Superstring-theorie, in populaire taal, vertegenwoordigt het universum als een verzameling trillende energiestrengen - snaren. Ze vormen de basis van de natuur. De hypothese beschrijft ook andere elementen - branen. Alle materie in onze wereld bestaat uit trillingen van snaren en branen. Een natuurlijk gevolg van de theorie is de beschrijving van de zwaartekracht. Daarom geloven wetenschappers dat het de sleutel is tot het verenigen van de zwaartekracht met andere krachten.
Concept in ontwikkeling
De verenigde veldentheorie, de supersnaartheorie, is puur wiskundig. Zoals alle fysieke concepten is het gebaseerd op vergelijkingen die op bepaalde manieren kunnen worden geïnterpreteerd.
Vandaag weet niemand precies wat de definitieve versie van deze theorie zal zijn. Wetenschappers hebben een nogal vaag idee van de algemene elementen, maar niemand heeft nog een definitieve vergelijking bedacht die alle supersnaartheorieën zou dekken, en experimenteel is het nog niet in staat geweest om het te bevestigen (hoewel het ook niet te weerleggen). Natuurkundigen hebben vereenvoudigde versies van de vergelijking gemaakt, maar tot nu toe beschrijft het ons universum niet helemaal.
Superstring-theorie voor beginners
De hypothese is gebaseerd op vijf kernideeën.
- Superstring-theorie voorspelt dat alle objecten in onze wereld bestaan uit trillende filamenten en membranen van energie.
- Ze probeert de algemene relativiteit (zwaartekracht) te combineren met de kwantumfysica.
- Superstring-theorie zal alle fundamentele krachten van het universum verenigen.
- Deze hypothese voorspelt een nieuwe verbinding, supersymmetrie, tussen twee fundamenteel verschillende soorten deeltjes, bosonen en fermionen.
- Het concept beschrijft een aantal extra, meestal niet waarneembare dimensies van het heelal.
Snaren en branen
Toen de theorie in de jaren zeventig opkwam, werden de draden van energie erin beschouwd als 1-dimensionale objecten - snaren. Het woord "eendimensionaal" betekent dat de string maar 1 dimensie heeft, de lengte, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een vierkant, dat zowel een lengte als een hoogte heeft.
De theorie verdeelt deze superstrings in twee typen - gesloten en open. Een open snaar heeft uiteinden die elkaar niet raken, terwijl een gesloten snaar een lus is zonder open uiteinden. Als resultaat werd gevonden dat deze strings, strings van het eerste type genoemd, onderhevig zijn aan 5 hoofdtypes van interacties.
Interacties zijn gebaseerd op het vermogen van een string om zijn uiteinden te verbinden en te scheiden. Aangezien de uiteinden van open snaren kunnen worden gecombineerd om gesloten snaren te vormen, is het onmogelijk om een supersnaartheorie te construeren die geen lusvormige snaren omvat.
Dit bleek belangrijk te zijn, omdat gesloten snaren eigenschappen hebben, denken natuurkundigen, die de zwaartekracht kunnen beschrijven. Met andere woorden, wetenschappersrealiseerde zich dat de supersnaartheorie, in plaats van de materiedeeltjes te verklaren, hun gedrag en zwaartekracht kan beschrijven.
Na vele jaren werd ontdekt dat er naast strijkers nog andere elementen nodig zijn voor de theorie. Ze kunnen worden gezien als vellen of branen. Snaren kunnen aan één kant of aan beide kanten worden bevestigd.
Kwantumzwaartekracht
De moderne natuurkunde heeft twee wetenschappelijke hoofdwetten: algemene relativiteitstheorie (GR) en kwantum. Ze vertegenwoordigen totaal verschillende wetenschapsgebieden. De kwantumfysica bestudeert de kleinste natuurlijke deeltjes, en GR beschrijft in de regel de natuur op de schaal van planeten, sterrenstelsels en het heelal als geheel. De hypothesen die ze proberen te verenigen, worden kwantumzwaartekrachttheorieën genoemd. De meest veelbelovende van vandaag is de string.
