Theorie van snaren en supersnaren. Wat is snaartheorie - kort en duidelijk voor dummies

Heb je ooit gedacht dat het heelal op een cello lijkt? Dat klopt, ze is niet gekomen. Omdat het universum niet als een cello is. Maar dat betekent niet dat er geen touwtjes aan zitten. Laten we het vandaag hebben over de snaartheorie.

Natuurlijk lijken de snaren van het universum nauwelijks op de snaren die we ons voorstellen. In de snaartheorie zijn het ongelooflijk kleine vibrerende energiedraden. Deze draden lijken meer op kleine ‘elastiekjes’ die op allerlei manieren kunnen kronkelen, uitrekken en samendrukken. Dit alles betekent echter niet dat het onmogelijk is om de symfonie van het universum erop te ‘spelen’, omdat volgens snaartheoretici alles wat bestaat uit deze ‘draden’ bestaat.

Tegenspraak in de natuurkunde

In de tweede helft van de 19e eeuw leek het natuurkundigen dat er niets ernstigs meer in hun wetenschap kon worden ontdekt. De klassieke natuurkunde geloofde dat er geen serieuze problemen meer in zaten, en dat de hele structuur van de wereld eruitzag als een perfect gereguleerde en voorspelbare machine. De problemen kwamen, zoals gewoonlijk, voort uit onzin - een van de kleine 'wolken' die nog steeds in de heldere, begrijpelijke hemel van de wetenschap bleven hangen. Namelijk bij het berekenen van de stralingsenergie van een absoluut zwart lichaam (een hypothetisch lichaam dat, bij elke temperatuur, de straling die erop valt volledig absorbeert, ongeacht de golflengte - NS).

Berekeningen toonden aan dat de totale stralingsenergie van elk absoluut zwart lichaam oneindig groot zou moeten zijn. Om aan deze voor de hand liggende absurditeit te ontsnappen, stelde de Duitse wetenschapper Max Planck in 1900 voor dat zichtbaar licht, röntgenstralen en andere elektromagnetische golven alleen kunnen worden uitgezonden door bepaalde afzonderlijke delen van energie, die hij quanta noemde. Met hun hulp was het mogelijk om het specifieke probleem van een absoluut zwart lichaam op te lossen. De gevolgen van de kwantumhypothese voor het determinisme waren echter nog niet gerealiseerd. Totdat in 1926 een andere Duitse wetenschapper, Werner Heisenberg, het beroemde onzekerheidsprincipe formuleerde.

De essentie ervan komt neer op het feit dat, in tegenstelling tot alle voorheen dominante uitspraken, de natuur ons vermogen beperkt om de toekomst te voorspellen op basis van natuurkundige wetten. We hebben het natuurlijk over de toekomst en het heden van subatomaire deeltjes. Het bleek dat ze zich totaal anders gedragen dan de dingen in de macrokosmos om ons heen. Op subatomair niveau wordt het weefsel van de ruimte ongelijk en chaotisch. De wereld van kleine deeltjes is zo turbulent en onbegrijpelijk dat het het gezond verstand tart. Ruimte en tijd zijn daarin zo verwrongen en met elkaar verweven dat er geen gewone concepten bestaan ​​van links en rechts, omhoog en omlaag, of zelfs ervoor en erna.

Er is geen manier om met zekerheid te zeggen op welk punt in de ruimte een bepaald deeltje zich momenteel bevindt, en wat het impulsmoment is. Er is slechts een bepaalde waarschijnlijkheid om een ​​deeltje in veel gebieden van de ruimte-tijd te vinden. Deeltjes op subatomair niveau lijken door de ruimte te worden ‘uitgesmeerd’. Niet alleen dat, maar de ‘status’ van de deeltjes zelf is niet gedefinieerd: in sommige gevallen gedragen ze zich als golven, in andere vertonen ze de eigenschappen van deeltjes. Dit is wat natuurkundigen de golf-deeltjes dualiteit van de kwantummechanica noemen.

Niveaus van de structuur van de wereld: 1. Macroscopisch niveau - materie 2. Moleculair niveau 3. Atomair niveau - protonen, neutronen en elektronen 4. Subatomair niveau - elektron 5. Subatomair niveau - quarks 6. Snaarniveau

In de Algemene Relativiteitstheorie is de situatie, alsof het in een staat met tegengestelde wetten is, fundamenteel anders. De ruimte lijkt op een trampoline: een gladde stof die kan worden gebogen en uitgerekt door voorwerpen met massa. Ze veroorzaken kromtrekkingen in de ruimte-tijd – wat wij ervaren als zwaartekracht. Onnodig te zeggen dat de harmonieuze, correcte en voorspelbare algemene relativiteitstheorie in een onoplosbaar conflict verkeert met de ‘excentrieke hooligan’ – de kwantummechanica, en als gevolg daarvan kan de macrowereld geen ‘vrede sluiten’ met de microwereld. Dit is waar de snaartheorie te hulp schiet.

