באמצע שנות התשעים הציע הפיזיקאי והמתמטיקאי אדוארד וויטן תורה פיזיקלית חדשה, יסודית יותר מתורת המיתרים. בתורה זאת קיימים שני עצמים בסיסיים. העצם האחד הוא יריעות דו-מימדיות (ממברנות) והעצם השני הוא בעל חמישה מימדים. עצמים אלו מתקיימים בעולם בעל עשרה ממדי מרחב. מהי התאוריה הזאת, המכונה M-theory?

במהלך שנות השמונים של המאה העשרים נוסחו חמש תורות מיתרים שונות שכולן נראו עקביות וכולן כללו בתוכן תיאור של כבידה קוונטית [1] - מיזוג של תורת היחסות הכללית של איינשטיין עם עקרונות תורת הקוונטים (בעבר פרסמנו סדרה שלמה שעסקה בהתפתחות ועקרונות תורת המיתרים [2]).

חמש תורות המיתרים שונות זו מזו: חלקן כוללות מיתרים סגורים בלבד, מעין לולאות, וחלקן כוללות גם מיתרים פתוחים. כל אחת מהן כוללת תחזית שונה לגבי הכוחות היסודיים בטבע. לפיכך עמדו הפיזיקאים בפני מבוכה: מי מהתורות הללו ״נכונה״ יותר? מי מהן מתארת את הטבע? מדוע קיימות חמש תורות שונות?

בראשית שנות התשעים של המאה העשרים חוללו הפיזיקאים נתן זייברג ואדוארד וויטן מהפכה בפיזיקה כאשר הם גילו דואליות בין תורות שדה – תורות המתארות את הכוח החזק. משמעותה של דואליות היא שתורות שדה שנראות שונות זו מזו מתארות את אותה הפיזיקה בשפות שונות.

לאר גילוי הדואליות הזאת, הגיע וויטן למסקנה הנועזת שחמש תורות המיתרים הן למעשה חלק מתורה אחת יסודית אותה הוא כינה M-theory, אותה אתאר במאמר קצר זה.

חמש תורות המיתרים מתאפיינות בכך שהן מתקיימות במרחב בעל תשעה מימדים. אדוארד וויטן הציע שהתורה היסודית יותר מתקיימת במרחב בעל עשרה מימדי מרחב (בנוסף למימד הזמן, ובסך הכל אחד עשר מימדים). כאשר סוקרים את התורה החדשה מתגלות תורות המיתרים כמקרים פרטיים של התורה היסודית.

למה דומה הדבר? נניח שלפנינו פיל וחמישה אנשים עיוורים ממששים אותו. אחד נוגע בחדק של הפיל, השני ברגלו, השלישי בגבו, הרביעי בזנבו והחמישי באשכיו ... כל אחד מהם מבין שהוא ממשש חלק מישות אחת אך הוא איננו רואה את התמונה השלמה, את הפיל, ולכן הוא חשוף רק לחלק מסויים מהפיל. הבנתו של כל אחד מהם מהו פיל היא חלקית.

חמש תורות המיתרים מתקבלות כתאור חלקי של התאוריה הגדולה יותר, M-theory. בתורה זו קיימים שני אובייקטים בסיסים: ממברנה, כלומר אובייקט דו-מימדי, ובנוסף אובייקט נוסף בעל חמישה ממדי מרחב. אם מדמיינים מצב שבו אחד המימדים של M-theory הוא מעגל קטן, היא נראית כמו תורת מיתרים, שכן ממברנה ש"מלופפת" על מעגל קטן נראית כמו מיתר.

בקירוב מסוים, בו מנסים לתאר כיצד התורה מתנהגת בצורה מאקרוסקופית, נראה שהיא ניתנת לתיאור על-ידי תורת סופר-כבידה המתקיימת בעשרה ממדי מרחב [3].

למרבה הצער, למרות שנראה היה ש M-theory היא תורה יסודית של הטבע, לא נמצא לה עד היום, כלומר אחרי כ 25 שנות מחקר, ניסוח מדוייק. אנחנו יודעים על תורה זאת יחסית מעט: שהיא קיימת, שתורות המיתרים מתקבלות ממנה בגבול מסויים, שתאוריית סופר-כבידה מתקבלת ממנה אף היא. אנחנו גם יודעים מהם האובייקטים הבסיסיים בתורה. אולם אין לנו הבנה טובה כיצד מתקיימות פעולות הגומלין בין האובייקטים הללו. יחד עם זאת יתכן ש M-theory תהיה חשובה בהסברת תופעות טבע שטרם נמדדו אך נחזות בעזרת התורה. דוגמא לכך היא תרחיש שבו הפרוטון איננו יציב אך בעל זמן חיים ארוך מאוד [4]. כמו כן, למרות ההצלחה החלקית בניסוחה של M-theory, היא כבר הובילה למספר תובנות בהקשר של התנהגות הכוח החזק. עם זאת אנו עומדים בפני מבוכה חדשה: אין אנו יודעים לנסח את התורה שייתכן שהיא התורה היסודית של הטבע.

ולבסוף, כאשר נשאל וויטן מדוע הוא כינה את התורה M-theory, הוא ענה:

״M should stand for "magic", "mystery" or " membrane" according to taste.״

מקורות:

[1] כבידה קוונטית

[2] הולדת תורת המיתרים

[3] תאוריית הסופר כבידה

[4] מאמר המחשב את זמן החיים של הפרוטון בתאורייה אפשרית אחת