Gesloten draden komen overeen met het gedrag van de zwaartekracht. Ze hebben met name de eigenschappen van een graviton, een deeltje dat zwaartekracht tussen objecten draagt.
De krachten bundelen
String-theorie probeert de vier krachten - elektromagnetische, sterke en zwakke kernkrachten en zwaartekracht - in één te combineren. In onze wereld manifesteren ze zich als vier verschillende fenomenen, maar snaartheoretici geloven dat in het vroege universum, toen er ongelooflijk hoge energieniveaus waren, al deze krachten worden beschreven door snaren die met elkaar in wisselwerking staan.
Supersymmetrie
Alle deeltjes in het universum kunnen in twee soorten worden verdeeld: bosonen en fermionen. Snaartheorievoorspelt dat er een relatie tussen hen is, supersymmetrie genoemd. In supersymmetrie moet er een fermion zijn voor elk boson en een boson voor elk fermion. Helaas is het bestaan van dergelijke deeltjes niet experimenteel bevestigd.
Supersymmetrie is een wiskundige relatie tussen elementen van fysieke vergelijkingen. Het werd ontdekt in een ander gebied van de natuurkunde en de toepassing ervan leidde in het midden van de jaren zeventig tot de hernoeming van de supersymmetrische snaartheorie (of supersnaartheorie, in de volksmond).
Een van de voordelen van supersymmetrie is dat het vergelijkingen aanzienlijk vereenvoudigt doordat sommige variabelen kunnen worden geëlimineerd. Zonder supersymmetrie leiden de vergelijkingen tot fysieke tegenstellingen zoals oneindige waarden en denkbeeldige energieniveaus.
Omdat wetenschappers de door supersymmetrie voorspelde deeltjes niet hebben waargenomen, is het nog steeds een hypothese. Veel natuurkundigen zijn van mening dat de reden hiervoor de behoefte aan een aanzienlijke hoeveelheid energie is, die gerelateerd is aan massa door de beroemde Einstein-vergelijking E=mc2. Deze deeltjes zouden in het vroege heelal kunnen hebben bestaan, maar toen het afkoelde en de energie zich verspreidde na de oerknal, verplaatsten deze deeltjes zich naar een laag energieniveau.
Met andere woorden, de snaren die trilden als hoogenergetische deeltjes verloren hun energie en veranderden ze in lager vibrerende elementen.
Wetenschappers hopen dat astronomische waarnemingen of experimenten met deeltjesversnellers de theorie zullen bevestigen door enkele van de supersymmetrische elementen met een hogereenergie.
Extra metingen
Een ander wiskundig gevolg van de snaartheorie is dat het logisch is in een wereld met meer dan drie dimensies. Er zijn momenteel twee verklaringen hiervoor:
- De extra dimensies (zes ervan) zijn ingestort, of, in snaartheorie-terminologie, verdicht tot ongelooflijk kleine afmetingen die nooit zullen worden waargenomen.
- We zitten vast in de 3D-braan en de andere dimensies strekken zich daarbuiten uit en zijn voor ons ontoegankelijk.
Een belangrijke onderzoekslijn onder theoretici is de wiskundige modellering van hoe deze extra coördinaten gerelateerd kunnen zijn aan de onze. De laatste resultaten voorspellen dat wetenschappers deze extra dimensies binnenkort zullen kunnen detecteren (als ze bestaan) in komende experimenten, omdat ze groter kunnen zijn dan eerder werd verwacht.
Het doel begrijpen
Het doel dat wetenschappers nastreven bij het onderzoeken van superstrings is een 'theorie van alles', dat wil zeggen een enkele fysieke hypothese die de hele fysieke realiteit op een fundamenteel niveau beschrijft. Als het lukt, zou het veel vragen over de structuur van ons universum kunnen verhelderen.
Uitleg van materie en massa
Een van de belangrijkste taken van modern onderzoek is het vinden van oplossingen voor reële deeltjes.
