Geschiedenis en eigenschappen van M-theorie

M-Theory is de naam voor een uniforme versie van de snaartheorie, in 1995 voorgesteld door de fysicus Edward Witten. Ten tijde van het voorstel waren er 5 variaties van de snaartheorie, maar Witten bracht het idee naar voren dat elk een manifestatie was van een enkele onderliggende theorie.

Witten en anderen identificeerden verschillende vormen van dualiteit tussen de theorieën die, samen met bepaalde veronderstellingen over de aard van het universum, hen in staat konden stellen om allemaal één enkele theorie te zijn: M-theorie. Een van de belangrijkste componenten van M-Theory is dat het nog een extra dimensie moest toevoegen bovenop de al vele extra dimensies van de snaartheorie, zodat de relaties tussen de theorieën konden worden uitgewerkt.

De tweede snaartheorie-revolutie

In de jaren tachtig en begin jaren negentig had de snaartheorie een probleem bereikt vanwege een overvloed aan rijkdom. Door het toepassen van supersymmetrie op snaartheorie, in de gecombineerde superstringtheorie, hadden fysici (inclusief Witten zelf) de mogelijke structuren van deze theorieën onderzocht, en het resulterende werk had 5 verschillende versies van superstringtheorie getoond. Onderzoek heeft verder aangetoond dat je bepaalde vormen van wiskundige transformaties, S-dualiteit en T-dualiteit, tussen de verschillende versies van snaartheorie kunt gebruiken. Natuurkundigen waren verloren 

Op een fysica-conferentie over snaartheorie, gehouden aan de Universiteit van Zuid-Californië in het voorjaar van 1995, stelde Edward Witten zijn vermoeden voor dat deze dualiteiten serieus genomen moesten worden. Wat als, volgens hem, de fysieke betekenis van deze theorieën is dat de verschillende benaderingen van snaartheorie verschillende manieren waren om wiskundig dezelfde onderliggende theorie uit te drukken. Hoewel hij de details van die onderliggende theorie niet in kaart had gebracht, stelde hij de naam ervoor voor, M-Theory.

Een deel van het idee in de kern van de snaartheorie zelf is dat de vier dimensies (3 ruimtedimensies en een tijdsdimensie) van ons waargenomen universum kunnen worden verklaard door te denken dat het universum 10 dimensies heeft, maar dan 6 van deze dimensies naar een sub-microscopische schaal die nooit wordt waargenomen. Witten zelf was inderdaad een van de mensen die deze methode in het begin van de jaren tachtig had ontwikkeld! Hij stelde nu voor hetzelfde te doen, door extra dimensies aan te nemen die de transformaties tussen de verschillende 10-dimensionale snaartheorie-varianten mogelijk zouden maken.

Het enthousiasme van onderzoek dat voortkwam uit die ontmoeting en de poging om de eigenschappen van M-Theory af te leiden, luidde een tijdperk in dat sommigen de "tweede snaartheorie-revolutie" of "tweede superstring-revolutie" hebben genoemd.

Eigenschappen van M-theorie

Hoewel natuurkundigen de geheimen van M-Theory nog steeds niet hebben ontdekt, hebben ze verschillende eigenschappen geïdentificeerd die de theorie zou hebben als het vermoeden van Witten waar zou zijn:

• 11 dimensies van ruimtetijd (deze extra dimensies moeten niet worden verward met het idee in de fysica van een multiversum van parallelle universums)
• bevat snaren en zemelen (oorspronkelijk membranen genoemd)
• methoden om compactificatie te gebruiken om uit te leggen hoe de extra dimensies worden gereduceerd tot de vier ruimtetijddimensies die we waarnemen
• dualiteiten en identificaties binnen de theorie die het toelaten om zich terug te brengen in speciale gevallen van de bekende snaartheorieën, en uiteindelijk in de fysica die we in ons universum waarnemen

Waar staat de "M" voor?

Het is onduidelijk waar de M in M-Theorie voor moet staan, hoewel het waarschijnlijk is dat het oorspronkelijk voor "Membraan" stond, omdat deze net ontdekt werden als een sleutelelement van de snaartheorie. Witten zelf is enigmatisch geweest over het onderwerp en verklaarde dat de betekenis van de M kan worden gekozen voor smaak. Mogelijkheden zijn Membrane, Master, Magic, Mystery, enzovoort. Een groep natuurkundigen, grotendeels geleid door Leonard Susskind, heeft Matrix-theorie ontwikkeld, waarvan zij geloven dat deze uiteindelijk de M zou kunnen coöpteren als ooit wordt aangetoond dat deze waar is.

Is M-theorie waar?

M-theorie, net als de varianten van snaartheorie, heeft het probleem dat het momenteel geen echte voorspellingen doet die kunnen worden getest in een poging om de theorie te bevestigen of te weerleggen. Veel theoretische natuurkundigen blijven dit gebied onderzoeken, maar wanneer je meer dan twee decennia onderzoek hebt zonder solide resultaten, neemt het enthousiasme ongetwijfeld een beetje af. Er is echter geen bewijs dat sterk beweert dat het vermoeden van Witten over M-theorie ook niet waar is. Dit kan een geval zijn waarin een verzuim om de theorie te weerleggen, bijvoorbeeld door aan te tonen dat het op een of andere manier intern tegenstrijdig of inconsistent is, het beste is waar natuurkundigen op dit moment op kunnen hopen.