עד כמה שאפתנים צריכים להיות המדענים ברעב שלהם להסברים? האם באמת אפשר להסביר את היקום וכל מה שיש בו? בתקופה המוקדמת ביותר של המדע ניסה ארכימדס לזהות כמה אקסיומות או עקרונות שמהם אפשר להסיק הכול, והאטומיסטים האמינו שכל מגוון התופעות הנצפות נובע מהתנגשויות של אטומים. הרבה יותר מאוחר, העוצמה של חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון הובילה את המתמטיקאי הצרפתי פייר-סימון לפלס להציע שתבונה חזקה מספיק (היום היינו אומרים: מחשב), שיודעת את המיקומים והתנועות של כל החלקיקים ברגע אחד, יכולה לחשב את תנועותיהם ומיקומיהם בכל זמן בעתיד.
הדטרמיניזם שנובע מהמכניקה ומהכבידה של ניוטון היה מתועב בעיני הומניסטים ופילוסופים רבים: אנחנו, בני האדם, אוספים של חלקיקים, ואם כך אולי הבחירות שלנו והרצון החופשי שלנו הם אשליה. המאה ה-20 עיצבה מחדש את הציפיות הגדולות האלה, במנה של אי-ודאות. בפועל הדטרמיניזם מסוכל בגלל האופי ההסתברותי של תורת הקוונטים, בגלל התכונות הבלתי צפויות והמתהוות של מערכות מורכבות, ובגלל רגישות קיצונית לתנאי ההתחלה, שמובילה לכאוס מתמטי. מכיוון ש"תיאוריה של הכול" חייבת להיות גם תיאוריה מתמטית עקבית, פיזיקאים בולטים כמו פרימן דייסון וסטיבן הוקינג הסיקו שהחיפוש אחר תיאוריה אולטימטיבית עם מספר קטן של עקרונות עלול להיות עקר. וגם אם נמצא מערכת משוואות שמתארת את כל מה שביקום, עדיין יישארו שאלות פתוחות על המקור ועל המשמעות. כפי ששאל סטיבן הוקינג: "מה הוא זה שנופח אש במשוואות ויוצר יקום שהן יוכלו לתאר?".
רוב המדענים מקבלים את זה שאין תיאוריה אחת שאפשר להשתמש בה כדי להבין ולחזות את ההתנהגות של כל מערכת פיזיקלית. במקום זה הם מקווים להמשיך בצעדה לקראת איחוד ארבעת כוחות היסוד – שבו הכוחות, שכל אחד מהם נבדל מהאחרים ביקום של היום, הקר ובעל האנרגיה הנמוכה, מתמזגים לכוח-על אחד באנרגיה גבוהה מספיק. התיאוריות המאוחדות הגדולות מנסות לאחד את הכוח האלקטרומגנטי עם הכוח הגרעיני החלש והחזק. התיאוריות המבטיחות ביותר מבוססות על על-סימטריה (supersymmetry), שבה לכל חלקיק ידוע יש שותף "צל", ואין הבחנה בין החלקיקים שמרכיבים את החומר לחלקיקים שנושאים את הכוחות.
הצעד האחרון בדרך הזאת הוא איחוד התיאוריות המאוחדות הגדולות של חלקיקי היסוד עם תורת היחסות הכללית, תורת הכבידה הטובה ביותר שלנו. איינשטיין הטיח את ראשו בקיר הזה שלושים שנה, עד ערש דווי. הבעיה קשה כי החלקיקים "גרעיניים" ובדידים, ואילו הכבידה חלקה וגמישה – הן שונות זו מזו כמו עץ ושיש. תורת החלקיקים עובדת רק כשהכבידה חלשה כל כך שאפשר להעמיד פנים שאינה קיימת, ותורת היחסות הכללית עובדת רק כשמתעלמים מה"גרעיניות" ומאי-הוודאות של תורת הקוונטים. מאז מותו של איינשטיין, כבידה קוונטית היא "הגביע הקדוש" של הפיזיקה, אבל אין שום סיכוי שניסוי במעבדה ייצור את התנאים שבהם ארבעת כוחות היסוד מתאחדים. במקום זה, כל הדרכים מובילות בחזרה אל המפץ הגדול, ואל משהו שנקרא זמן פלאנק.