Snaartheorie begon als een concept dat deeltjes zoals hadronen beschrijft in verschillende hogere trillingstoestanden van een snaar. In de meeste moderne formuleringen is de materie die in onzeuniversum, is het resultaat van trillingen van snaren en branen met de laagste energie. Hogere trillingen genereren hoogenergetische deeltjes die momenteel niet in onze wereld bestaan.
De massa van deze elementaire deeltjes is een manifestatie van hoe snaren en branen zijn verpakt in verdichte extra dimensies. In een vereenvoudigd geval waarbij ze bijvoorbeeld in een donutvorm zijn gevouwen, door wiskundigen en natuurkundigen een torus genoemd, kan een touwtje deze vorm op twee manieren omwikkelen:
- korte lus door het midden van de torus;
- een lange lus rond de gehele buitenomtrek van de torus.
Een korte lus zal een licht deeltje zijn, en een grote lus zal een zware zijn. Het wikkelen van snaren rond verdichte ringkerndimensies levert nieuwe elementen met verschillende massa's op.
Superstring-theorie verklaart beknopt en duidelijk, eenvoudig en elegant de overgang van lengte naar massa. De gevouwen afmetingen zijn hier veel gecompliceerder dan de torus, maar in principe werken ze op dezelfde manier.
Het is zelfs mogelijk, hoewel moeilijk voor te stellen, dat de draad zich tegelijkertijd in twee richtingen om de torus wikkelt, wat resulteert in een ander deeltje met een andere massa. Branes kan ook extra dimensies inpakken, waardoor er nog meer mogelijkheden ontstaan.
Bepalen van ruimte en tijd
In veel versies van de supersnaartheorie vallen de dimensies ineen, waardoor ze niet meer waarneembaar zijn op het huidige niveau van technologische ontwikkeling.
Momenteel is het niet duidelijk of de snaartheorie de fundamentele aard van ruimte en tijd kan verklarenmeer dan Einstein deed. Daarin vormen metingen de achtergrond voor de interactie van snaren en hebben ze geen onafhankelijke echte betekenis.
Er zijn verklaringen gegeven, niet volledig ontwikkeld, met betrekking tot de representatie van ruimte-tijd als een afgeleide van de totale som van alle string-interacties.
Deze benadering komt niet overeen met de ideeën van sommige natuurkundigen, wat leidde tot kritiek op de hypothese. De competitieve theorie van luskwantumzwaartekracht gebruikt de kwantisering van ruimte en tijd als uitgangspunt. Sommigen geloven dat het uiteindelijk gewoon een andere benadering van dezelfde basishypothese zal zijn.
Kwantisering van de zwaartekracht
De belangrijkste prestatie van deze hypothese, als deze wordt bevestigd, zal de kwantumtheorie van de zwaartekracht zijn. De huidige beschrijving van zwaartekracht in de algemene relativiteitstheorie is niet in overeenstemming met de kwantumfysica. Dit laatste leidt, door beperkingen op te leggen aan het gedrag van kleine deeltjes, tot tegenstrijdigheden bij pogingen om het heelal op extreem kleine schaal te verkennen.
Eenmaking van krachten
Momenteel kennen natuurkundigen vier fundamentele krachten: zwaartekracht, elektromagnetische, zwakke en sterke nucleaire interacties. Uit de snaartheorie volgt dat ze allemaal eens manifestaties van één waren.
Volgens deze hypothese, sinds het vroege heelal afkoelde na de oerknal, begon deze enkele interactie uiteen te vallen in verschillende die nu actief zijn.
Experimenten met hoge energie zullen ons op een dag in staat stellen de eenwording van deze krachten te ontdekken, hoewel dergelijke experimenten veel verder gaan dan de huidige technologische ontwikkeling.
Vijf keuzes
Na de supersnaarrevolutie in 1984 werd de ontwikkeling in een koortsachtig tempo doorgevoerd. Als gevolg hiervan waren er in plaats van één concept vijf, genaamd typen I, IIA, IIB, HO, HE, die elk onze wereld bijna volledig beschreven, maar niet volledig.
