NOVA | Lärare | Elegant Universe, The | Vetenskapen om supersträngar | PBS

Vetenskapen om supersträngar

Dagens fysiker kämpar med ett dilemma. De har accepterat två olika teorier som förklarar hur universum fungerar: Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver universum på en mycket stor skala, och kvantmekaniken, som beskriver universum på en mycket liten skala. Båda dessa teorier har fått ett överväldigande stöd av experimentella bevis.

Tyvärr kompletterar dessa teorier inte varandra. Den allmänna relativitetsteorin, som beskriver hur gravitationen fungerar, förutsätter ett jämnt och flödande universum med krusningar och kurvor i rymdtidens väv. Kvantmekaniken – med sin osäkerhetsprincip – innebär att universum på en oändligt liten skala är en turbulent, kaotisk plats där händelser endast kan förutsägas med sannolikheter. I två fall där de konkurrerande teorierna måste tillämpas båda – för att beskriva big bang och svarta håls djup – bryts ekvationerna samman.

De flesta fysiker har svårt att acceptera att universum fungerar enligt två separata (och ibland motsägelsefulla) teorier. De anser att det är mer troligt att universum styrs av en enda teori som förklarar alla observationer och data.

Jakten på en teori

För den skull är fysikerna på jakt efter en enhetlig teori. En sådan teori skulle samla alla fyra naturkrafterna under ett paraply: gravitationen, den svagaste av de fyra, som förklaras av den allmänna relativitetsteorin, och elektromagnetismen och de starka och svaga krafterna, som förklaras av kvantfältsteorin. Einstein strävade efter en enhetlig teori genom att försöka förena elektromagnetism och gravitation.

Supersträngteori, även kallad strängteori, är den nuvarande formuleringen av detta pågående sökande. Strängteorin försöker förena alla fyra krafterna, och på så sätt förena den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken. Kärnan är en ganska enkel idé – alla partiklar består av små vibrerande energisträngar. (Strängteorin har fått sitt namn från det strängliknande utseendet hos dessa energisträngar). Till skillnad från vanliga strängar har dessa strängar längd (i genomsnitt cirka 10-33 centimeter) men ingen tjocklek. Strängteorin innebär att de partiklar som utgör all materia som du ser i universum – och alla krafter som gör det möjligt för materien att interagera – består av små vibrerande energisträngar.

Den för närvarande accepterade och experimentellt verifierade teorin om hur universum fungerar på subatomär nivå innebär att all materia består av – och interagerar genom – punktpartiklar. Denna teori, som kallas standardmodellen, beskriver de elementarpartiklar och tre av de fyra grundläggande krafter som fungerar som byggstenar i vår värld (se diagrammet Elementarpartiklar och diagrammet Partiklar för grundläggande krafter för en förteckning över dessa partiklar). Denna teori omfattar inte gravitation.

I strängteorin motsvarar varje typ av elementär materiepartikel – och varje typ av grundläggande kraftbärarpartikel som förmedlar växelverkan mellan materiepartiklar – ett unikt strängvibrationsmönster, ungefär som olika toner som spelas av en fiol motsvarar unika strängvibrationer. Hur en sträng vibrerar bestämmer egenskaperna – t.ex. laddning, massa och spinn – hos den partikel den är. Strängteorins ekvationer skulle kunna ge upphov till elementarpartiklar som de nu kända (elektroner, kvarkar, fotoner osv.), men eftersom detaljerade numeriska förutsägelser ännu inte kan göras är det svårt att veta om sortimentet av möjliga vibrationsmönster korrekt redogör för all känd materia och alla kända kraftbärande partiklar. Strängar kan antingen vara öppna eller stängda för att bilda en slinga. Om en sträng är öppen eller sluten avgör vilken typ av växelverkan den kan genomgå.

Det är strängarnas natur som förenar allmän relativitetsteori och kvantmekanik. Enligt kvantfältsteorin interagerar partiklar över noll avstånd i rumtiden. Enligt den allmänna relativitetsteorin kan den teoretiserade kraftbärande partikeln för gravitationen, gravitonen, inte verka på nollavstånd. Strängar hjälper till att lösa detta dilemma. Eftersom de är endimensionella och har längd ”smetar” de ut växelverkan över små avstånd. Denna smörjning jämnar ut rymdtiden tillräckligt för att gravitonen ska kunna interagera med andra kvantfältspartiklar och på så sätt förena de två laguppsättningarna.

