M-teoria

Säieteoria

M-teorian ymmärtämiseksi on ensin tunnettava jonkin verran säieteoriaa. Satojen vuosien ajan tiedemiehet ovat ajatelleet, että maailmankaikkeuden yksinkertaisimmat kohteet ovat pisteitä, kuten pisteitä. Säieteorian mukaan tämä on väärin, ja maailmankaikkeuden yksinkertaisimmat kohteet ovat säikeiden muotoisia. Nämä jouset ovat niin pieniä, että jopa hyvin tarkkaan katsottuna ne näyttävät pisteiltä. Jokainen perushiukkanen syntyy jousien värähtelystä eri kuvioilla. Syy siihen, miksi tiedemiehet eivät ole tulleet ajatelleeksi tätä ajatusta niin pitkään, on se, että jousia on paljon vaikeampi käsitellä kuin pisteitä. Ne näyttävät rikkovan sellaisia sääntöjä kuin kausaliteetti ja erityinen suhteellisuusteoria, jonka mukaan informaatio ei voi kulkea valonnopeutta nopeammin.

Säieteoria on kehitetty erittäin tärkeän ongelman vuoksi, joka on ollut olemassa lähes 100 vuotta. Albert Einsteinin teoria, joka kuvaa maailmankaikkeutta hyvin suurissa mittakaavoissa (sitä kutsutaan yleiseksi suhteellisuusteoriaksi), on eri mieltä kahden teorian kanssa, jotka kuvaavat asioita hyvin pienissä mittakaavoissa (niitä kutsutaan kvanttimekaniikaksi ja standardimalliksi). Standardimallissa on myös ongelmia: se sisältää noin 20 lukua, joille ei tunnu löytyvän selitystä; siinä on liikaa perushiukkasia - joidenkin tutkijoiden mielestä niitä pitäisi olla vähemmän; ja se ei sisällä painovoimaa, jota tarvitaan painon selittämiseen.

Monet näistä ongelmista voidaan ratkaista ajattelemalla perushiukkasia säikeinä. Nyt on vain yksi luku, jolle ei ole selitystä ja joka antaa jousien koon. Säieteoriaan kuuluu gravitaatiota aiheuttavia hiukkasia, gravitoneja; tämän selvittäminen ilahdutti säieteorian parissa työskenteleviä tutkijoita. Säieteoria siis yhdistää onnistuneesti yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan.

Säieteoriaan liittyy kuitenkin joitakin ongelmia. Tavallisesti ajattelemme, että maailmankaikkeudessa on neljä ulottuvuutta tai perussuuntaa. Kolme näistä perussuunnista voidaan ajatella olevan "ylös/alas", "eteen/taakse" ja "vasemmalle/oikealle". Toinen suunta on aika. Säieteoria tarvitsee 10 perussuuntaa.

Nämä kuusi muuta suuntaa voidaan selittää, jos ne ovat "käpertyneet", joten ne ovat aivan liian pieniä, jotta niitä voisi nähdä. Esimerkiksi seuraamalla spiraalin rataa on mahdollista kulkea suuri matka sitä pitkin liikkumatta kovin kauas. Kuusi muuta suuntaa voidaan ajatella pieninä spiraaleina - jouset voivat liikkua niitä pitkin suuren matkan, mutta eivät näytä liikkuvan. Tätä voidaan pitää matemaattisena temppuna - temppuna, jolla ei ole juurikaan tekemistä todellisen maailman kanssa, joka on nähtävissä ja kosketeltavissa. Tällaiset temput ovat sallittuja, jos niiden avulla saadaan teoria, joka kertoo meille paremmin, miten asiat toimivat.

Toinen säieteorian ongelma on se, että siitä on viisi eri versiota. Kukin versio sallii erityyppisiä jousia ja sanoo niiden toimivan eri tavoin. Säieteorian pitäisi olla kaiken teoria, joten pitäisi olla vain yksi versio, ei viisi. M-teoria ratkaisee tämän ongelman.

M-teoria

Vuonna 1995 Edward Witten aloitti niin sanotun toisen superstring-vallankumouksen esittelemällä maailmalle M-teorian. Tämä teoria yhdistää viisi erilaista säieteoriaa (sekä aiemmin hylätty yritys yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka, jota kutsuttiin 11D-supergravitaatioksi) yhdeksi teoriaksi. Witten itse asiassa ennusti, että se, että kaikki nämä eri teoriat olivat yhteydessä toisiinsa, johtui siitä, että oli olemassa jokin taustalla oleva teoria, jonka approksimaatioita ne kaikki olivat. Tämä teoria on luonteeltaan jokseenkin epämääräinen, eikä sitä ole vielä pystytty määrittelemään.

Lisäksi havaittiin, että yhtälöt, jotka edellyttivät säieteorian olemassaoloa 10 ulottuvuudessa, olivat itse asiassa myös likiarvoja. Ehdotettu M-teoria tarvitsisi yhden ylimääräisen ulottuvuuden ja olisi sen sijaan teoria, joka tapahtuu 11 ulottuvuudessa. Witten on itse verrannut tätä ajatusta yksinkertaisuudessaan kenraaliin, joka asettuu kukkulan laelle, ylimääräiseen avaruuskoordinaatistoon, saadakseen paremman näkymän taistelukentän kahteen muuhun ulottuvuuteen.

Yhdistelmä saadaan aikaan kietomalla yhteen kunkin säieteorian väliset suhteet, joita kutsutaan dualiteeteiksi (erityisesti S-dualiteetiksi, T-dualiteetiksi ja U-dualiteetiksi). Kukin näistä dualiteeteista tarjoaa keinon muuntaa yksi säieteoria toiseksi. T-dualiteetti on luultavasti dualiteeteista helpoimmin selitettävissä. Se liittyy jousiteorioiden käärittyjen ulottuvuuksien kokoon, joka kirjoitetaan R:nä. Havaittiin, että ottamalla IIA-tyypin jousiteoria, jonka koko on R, ja muuttamalla säde 1/R:ksi saadaan tulokseksi IIB-tyypin jousiteoria, jonka koko on R. Tämä dualiteetti yhdessä muiden kanssa luo yhteyksiä kaikkien viiden (tai kuuden, jos supergravitaatio lasketaan mukaan) teorian välille. Näiden dualiteettien olemassaolo oli tiedossa jo ennen kuin Witten keksi M-teorian.

Monia on lisäksi huvittanut arvuutella, mitä M voisi tarkoittaa (mahdollisia ovat Matrix, Magic, Muffin, Mystery, Mother ja Membrane). Riippumatta siitä, mitä M voisi mahdollisesti tarkoittaa, M-teoriasta on tullut yksi mielenkiintoisimmista ja aktiivisimmista teoreettisen fysiikan tutkimusalueista nykyään.

Teknisempi selitys löytyy osoitteesta w:M-teoria (yksinkertaistettu selitys).

Kirjat ja linkit

• Brian Greene on kirjoittanut kirjan The Elegant Universe, joka selittää säieteoriaa ja M-teoriaa maallikolle.
• Virallisella säieteoria-sivustolla on erinomaisia viitteitä säieteoriasta sekä maallikoille että asiantuntijoille.