2D-universum. Veelvlakgrafiek E8 Theorie van alles

De snaartheorie belichaamt de droom van alle natuurkundigen om de twee fundamenteel tegenstrijdige algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te verenigen, een droom die de grootste ‘zigeuner en zwerver’ Albert Einstein tot het einde van zijn dagen achtervolgde.

Veel wetenschappers geloven dat alles, van de voortreffelijke dans van sterrenstelsels tot de gekke dans van subatomaire deeltjes, uiteindelijk verklaard kan worden door slechts één fundamenteel natuurkundig principe. Misschien zelfs één enkele wet die alle soorten energie, deeltjes en interacties verenigt in een elegante formule.

De algemene relativiteitstheorie beschrijft een van de beroemdste krachten van het heelal: de zwaartekracht. De kwantummechanica beschrijft drie andere krachten: de sterke kernkracht, die protonen en neutronen in atomen aan elkaar lijmt, het elektromagnetisme, en de zwakke kracht, die betrokken is bij radioactief verval. Elke gebeurtenis in het universum, van de ionisatie van een atoom tot de geboorte van een ster, wordt beschreven door de interacties van materie via deze vier krachten.

Met behulp van de meest complexe wiskunde was het mogelijk om aan te tonen dat elektromagnetische en zwakke interacties een gemeenschappelijk karakter hebben, door ze te combineren tot één enkele elektrozwakke interactie. Vervolgens werd er een sterke nucleaire interactie aan toegevoegd, maar de zwaartekracht sluit zich op geen enkele manier bij hen aan. De snaartheorie is een van de meest serieuze kandidaten om alle vier de krachten met elkaar te verbinden en daarom alle verschijnselen in het universum te omarmen - het wordt niet voor niets ook wel de 'Theorie van alles' genoemd.

In het begin was er een mythe

Tot nu toe zijn niet alle natuurkundigen enthousiast over de snaartheorie. En bij het aanbreken van zijn verschijning leek het oneindig ver van de realiteit. Haar geboorte is een legende.

Grafiek van de bètafunctie van Euler met echte argumenten

Eind jaren zestig was een jonge Italiaanse theoretisch natuurkundige, Gabriele Veneziano, op zoek naar vergelijkingen die de sterke kernkracht konden verklaren: de extreem krachtige ‘lijm’ die de atoomkernen bij elkaar houdt en protonen en neutronen samenbindt. Volgens de legende stuitte hij op een dag per ongeluk op een stoffig boek over de geschiedenis van de wiskunde, waarin hij een tweehonderd jaar oude functie aantrof die voor het eerst was opgeschreven door de Zwitserse wiskundige Leonhard Euler. Stel je de verbazing van Veneziano voor toen hij ontdekte dat de Euler-functie, lange tijd beschouwd als niets anders dan een wiskundige curiositeit, deze sterke interactie beschreef.

Hoe was het echt? De formule was waarschijnlijk het resultaat van Veneziano's vele jaren werk, en het toeval hielp alleen maar bij het zetten van de eerste stap op weg naar de ontdekking van de snaartheorie. De functie van Euler, die op wonderbaarlijke wijze de sterke kracht verklaarde, heeft nieuw leven gevonden.

Uiteindelijk trok het de aandacht van de jonge Amerikaanse theoretisch natuurkundige Leonard Susskind, die zag dat de formule allereerst deeltjes beschreef die geen interne structuur hadden en konden trillen. Deze deeltjes gedroegen zich zodanig dat het niet zomaar puntdeeltjes konden zijn. Susskind begreep het: de formule beschrijft een draad die op een elastische band lijkt. Ze kon niet alleen strekken en samentrekken, maar ook schommelen en kronkelen. Nadat hij zijn ontdekking had beschreven, introduceerde Susskind het revolutionaire idee van snaren.

Helaas begroette de overgrote meerderheid van zijn collega's de theorie zeer koeltjes.

Standaardmodel

Destijds stelde de conventionele wetenschap deeltjes voor als punten in plaats van als snaren. Natuurkundigen bestuderen al jaren het gedrag van subatomaire deeltjes door ze met hoge snelheid op elkaar te laten botsen en bestuderen de gevolgen van deze botsingen. Het bleek dat het heelal veel rijker is dan je je kunt voorstellen. Het was een echte ‘bevolkingsexplosie’ van elementaire deeltjes. Studenten natuurkunde renden door de gangen en riepen dat ze een nieuw deeltje hadden ontdekt - er waren niet eens genoeg letters om ze aan te duiden. Maar helaas hebben wetenschappers in het 'kraamziekenhuis' van nieuwe deeltjes nooit het antwoord op de vraag kunnen vinden: waarom zijn er zo veel en waar komen ze vandaan?