En rejäl prislapp

Men strängteorin, trots all sin elegans, har ett pris. För att teorin ska vara konsekvent måste universum ha fler än tre rumsliga dimensioner. Faktum är att strängteorin förutsäger ett universum med nio rumsliga dimensioner och en tidsdimension, dvs. totalt 10 dimensioner. (Den senaste versionen av strängteorin förutsäger 11 dimensioner.) De nio rumsliga dimensionerna består av de tre utvidgade dimensioner som vi upplever i vardagen, plus sex teoretiserade små, ihoprullade dimensioner som inte kan ses med befintlig teknik. Dessa sex extra dimensioner förekommer vid varje punkt i den välbekanta tredimensionella världen. Existensen av fler än tre rumsliga dimensioner är ett så svårt begrepp att förstå att inte ens strängteoretiker kan visualisera det. De använder ofta analogier för att hjälpa till att föreställa sig dessa abstraktioner.

Föreställ dig till exempel ett papper med en tvådimensionell, platt yta. Om du rullar ihop denna yta kommer den att bilda ett rör, och den ena dimensionen blir ihoprullad. Föreställ dig nu att du fortsätter att rulla ytan tills den är rullad så hårt att den inre ihoprullade dimensionen tycks försvinna och röret helt enkelt ser ut som en linje. På ett liknande sätt är de extra dimensioner som förutses av strängteorin så tätt ihoprullade att de tycks försvinna i den vardagliga erfarenheten.

Dessa ihoprullade dimensioner kan anta vissa komplexa konfigurationer som kallas Calabi-Yau-former. Tyvärr finns det tiotusentals varianter av dessa former, och det är svårt att veta vilka som korrekt kan representera de extra dimensionerna i vårt universum. Det är viktigt att veta vilka som är korrekta eftersom det är formen på dessa extra dimensioner som bestämmer strängvibrationernas mönster. Dessa mönster representerar i sin tur alla de komponenter som gör att det kända universum kan existera.

Dessa extra dimensioner kan vara så små som 10-35 meter eller så stora som en tiondels millimeter. Alternativt kan de extra dimensionerna vara lika stora eller större än vårt eget universum. Om så är fallet tror vissa fysiker att gravitationen kan läcka över dessa extradimensioner, vilket skulle kunna förklara varför gravitationen är så svag jämfört med de andra tre krafterna.

Det är en match

Strängteorin kräver också att varje känd materiepartikel har en ännu ej upptäckt motsvarande ”super” kraftbärande partikel, och att varje känd kraftbärande partikel har en ännu ej upptäckt motsvarande ”super” materiepartikel. Denna idé, som kallas supersymmetri, bidrar till att skapa ett förhållande mellan materiepartiklar och kraftbärande partiklar. Dessa teoretiserade partiklar, som kallas superpartners (se ”Partiklar och spartiklar” nedan), tros vara mer massiva än sina kända motsvarigheter, vilket kan vara anledningen till att de ännu inte har observerats med nuvarande partikelacceleratorer och detektorer.

* Gravitonen och Higgsbosonen har ännu inte bekräftats experimentellt. en fullständig lista över partiklar och deras föreslagna superpartner finns i ”Elementary Particles” på www.pbs.org/nova/elegant/.

Potentialen för vad strängteorin skulle kunna hjälpa till att förklara är enorm. Den skulle kunna avslöja vad som hände i det ögonblick då universum började. Big Bang-teorin beskriver endast vad som hände efter den första extremt lilla bråkdelen av en sekund. Enligt konventionella teorier krympte universum innan dess till noll storlek – en omöjlighet. Enligt strängteorin kan universum aldrig ha krympt till en punkt där det försvann, utan kan snarare ha börjat med en mycket liten storlek – storleken på en enda sträng.

