Volgens de legende bracht Albert Einstein zijn laatste uren op aarde door met het tekenen van iets op een stuk papier in een laatste poging om een theorie van alles te formuleren. Zestig jaar later zal een andere legendarische wetenschapper op het gebied van theoretische fysica, Stephen Hawking, deze wereld verlaten met soortgelijke gedachten. We weten dat Hawking geloofde dat de zogenaamde M-theorie onze beste kans was om een complete theorie van het universum te creëren. Maar wat is het?
Sinds Einsteins algemene relativiteitstheorie in 1915 werd geformuleerd, droomt elke theoretisch fysicus ervan ons begrip van de oneindig kleine wereld van atomen en deeltjes te verzoenen met de oneindig grote schaal van de ruimte. Hoewel de laatste perfect wordt beschreven door de vergelijkingen van Einstein, wordt de eerste met buitengewone nauwkeurigheid voorspeld door het zogenaamde standaardmodel van fundamentele interacties.
Ons huidige inzicht is dat de interactie tussen fysieke objecten wordt beschreven door vier fundamentele krachten. Twee ervan - zwaartekracht en elektromagnetisme - verschijnen voor ons op macroscopisch niveau, we hebben er elke dag mee te maken. De andere twee - zwakke en sterke interacties - verschijnen op zeer kleine schaal en alleen als we te maken hebben met subatomaire processen.
Het standaardmodel van fundamentele interacties biedt een enkele structuur voor drie van deze krachten, maar de zwaartekracht wil op geen enkele manier in dit plaatje passen. Ondanks nauwkeurige beschrijvingen van grootschalige fenomenen, zoals het gedrag van een planeet in een baan of de dynamiek van sterrenstelsels, faalt de algemene relativiteitstheorie op zeer korte afstanden. Volgens het standaardmodel worden alle krachten gemedieerd door bepaalde deeltjes. In het geval van zwaartekracht wordt het werk gedaan door de graviton. Maar wanneer we proberen de interacties van deze gravitonen te berekenen, verschijnen er zinloze oneindigheden in de vergelijkingen.
Een complete zwaartekrachttheorie moet op elke schaal werken en rekening houden met de kwantum-aard van fundamentele deeltjes. Hierdoor zou de zwaartekracht in een gecombineerde structuur passen met drie andere fundamentele interacties, waardoor de beruchte theorie van alles ontstaat. Sinds Albert Einstein stierf in 1955, is er natuurlijk aanzienlijke vooruitgang geboekt op dit gebied. Onze beste kandidaat van vandaag heet M-theorie.
De snarenrevolutie
Om het basisidee van de M-theorie te begrijpen, moet je teruggaan naar de jaren 70, toen wetenschappers zich realiseerden dat in plaats van het universum te beschrijven op basis van puntdeeltjes, het beter zou zijn om ze te beschrijven als oscillerende snaren (energiebuizen). Een nieuwe manier om de fundamentele bestanddelen van de natuur te begrijpen, heeft geleid tot de oplossing van veel theoretische problemen. Allereerst kan een enkele trilling van een snaar worden geïnterpreteerd als een graviton. En in tegenstelling tot standaardzwaartekracht, kan snaartheorie zijn interacties wiskundig beschrijven en geen rare oneindigheden krijgen. Dit betekent dat de zwaartekracht kan worden meegenomen in de gecombineerde constructie.
Promotie video:
Na deze opwindende ontdekking hebben theoretisch fysici hard gewerkt om de gevolgen ervan te begrijpen. Maar, zoals vaak het geval is bij wetenschappelijk onderzoek, zit de geschiedenis van de snaartheorie vol met ups en downs. Aanvankelijk waren mensen perplex dat ze het bestaan van een deeltje voorspelde dat sneller beweegt dan het licht, de zogenaamde "tachyon". Deze voorspelling was in tegenspraak met alle experimentele waarnemingen en wierp een serieuze schaduw over de snaartheorie.
Desalniettemin werd dit probleem begin jaren tachtig opgelost met de introductie van de zogenaamde "supersymmetrie" in de snaartheorie. Ze voorspelt dat elk deeltje zijn eigen superpartner heeft en, door een ongebruikelijk toeval, dezelfde toestand de tachyon daadwerkelijk elimineert. Dit eerste succes staat algemeen bekend als de "eerste snaarrevolutie".
Een ander bijzonder kenmerk is dat de snaartheorie tien ruimte-tijddimensies vereist. Momenteel kennen we er maar vier: diepte, hoogte, breedte en tijd. Hoewel dit een groot obstakel lijkt te zijn, zijn er tot nu toe verschillende oplossingen voorgesteld, en het lijkt momenteel eerder een ongebruikelijk kenmerk dan een probleem.
We zouden bijvoorbeeld in een vierdimensionale wereld kunnen bestaan zonder enige toegang tot aanvullende dimensies. Of de extra afmetingen zouden "compact" kunnen zijn en in zulke kleine schalen passen dat we ze niet zouden opmerken. Verschillende verdichtingen zouden echter leiden tot verschillende waarden van fysische constanten en verschillende fysische wetten. Een mogelijke oplossing is dat ons universum slechts een van de vele is in een oneindig 'meervoudig universum' dat wordt beheerst door verschillende natuurkundige wetten.
M-theorie
Er was nog een probleem dat de snaartheoretici van die tijd achtervolgde. Een zorgvuldige classificatie onthulde het bestaan van vijf verschillende opeenvolgende snaartheorieën, en het was onduidelijk waarom de natuur een van de vijf zou kiezen.
Dit is waar de M-theorie in het spel komt. Tijdens de tweede snaarrevolutie in 1995 suggereerden natuurkundigen dat vijf opeenvolgende snaartheorieën in feite verschillende gezichten zijn van een unieke theorie die bestaat in elf tijd-ruimtedimensies, de zogenaamde M-theorie. Het bevat elke snaartheorie in verschillende fysieke contexten en blijft voor iedereen bruikbaar. Dit ongelooflijk fascinerende beeld heeft de meeste theoretische natuurkundigen tot het idee geleid dat de M-theorie een theorie van alles zal worden - en het is ook wiskundig consistenter dan elke andere voorgestelde theorie.
Hoe het ook zij, tot dusver heeft de M-theorie geen voorspellingen kunnen produceren die experimenteel kunnen worden geverifieerd. Supersymmetrie wordt momenteel getest bij de Large Hadron Collider. Als wetenschappers tekenen zouden kunnen vinden van het bestaan van superpartners, zou dit eindelijk de positie van de M-theorie versterken. Maar de moderne theoretische fysica is nog niet in staat verifieerbare voorspellingen te doen, en de experimentele fysica kan geen experimenten presenteren voor deze verificatie.
De meeste grote natuurkundigen en kosmologen zijn geobsedeerd door het vinden van deze mooie en eenvoudige beschrijving van de wereld die alles zou kunnen verklaren. En hoewel we hier nog ver van verwijderd zijn, zonder briljante en creatieve mensen zoals Hawking, zou dit volkomen onmogelijk zijn.
Ilya Khel
