NOVA | Teachers | Elegant Universe, The | The Science of Superstrings | PBS

The Science of Superstrings

De natuurkundigen van vandaag worstelen met een dilemma. Ze hebben twee verschillende theorieën aanvaard die verklaren hoe het universum werkt: De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die het heelal op zeer grote schaal beschrijft, en de kwantummechanica, die het heelal op zeer kleine schaal beschrijft. Beide theorieën worden overstelpt door experimenteel bewijsmateriaal.

Helaas vullen deze theorieën elkaar niet aan. De algemene relativiteit, die beschrijft hoe de zwaartekracht werkt, impliceert een glad en vloeiend universum van krommingen en krommingen in het weefsel van de ruimtetijd. De kwantummechanica – met haar onzekerheidsprincipe – gaat ervan uit dat het heelal op een oneindig kleine schaal een turbulente, chaotische plek is waar gebeurtenissen alleen met waarschijnlijkheden kunnen worden voorspeld. In twee gevallen waarin de concurrerende theorieën beide moeten worden toegepast – om de oerknal en de diepten van zwarte gaten te beschrijven – gaan de vergelijkingen niet op.

De meeste natuurkundigen hebben er moeite mee te accepteren dat het heelal werkt volgens twee afzonderlijke (en soms tegenstrijdige) theorieën. Zij achten het waarschijnlijker dat het heelal wordt beheerst door één enkele theorie die alle waarnemingen en gegevens verklaart.

De jacht op één theorie

Om die reden zijn natuurkundigen op jacht naar een verenigde theorie. Een dergelijke theorie zou alle vier de natuurkrachten onder één paraplu samenbrengen: de zwaartekracht, de zwakste van de vier, zoals verklaard door de algemene relativiteit; en het elektromagnetisme en de sterke en zwakke krachten, zoals verklaard door de kwantumveldentheorie. Einstein streefde naar een verenigde theorie door te proberen elektromagnetisme en zwaartekracht te verenigen.

Superstring theory, ook wel snaartheorie genoemd, is de huidige formulering van deze voortdurende zoektocht. De snaartheorie probeert alle vier de krachten te verenigen, en daarmee de algemene relativiteit en de kwantummechanica. De kern ervan is een vrij eenvoudig idee – alle deeltjes zijn gemaakt van kleine vibrerende strengen energie. (De snaartheorie dankt zijn naam aan het snaarachtige uiterlijk van deze energiestrengen). In tegenstelling tot gewone snaren hebben deze snaren wel lengte (gemiddeld zo’n 10-33 centimeter) maar geen dikte. De snaartheorie houdt in dat de deeltjes waaruit alle materie in het heelal bestaat – en alle krachten waardoor materie op elkaar inwerkt – gemaakt zijn van minuscule vibrerende energiestrengen.

De huidige geaccepteerde en experimenteel geverifieerde theorie over hoe het heelal werkt op subatomaire schalen stelt dat alle materie bestaat uit – en op elkaar inwerkt door – puntdeeltjes. Deze theorie, die bekend staat als het Standaard Model, beschrijft de elementaire deeltjes en drie van de vier fundamentele krachten die dienen als de bouwstenen voor onze wereld (zie de Elementaire Deeltjes- en de Fundamentele Krachtdeeltjes-grafiek voor een lijst van deze deeltjes). Deze theorie omvat niet de zwaartekracht.

In de snaartheorie correspondeert elk type elementair materiedeeltje – en elk type fundamentele krachtdeeltje dat interacties tussen materiedeeltjes bemiddelt – met een uniek snaartrillingspatroon, ongeveer zoals verschillende noten die door een viool worden gespeeld corresponderen met unieke snaartrillingen. Hoe een snaar trilt bepaalt de eigenschappen – zoals lading, massa en spin – van het deeltje dat het is. De vergelijkingen van de snaartheorie zouden kunnen leiden tot elementaire deeltjes zoals die thans bekend zijn (elektronen, quarks, fotonen, enz.), maar omdat er nog geen gedetailleerde numerieke voorspellingen kunnen worden gedaan, is het moeilijk om te weten of het assortiment van mogelijke trillingspatronen alle bekende materie- en krachtdragende deeltjes correct weergeeft. Snaren kunnen ofwel open zijn ofwel gesloten om een lus te vormen. Of een snaar open of gesloten is, bepaalt het soort interacties dat hij kan ondergaan.