כשמחשבים את היקום המתפשט לאחור, לעבר סינגולריות – מצב של טמפרטורה וצפיפות אינסופיות – מגיעים לגבול ההבנה הפיזיקלית בזמן פלאנק. זמן פלאנק הוא 10−43 שנייה זעירות אחרי המפץ הגדול, ופרק הזמן הקצר ביותר שבו יש משמעות למושג זמן. באותו זמן מוקדם, האופק – המרחק שהאור הספיק לעבור – היה רק 10−35 מטר, מאה מיליארד מיליארדית מגודלו של פרוטון. המרחק הזה נקרא אורך פלאנק. בגודל זעיר כל כך, למרחב ולמדידות מרחק אין משמעות. ייתכן שהמרחב-זמן היה "קצפי", ולא חלק ורציף כפי שתורת היחסות הכללית חוזה. הטמפרטורה אז הייתה 1032 קלווין מדהימים – חם מספיק כדי שכוח הכבידה הקלוש יהיה שווה לכוחות האחרים, שחזקים ממנו בהרבה ביקום הקר של היום. הסמנים האלה מגדירים את גבולות המדידה וההבנה. הנה דרך נוספת לחשוב על זמן פלאנק ועל אורך פלאנק, בלי קשר לתיאור היקום המוקדם. לפי עיקרון אי-הוודאות של הייזנברג, חלקיקים חולפים, או וירטואליים, מופיעים ונעלמים כל הזמן, והם יכולים להיות מסיביים אם זמן החיים שלהם קצר מאוד. לפי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, מספיק מסה במרחב קטן מספיק יכולה ליצור חור שחור: אזור שהכבידה בו חזקה כל כך שמהירות המילוט ממנו היא מהירות האור. משילוב הרעיונות האלה עולה שיש קנה מידה קטן מספיק שבו יכולים להתקיים חורים שחורים וירטואליים. זהו קנה המידה של פלאנק. ברגע הראשון אחרי המפץ הגדול, המרחב היה מעוקם בקנה המידה של חלקיקים, לחלקיקים היו תכונות של חורים שחורים, ועיוותי המרחב-זמן נשלטו על ידי אי-ודאות קוונטית. סיר מים ברתיחה סוערת הוא קירוב גס מאוד ל"קצף המרחב-זמן" הרוחש של היקום המוקדם מאוד.
הפיזיקאים סבורים שמצאו דרך להתקדם, בקפיצה נועזת אל מעבר למודל הסטנדרטי. חשבו על מיתר של גיטרה. הוא מתוח, ולפי מידת המתח ולפי האופן שבו פורטים עליו, הוא משמיע צלילים שונים. הרמוניות שונות, או אופני תנודה שונים של המיתר, יוצרים תווים שונים. עכשיו דמיינו שהמיתר משתחרר מהגיטרה, אבל עדיין מתוח, כך שהוא יכול לרטוט ולהתנודד. חלק מהמיתרים המרחפים האלה נשארים פתוחים, ושני קצותיהם חופשיים, ואחרים סגורים ויוצרים לולאה. עכשיו דמיינו שהמיתרים האלה בלתי נראים, קטנים הרבה יותר מכל חלקיק – עצמים חד-ממדיים בקנה המידה של פלאנק, כ-10−35 מטר. זה, בקליפת אגוז קטנה מאוד, מה שהגו הפיזיקאים כדי לאחד את הכבידה עם מכניקת הקוונטים. בתורת המיתרים, כל חלקיק הוא אופן תנודה, או "תו", של מיתר זעיר ובלתי נראה. המיתרים הפתוחים והסגורים יכולים להגיב זה עם זה ולהתאחד. כשמיתר נע בזמן, הוא משרטט יריעה או צינור, לפי השאלה אם הוא פתוח או סגור. אופני התנודה של המיתר יוצרים את המסה, הספין והמטען שיש לחלקיק רגיל. כשמוסיפים על-סימטריה, המיתרים יכולים לתאר גם חלקיקים וגם כוחות: אלקטרון הוא מיתר רוטט, וכך גם גרביטון, החלקיק שנושא את כוח הכבידה. התיאוריה, שנקראה מעתה תורת מיתרי-העל (superstring theory), כוללת באופן טבעי את הכבידה ואת כל האינטראקציות של החלקיקים במודל הסטנדרטי.
ההבטחה של התיאוריה החדשה הייתה גדולה כל כך, שפיזיקאים צעירים ומבריקים רבים היו מוכנים ללמוד את המתמטיקה המופשטת והמסובכת עד ייסורים, שדרושה לתורה קוונטית של מיתרים מגיבים. אבל היו שתי בעיות והפתעה גדולה אחת. הבעיה הראשונה הייתה שהגודל וסולם האנרגיה של המיתרים רחוקים טריליוני מונים ממה שאפשר לבדוק בניסויי מעבדה או במאיצים, ולכן לא נראתה דרך לבדוק את התיאוריה. שנית, עבודה מפורטת בשנות ה-80 הראתה שיש חמישה סוגים שונים של תורת מיתרים, שקשה מאוד לעבוד על כל אחד מהם, ואין דרך נראית לעין להכריע ביניהם. וההפתעה? כל תורות המיתרים העל-סימטריות כללו עשרה ממדים של מרחב-זמן!