Strängteorin skulle också kunna bidra till att avslöja svarta håls natur, som visserligen förutsägs av den allmänna relativitetsteorin, men som aldrig har förklarats fullt ut på kvantnivå. Med hjälp av en typ av strängteori har fysiker matematiskt beskrivit masslösa svarta hål i miniatyr som – efter att ha genomgått förändringar i geometrin i strängteorins extra dimensioner – framträder som elementarpartiklar med massa och laddning. Vissa teoretiker anser nu att svarta hål och grundläggande partiklar är identiska och att deras upplevda skillnader återspeglar något som liknar fasövergångar, som att flytande vatten övergår till is.

Strängteorin öppnar också dörren för olika hypoteser om utvecklingen och karaktären av rymd och tid, till exempel hur universum kan ha sett ut före big bang eller rymdens förmåga att riva och reparera sig självt eller att genomgå topologiska förändringar.

När allting började

Strängteorin är inte helt ny. Den har utvecklats sedan slutet av 1960-talet. Vid ett tillfälle fanns det fem varianter av teorin. I mitten av 1990-talet uppstod sedan en teori som kallas M-teori och som förenade de fem teorierna. M-teorin anses vara det senaste steget i strängteorins utveckling (se ”M-teorin, magi, mysterium, mor?” till höger).

Den senaste inkarnationen av strängteorin – M-teorin – avslöjade att fem tidigare versioner av strängteorin bara var fem olika aspekter av en och samma teori.

Ingen del av strängteorin har bekräftats experimentellt. Detta beror delvis på att teoretikerna ännu inte förstår teorin tillräckligt bra för att kunna göra definitiva testbara förutsägelser. Dessutom tros strängar vara så små – mindre än en miljarddel av en miljarddel av en atoms storlek – att tekniker som nuvarande acceleratorer och detektorer inte är tillräckligt kraftfulla för att upptäcka dem (se ”På jakt efter det fundamentala” nedan). Strängteorin kan ännu inte verifieras experimentellt, men fysikerna hoppas att vissa av dess aspekter kan stödjas av indicier, t.ex. genom att påvisa existensen av:

• extra dimensioner. Fysikerna hoppas att nuvarande eller framtida partikelacceleratorer ska kunna hjälpa till att visa på existensen av extra dimensioner. Detektorer kan mäta den saknade energi som skulle ha läckt från våra dimensioner till dessa extra dimensioner, vilket möjligen kan ge bevis för att dessa dimensioner existerar.

• superpartnerpartiklar. Forskare kommer att använda nuvarande och nästa generations partikelacceleratorer för att söka efter de superpartnerpartiklar som förutses av strängteorin.

• fluktuationer i bakgrundsstrålningen. Universum genomsyras av enhetlig strålning med den mycket låga temperaturen 2,7 grader Kelvin. Detta tros vara en rest från den ursprungliga mycket höga temperaturen vid big bang. När man jämför temperaturerna från olika platser på himlen med endast ca 1 graders mellanrum har man funnit extremt små temperaturskillnader (i storleksordningen en hundra tusendel av en grad Kelvin). Forskarna letar efter ännu mindre temperaturskillnader av en särskild form som kan vara kvar från de tidigaste ögonblicken av big bang, när de energier som krävs för att skapa strängar kan ha uppnåtts.

Söka det fundamentala

Samtidigt som fysiker med hjälp av kollisionsmaskiner har funnit bevis för de flesta av de materie- och kraftpartiklar som ingår i standardmodellen, letar de fortfarande efter en teoretiserad kraftbärande partikel som kallas för Higgsbosonen. Den här bilden visar de energier vid vilka vissa partiklar och kraftföreningar har hittats eller teoretiserats (heldragna cirklar) och anger de energier som kan undersökas med nuvarande eller planerade kollisionsmaskiner (tomma cirklar). Fysikerna hoppas att CERN:s Large Hadron Collider i Schweiz och Frankrike – som enligt planerna ska tas i drift 2007 – kan avslöja bevis för Higgsbosonen, liksom indikationer på den teoretiserade gravitonen och de svårfångade superpartnerpartiklarna. Att förena den starka och den elektrosvaga kraften eller hitta de teoretiserade strängarna tycks kräva att man undersöker energier långt bortom vad den nuvarande tekniken erbjuder. Vissa teoretiker tror dock att strängenergin kan ligga närmare nuvarande eller planerade acceleratorers energier.