Het is de aard van snaren die de algemene relativiteit en de kwantummechanica verenigt. Volgens de kwantumveldentheorie werken deeltjes op nul afstand in de ruimtetijd op elkaar in. In de algemene relativiteitstheorie kan het graviton, het deeltje dat de zwaartekracht draagt, niet op nul afstand werken. Snaren helpen dit dilemma op te lossen. Omdat ze eendimensionaal zijn en lengte hebben, “smeren” ze interacties uit over kleine afstanden. Dit uitsmeren maakt de ruimtetijd glad genoeg voor het graviton om te kunnen wisselwerken met andere kwantumvelddeeltjes, waardoor de twee reeksen wetten worden verenigd.

Een stevig prijskaartje

Maar de snaartheorie heeft, ondanks al haar elegantie, een prijs. Om consistent te zijn, moet het heelal meer dan drie ruimtelijke dimensies hebben. De snaartheorie voorspelt een heelal met negen ruimtelijke dimensies en één tijdsdimensie, dus in totaal tien dimensies. (De meest recente versie van de snaartheorie voorspelt 11 dimensies.) De negen ruimtelijke dimensies bestaan uit de drie uitgebreide dimensies die we in het dagelijks leven ervaren, plus zes theoretisch kleine, opgekrulde dimensies die met de bestaande technologieën niet kunnen worden waargenomen. Deze extra zes dimensies komen op elk punt in de bekende driedimensionale wereld voor. Het bestaan van meer dan drie ruimtelijke dimensies is zo’n moeilijk te vatten concept dat zelfs snaartheoretici het niet kunnen visualiseren. Zij gebruiken vaak analogieën om zich deze abstracties voor te stellen.

Stel je bijvoorbeeld een stuk papier voor met een tweedimensionaal, plat oppervlak. Als je dit oppervlak oprolt, vormt het een koker, en één dimensie wordt gekruld. Stel je nu voor dat je doorgaat met het oprollen van het oppervlak totdat het zo strak is opgerold dat de binnenste gekrulde dimensie lijkt te verdwijnen en de koker er gewoon uitziet als een lijn. Op soortgelijke wijze zijn de extra dimensies die door de snaartheorie worden voorspeld zo strak gekruld dat ze in de dagelijkse ervaring lijken te verdwijnen.

Deze opgekrulde dimensies kunnen bepaalde complexe configuraties aannemen die bekend staan als Calabi-Yau vormen. Helaas bestaan er tienduizenden variaties van deze vormen, en het is moeilijk te weten welke daarvan de extra dimensies van ons heelal correct zouden kunnen weergeven. Het is belangrijk te weten welke juist zijn omdat het de vorm van deze extra dimensies is die de patronen van de snaartrillingen bepaalt. Deze patronen vertegenwoordigen op hun beurt alle componenten die het bestaan van het bekende heelal mogelijk maken.

Deze extra dimensies zouden zo klein kunnen zijn als 10-35 meter of zo groot als een tiende van een millimeter. Maar de extra dimensies kunnen ook even groot of groter zijn dan ons eigen heelal. Als dat het geval is, denken sommige natuurkundigen dat de zwaartekracht door deze extra dimensies kan lekken, wat zou kunnen helpen verklaren waarom de zwaartekracht zo zwak is in vergelijking met de andere drie krachten.

Het is een overeenkomst

De snaartheorie stelt ook dat elk bekend materiedeeltje een nog onontdekt overeenkomstig “super”-krachtdeeltje moet hebben en dat elk bekend krachtdeeltje een nog onontdekt overeenkomstig “super”-materiedeeltje moet hebben. Dit idee, bekend als supersymmetrie, helpt een relatie te leggen tussen materiedeeltjes en krachtdragende deeltjes. Deze deeltjes, die superpartners worden genoemd (zie “Deeltjes en Spartikels” hieronder), zouden massiever zijn dan hun bekende tegenhangers, wat de reden kan zijn dat ze nog niet zijn waargenomen met de huidige deeltjesversnellers en detectoren.

* Het graviton en het Higgs-boson zijn nog niet experimenteel bevestigd. Een volledige lijst van deeltjes en hun voorgestelde superpartners is te vinden in “Elementary Particles” op www.pbs.org/nova/elegant/.

Het potentieel van wat snaartheorie zou kunnen helpen verklaren is enorm. Het zou kunnen onthullen wat er gebeurde op het moment dat het heelal begon. De oerknaltheorie beschrijft alleen wat er gebeurde na de eerste extreem kleine fractie van een seconde. Volgens conventionele theorieën kromp het heelal voor die tijd tot nul – een onmogelijkheid. Volgens de snaartheorie is het heelal misschien nooit gekrompen tot het punt waarop het verdween, maar is het in plaats daarvan begonnen met een minuscule omvang – de grootte van één enkele snaar.