פריצת הדרך הבאה הושגה בשנות ה-90 בידי פיזיקאים תאורטיים בכמה אוניברסיטאות, ובראשם אדוארד ויטן מפרינסטון. מה שנחשב חמש תורות מיתרים שונות לגמרי התברר כדרכים שונות להסתכל על אותה תורה. דמיינו שכל תורה היא כמו פלנטה גדולה, שאנחנו מכירים בה רק אי קטן אחד. קשה כל כך לחקור את התורה מתמטית, שאיננו יודעים מה עוד אפשר למצוא על הפלנטה. כשהשיטות משתפרות, אנחנו יכולים לשוט בימים של כל פלנטה ולמצוא איים חדשים – ורק אז מתברר שחמש תורות המיתרים האלה הן איים על אותה פלנטה, ולא על פלנטות שונות! העולם הזה נקרא תורת M; לפי ויטן, האות M יכולה לציין "ממברנה", "קסם" (magic) או "מסתורין" (mystery). תאורטיקנים רבים חושבים שניסוח בעזרת ממברנות יהיה הדרך הפורייה ביותר להתקדם. העצם הבסיסי הוא ממברנה, או יריעה, ולא מיתר. לעצם הכללי, שנקרא "ברן" (brane), יכול להיות ממד מאפס עד תשע: נקודה היא ברן-0, קו הוא ברן-1, משטח או ממברנה הוא ברן-2, וכך הלאה, עד ממדים שאין שם לתאר אותם. קשה מאוד לעבוד עם תורת M, כי מספר סוגי הממברנות השונים בממדים שונים גדל באופן מעריכי. מספר המצבים הפיזיקליים הנבדלים בתיאוריה עם עשרה או אחד-עשר ממדים הוא כמעט אינסופי. אבל מספר המצבים שמתאימים ליקום שדומה בערך לשלנו, עם ארבעה ממדים בלבד של מרחב וזמן, הוא מספר שקל יותר להתמודד איתו – "רק" 10500! לכל אחד מהמצבים האלה יש ממדים נסתרים בקנה המידה של פלאנק ומערכת ייחודית ושונה של כוחות וחלקיקים בקנה המידה המקרוסקופי. המצב הזה נקרא "הנוף" (landscape) של תורת המיתרים. ועולה השאלה: מה אם היקום שלנו מייצג אחד מהמצבים האלה, והאחרים מייצגים יקומים אפשריים אחרים, שונים באופן קיצוני זה מזה ומשלנו?
תורת המיתרים רשמה הצלחה חשובה ב-1996, כשהיא שימשה להסבר האנטרופיה הגדולה להפתיע של חורים שחורים. לראשונה, תוצאה שנגזרה בפיזיקה הקלאסית-למחצה נגזרה גם בעזרת תורת המיתרים, וכך הודגם קשר מפורש בין מיתרים לכבידה. אבל תורת המיתרים ספגה תגובת נגד חזקה, כי נראה שההבטחה העצומה שלה לא מומשה. בעשורים האחרונים כתבו כמה מאות פיזיקאים תאורטיים מוכשרים במיוחד אלפי מאמרים על תורת המיתרים, ובכל זאת היא לא נבדקה, ולכן אי אפשר לאשש או להפריך אותה. יש הטוענים שבגלל המורכבות שלה ומכיוון שאינה מובילה לפתרון יחיד, אי אפשר לבדוק אותה, ולכן היא אינה מדע של ממש.
האם תורת המיתרים היא תיאוריה של הכול או תיאוריה של כלום? כרגיל בוויכוחים אקדמיים סוערים, האמת כנראה איפשהו באמצע. תורת המיתרים נתנה תובנות של ממש לגבי איחוד מכניקת הקוונטים עם הכבידה, ואף שאי אפשר ליצור במעבדה את התנאים שבהם הממדים הנסתרים מתגלים, ההשערה חוזה גם השפעות באנרגיות נמוכות יותר. מאיץ ההדרונים הגדול (LHC), למשל, בודק את העל-סימטריה, שהיא מרכיב מרכזי בתורות המיתרים. אבל אחרי שדרוגים שהעלו את האנרגיה שלו לכמעט פי שניים מזו ששימשה לגילוי חלקיק היגס, ה-LHC לא מצא שום סימן לעל-סימטריה, והתיאוריה הזאת נמצאת עכשיו בצרות.
אדוארד ויטן, "גורו" תורת המיתרים, שמונה לפרופסור מן המניין בגיל 29, אמר: "תורת המיתרים היא חלק מהפיזיקה של המאה ה-21 שנפל במקרה לתוך המאה ה-20". הוא ציין שהכלים הטכניים שדרושים כדי לבנות את התיאוריה עדיין היו בתהליך המצאה. אנחנו חוקרים ארץ עצומה שעוד לא התגלתה, ועדיין בונים את כלי הרכב שנזדקק להם למסע. העבודה הקשה הזאת תדרוש זמן וסבלנות.
→ הסעיף הקודם: 17.28 העיקרון האנתרופי בקוסמולוגיה | הסעיף הבא: 17.30 הרב-יקום ←