Natuurkundigen, die versies van de snaartheorie doorzoeken in de hoop een universele ware formule te vinden, hebben 5 verschillende zelfvoorzienende versies gemaakt. Sommige van hun eigenschappen weerspiegelden de fysieke realiteit van de wereld, andere kwamen niet overeen met de realiteit.
M-theorie
Tijdens een conferentie in 1995 stelde natuurkundige Edward Witten een gedurfde oplossing voor voor het probleem van vijf hypothesen. Op basis van de nieuw ontdekte dualiteit werden ze allemaal speciale gevallen van een enkel overkoepelend concept, Wittens M-theorie van supersnaren genaamd. Een van de belangrijkste concepten was branes (afkorting van membraan), fundamentele objecten met meer dan 1 dimensie. Hoewel de auteur geen volledige versie aanbood, die nog niet beschikbaar is, bestaat de M-theorie van superstrings in het kort uit de volgende kenmerken:
- 11-dimensie (10 ruimtelijke plus 1 tijdsdimensie);
- dualiteiten die leiden tot vijf theorieën die dezelfde fysieke realiteit verklaren;
- branen zijn strings met meer dan 1 dimensie.
Consequenties
Als resultaat waren er in plaats van één maar 10500 oplossingen. Voor sommige natuurkundigen veroorzaakte dit een crisis, terwijl anderen het antropische principe accepteerden, dat de eigenschappen van het universum verklaart door onze aanwezigheid erin. Het v alt nog te bezien wanneer theoretici een andere zullen vindenmanier van oriëntatie in supersnaartheorie.
Sommige interpretaties suggereren dat onze wereld niet de enige is. De meest radicale versies maken het bestaan mogelijk van een oneindig aantal universums, waarvan sommige exacte kopieën van de onze bevatten.
Einsteins theorie voorspelt het bestaan van een opgerolde ruimte, die een wormgat of een Einstein-Rosen-brug wordt genoemd. In dit geval zijn twee afgelegen locaties verbonden door een korte doorgang. Superstring-theorie maakt niet alleen dit mogelijk, maar ook de verbinding van verre punten van parallelle werelden. Het is zelfs mogelijk om te wisselen tussen universums met verschillende natuurwetten. Het is echter waarschijnlijk dat de kwantumtheorie van de zwaartekracht hun bestaan onmogelijk zal maken.
Veel natuurkundigen geloven dat het holografische principe, wanneer alle informatie in het volume van de ruimte overeenkomt met de informatie die op het oppervlak is vastgelegd, een dieper begrip van het concept van energiedraden mogelijk zal maken.
Sommigen geloven dat de supersnaartheorie meerdere tijdsdimensies mogelijk maakt, wat zou kunnen resulteren in reizen door hen heen.
Bovendien is er, in het kader van de hypothese, een alternatief voor het oerknalmodel, volgens hetwelk ons universum verscheen als resultaat van een botsing van twee branen en door herhaalde cycli van schepping en vernietiging gaat.
Het uiteindelijke lot van het universum heeft natuurkundigen altijd beziggehouden, en de definitieve versie van de snaartheorie zal helpen bij het bepalen van de dichtheid van materie en de kosmologische constante. Als ze deze waarden kennen, kunnen kosmologen bepalen of het universum dat zal doenkrimpen totdat het explodeert om het helemaal opnieuw te beginnen.
Niemand weet waar een wetenschappelijke theorie toe kan leiden totdat deze is ontwikkeld en getest. Einstein, die de vergelijking E=mc2 schreef, verwachtte niet dat dit zou leiden tot het verschijnen van kernwapens. De makers van de kwantumfysica wisten niet dat het de basis zou worden voor het maken van een laser en een transistor. En hoewel het nog niet bekend is waar zo'n puur theoretisch concept toe zal leiden, leert de geschiedenis dat er zeker iets bijzonders uit zal komen.
Voor meer informatie over dit vermoeden, zie Andrew Zimmerman's Superstring Theory for Dummies.