Snaartheorie zou ook kunnen helpen de aard van zwarte gaten te onthullen, die, hoewel voorspeld door de algemene relativiteit, nooit volledig zijn verklaard op het kwantumniveau. Met behulp van één soort snaartheorie hebben natuurkundigen wiskundig miniatuurmassaloze zwarte gaten beschreven die, nadat ze veranderingen hebben ondergaan in de geometrie van de extra dimensies van de snaartheorie, tevoorschijn komen als elementaire deeltjes met massa en lading. Sommige theoretici denken nu dat zwarte gaten en fundamentele deeltjes identiek zijn en dat hun waargenomen verschillen iets te maken hebben met faseovergangen, zoals vloeibaar water dat in ijs verandert.

Wanneer het allemaal begon

De snaartheorie is niet helemaal nieuw. Het is al in ontwikkeling sinds de late jaren zestig. Op een gegeven moment waren er vijf varianten van de theorie. Halverwege de jaren negentig kwam er een theorie die bekend staat als M-theorie, waarin de vijf theorieën werden verenigd. M-theorie wordt beschouwd als de laatste stap in de evolutie van de snaartheorie (zie “M-theorie, Magie, Mysterie, Moeder?” rechts).

De nieuwste incarnatie van de snaartheorie-M-theorie-bracht aan het licht dat vijf eerdere versies van de snaartheorie slechts vijf verschillende aspecten van één theorie waren.

Geen enkel onderdeel van de snaartheorie is experimenteel bevestigd. Dit komt deels doordat theoretici de theorie nog niet goed genoeg begrijpen om definitieve, toetsbare voorspellingen te doen. Bovendien wordt aangenomen dat snaren zo klein zijn – minder dan een miljardste van een miljardste van de grootte van een atoom – dat technologieën zoals de huidige versnellers en detectoren niet krachtig genoeg zijn om ze te detecteren (zie “Seeking the Fundamental” hieronder). Hoewel de snaartheorie nog niet experimenteel kan worden geverifieerd, hopen natuurkundigen dat sommige van haar facetten kunnen worden ondersteund door indirect bewijs, zoals het aantonen van het bestaan van:

• extra dimensies. Natuurkundigen hopen dat huidige of toekomstige deeltjesversnellers het bestaan van extra dimensies kunnen helpen aantonen. Detectoren zouden de ontbrekende energie kunnen meten die vanuit onze dimensies naar deze extra dimensies zou zijn weggelekt, en zo mogelijk bewijs leveren voor het bestaan van deze dimensies.

• superpartnerdeeltjes. Onderzoekers zullen de huidige en de volgende generatie deeltjesversnellers gebruiken om te zoeken naar de superpartikeldeeltjes die door de snaartheorie worden voorspeld.

• fluctuaties in achtergrondstraling. Het heelal is doordrongen van gelijkmatige straling met een zeer lage temperatuur van 2,7 graden Kelvin. Aangenomen wordt dat dit een overblijfsel is van de oorspronkelijke zeer hoge temperatuur van de oerknal. Bij vergelijking van de temperaturen van verschillende plaatsen aan de hemel die slechts ongeveer 1 graad van elkaar verwijderd zijn, zijn uiterst kleine temperatuurverschillen gevonden (in de orde van een honderdduizendste van een graad Kelvin). Wetenschappers zijn op zoek naar nog kleinere temperatuurverschillen van een specifieke vorm die mogelijk is overgebleven van de vroegste momenten van de oerknal, toen de energieën die nodig waren om snaren te creëren, mogelijk al waren bereikt.

Op zoek naar het fundamentele

Weliswaar hebben natuurkundigen met behulp van botsingsmachines bewijs gevonden voor de meeste materie- en krachtdeeltjes waaruit het Standaardmodel bestaat, maar ze zijn nog steeds op zoek naar het Higgs-boson, het deeltje dat de kracht draagt en waarnaar wordt gezocht. Deze grafiek toont de energieën waarbij sommige deeltjes en krachtunits zijn gevonden of waarover theorieën bestaan (vaste cirkels) en geeft de energieën aan die kunnen worden onderzocht met huidige of geplande colliders (lege cirkels). Natuurkundigen hopen dat de Large Hadron Collider van CERN in Zwitserland en Frankrijk, die in 2007 online moet gaan, bewijs zal leveren voor het Higgs-boson, en ook aanwijzingen voor het graviton en de ongrijpbare superpartnerdeeltjes, waarvoor een theorie bestaat. Het verenigen van de sterke en de electrozwakke krachten of het vinden van de getheoretiseerde snaren lijkt het gebruik van energieën te vereisen die veel verder gaan dan wat de huidige technologieën bieden. Sommige theoretici geloven echter dat de snarenergie dichter bij de huidige of geplande versneller-energieën kan liggen.