M‑teori

För att förstå M-teorin måste man först ha en viss kunskap om strängteori. I hundratals år har vetenskapsmännen trott att de enklaste objekten i universum är punkter, som t.ex. prickar. Strängteorin säger att detta är fel och att de enklaste objekten i universum är formade som strängbitar. Dessa strängar är så små att de till och med när man tittar mycket noga på dem ser ut som punkter. Varje grundläggande partikel skapas genom att strängarna vibrerar i olika mönster. Anledningen till att forskarna inte hade tänkt på denna idé så länge är att strängar är mycket svårare att arbeta med än punkter. De verkar bryta mot regler som kausalitet och den speciella relativitetsteorin, som säger att information inte kan färdas snabbare än ljusets hastighet.

Strängteorin har utvecklats på grund av ett mycket viktigt problem som har funnits i nästan 100 år. Albert Einsteins teori som beskriver universum på mycket stora skalor (den kallas allmän relativitetsteori) är oenig med två teorier som beskriver saker på mycket små skalor (de kallas kvantmekanik och standardmodellen). Det finns också problem med standardmodellen: den innehåller cirka 20 tal som inte verkar ha någon förklaring, den har för många grundpartiklar - vissa forskare anser att den behöver ha färre, och den innehåller inte gravitationen, som behövs för att förklara vikten.

Många av dessa problem kan lösas genom att tänka på grundläggande partiklar som strängar. Nu finns det bara en siffra utan förklaring som anger strängarnas storlek. Strängteorin omfattar partiklar som orsakar gravitation, så kallade gravitoner; att ta reda på detta gladde forskarna som arbetar med strängteorin. Strängteorin för alltså framgångsrikt samman den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken.

Men det finns vissa problem med strängteorin. Vanligtvis tänker vi oss att universum har fyra dimensioner, eller grundläggande riktningar. Tre av dessa grundläggande riktningar kan man tänka sig som "uppåt/nedåt", "framåt/bakåt" och "vänster/höger". Den andra riktningen är tiden. Strängteorin behöver 10 grundläggande riktningar.

Dessa sex andra riktningar kan förklaras om de är "ihoprullade", så de är alldeles för små för att synas. Genom att följa en spirals väg kan man till exempel gå en lång sträcka längs den utan att förflytta sig särskilt långt. De 6 andra riktningarna kan man tänka sig som små spiraler - strängar kan röra sig längs dem en stor sträcka utan att tyckas röra sig. Detta kan ses som ett matematiskt trick - ett trick som har lite att göra med den verkliga världen som kan ses och beröras. Sådana trick är tillåtna om de ger en teori som bättre kan berätta för oss hur saker och ting fungerar.

Ett annat problem med strängteorin är att det finns fem olika versioner av den. Varje version tillåter olika typer av strängar och säger att de fungerar på olika sätt. Strängteorin är tänkt att vara en teori om allting, så det borde bara finnas en version, inte fem. M-teorin löser detta problem.

1995 inledde Edward Witten vad som har kallats den andra supersträngrevolutionen genom att presentera M-teorin för världen. Denna teori kombinerar de fem olika strängteorierna (tillsammans med ett tidigare övergivet försök att förena allmän relativitetsteori och kvantmekanik, kallat 11D-supergravitation) till en teori. Vad Witten faktiskt gjorde var att förutsäga att det faktum att alla dessa olika teorier var sammankopplade var ett resultat av att det fanns någon underliggande teori som de alla var approximationer av. Denna teori är något vag till sin natur och har ännu inte kunnat fastställas.

Dessutom fann man att de ekvationer som krävde att strängteorin skulle existera i 10 dimensioner också var approximationer. Den föreslagna M-teorin skulle behöva en extra dimension och istället vara en teori som äger rum i 11 dimensioner. Witten har själv i enkla termer jämfört denna idé med en general som intar en position på en bergstopp, den extra rymdkoordinaten, för att få en bättre överblick över slagfältets två andra dimensioner.

Kombinationen åstadkoms genom att man knyter ihop en väv av relationer mellan var och en av strängteorierna som kallas dualiteter (närmare bestämt S-dualitet, T-dualitet och U-dualitet). Var och en av dessa dualiteter ger ett sätt att omvandla en av strängteorierna till en annan. T-dualiteten är förmodligen den mest lättförklarade av dualiteterna. Den har att göra med storleken, skriven som R, på strängteoriernas upprullade dimensioner. Man upptäckte att om man tar en strängteori av typ IIA som har dimensionen R och ändrar radien till 1/R blir resultatet vad som motsvarar en typ IIB-teori av dimensionen R. Denna dualitet, tillsammans med de andra, skapar kopplingar mellan alla 5 (eller 6, om supergravitation räknas med) teorier. Det faktum att dessa dualiteter existerar var känt innan Witten kom med idén om M-teorin.

Många har också roat sig med att gissa vad M:et kan stå för (bland annat Matrix, Magic, Muffin, Mystery, Mother och Membrane). Oavsett vad M kan tänkas betyda har M-teorin blivit ett av de mest intressanta och aktiva forskningsområdena inom teoretisk fysik idag.

För en mer teknisk förklaring, se w:M-teori (förenklad förklaring).

• Brian Greene har skrivit en bok som förklarar strängteorin och M-teorin för lekmän, The Elegant Universe.
• The Official String Theory Website har utmärkta referenser om strängteori för lekmän och experter.