordt momenteel getest bij de Large Hadron Collider. Als wetenschappers bewijs vinden van superpartners, dat zou uiteindelijk de M-theorie versterken. Maar het blijft een uitdaging voor huidige theoretische natuurkundigen om toetsbare voorspellingen te doen en voor experimentele natuurkundigen om experimenten op te zetten om ze te testen.

De meeste grote natuurkundigen en kosmologen worden gedreven door een passie om dat mooie, eenvoudige beschrijving van de wereld die alles kan verklaren. En hoewel we er nog niet helemaal zijn, we zouden geen kans hebben zonder de scherpe, creatieve geesten van mensen als Hawking.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.