Dit bracht natuurkundigen ertoe een ongebruikelijke en verrassende voorspelling te doen: ze realiseerden zich dat de krachten die in de natuur aan het werk zijn, ook verklaard konden worden in termen van deeltjes. Dat wil zeggen, er zijn materiedeeltjes en er zijn deeltjes die interacties met zich meebrengen. Een foton is bijvoorbeeld een lichtdeeltje. Hoe meer van deze dragerdeeltjes – dezelfde fotonen die materiedeeltjes uitwisselen – hoe helderder het licht. Wetenschappers voorspelden dat deze specifieke uitwisseling van dragerdeeltjes niets anders is dan wat wij als kracht waarnemen. Dit werd bevestigd door experimenten. Dit is hoe natuurkundigen erin slaagden dichter bij Einsteins droom van het verenigen van krachten te komen.

Wetenschappers geloven dat als we vooruitspoelen naar net na de oerknal, toen het heelal biljoenen graden heter was, de deeltjes die elektromagnetisme en de zwakke kracht met zich meedragen, niet meer van elkaar te onderscheiden zullen zijn en zich zullen combineren tot één enkele kracht die de elektrozwakke kracht wordt genoemd. En als we nog verder teruggaan in de tijd, zou de elektrozwakke interactie samengaan met de sterke tot één totale ‘superkracht’.

Hoewel dit alles nog steeds wacht om bewezen te worden, legde de kwantummechanica plotseling uit hoe drie van de vier krachten op subatomair niveau op elkaar inwerken. En ze legde het mooi en consequent uit. Dit samenhangende beeld van interacties werd uiteindelijk bekend als het Standaardmodel. Maar helaas had deze perfecte theorie één groot probleem: de beroemdste kracht op macroniveau was er niet in opgenomen: de zwaartekracht.

Interacties tussen verschillende deeltjes in het Standaardmodel
Graviton

Voor de snaartheorie, die nog geen tijd had gehad om te ‘bloeien’, is de ‘herfst’ aangebroken; De berekeningen van de theorie voorspelden bijvoorbeeld het bestaan ​​van deeltjes, die, zoals al snel werd vastgesteld, niet bestaan. Dit is de zogenaamde tachyon - een deeltje dat sneller dan licht in een vacuüm beweegt. Het bleek onder meer dat de theorie maar liefst 10 dimensies vereist. Het is niet verrassend dat dit voor natuurkundigen erg verwarrend is, omdat het duidelijk groter is dan wat we zien.

In 1973 worstelden nog maar een paar jonge natuurkundigen met de mysteries van de snaartheorie. Eén van hen was de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Schwartz. Vier jaar lang probeerde Schwartz de weerbarstige vergelijkingen te temmen, maar het mocht niet baten. Naast andere problemen bleef een van deze vergelijkingen bestaan ​​in het beschrijven van een mysterieus deeltje dat geen massa had en niet in de natuur was waargenomen.

De wetenschapper had al besloten zijn rampzalige onderneming op te geven, en toen drong het tot hem door: misschien beschrijven de vergelijkingen van de snaartheorie ook de zwaartekracht? Dit impliceerde echter een herziening van de afmetingen van de belangrijkste ‘helden’ van de theorie: de snaren. Door aan te nemen dat snaren miljarden en miljarden keren kleiner zijn dan een atoom, veranderden de ‘stringers’ het nadeel van de theorie in hun voordeel. Het mysterieuze deeltje waarvan John Schwartz zo hardnekkig had geprobeerd zich te ontdoen, fungeerde nu als een graviton - een deeltje waarnaar al lang werd gezocht en dat het mogelijk zou maken de zwaartekracht naar het kwantumniveau over te brengen. Zo voltooide de snaartheorie de puzzel met de zwaartekracht, die in het Standaardmodel ontbrak. Maar helaas reageerde de wetenschappelijke gemeenschap zelfs op deze ontdekking op geen enkele manier. De snaartheorie stond op de rand van overleven. Maar dat hield Schwartz niet tegen. Slechts één wetenschapper wilde zich bij zijn zoektocht aansluiten, bereid zijn carrière op het spel te zetten ter wille van mysterieuze snaren: Michael Green.

Subatomaire nestpoppen

Ondanks alles kende de snaartheorie begin jaren tachtig nog steeds onoplosbare tegenstrijdigheden, die in de wetenschap anomalieën werden genoemd. Schwartz en Green begonnen ze te elimineren. En hun inspanningen waren niet tevergeefs: wetenschappers konden enkele tegenstrijdigheden in de theorie wegnemen. Stel je de verbazing voor van deze twee, die al gewend waren aan het feit dat hun theorie werd genegeerd, toen de reactie van de wetenschappelijke gemeenschap de wetenschappelijke wereld opblies. In minder dan een jaar tijd is het aantal snaartheoretici gestegen naar honderden mensen. Het was toen dat de snaartheorie de titel Theory of Everything kreeg. De nieuwe theorie leek in staat alle componenten van het universum te beschrijven. En dit zijn de componenten.

Elk atoom bestaat, zoals we weten, uit nog kleinere deeltjes: elektronen, die rond een kern wervelen die bestaat uit protonen en neutronen. Protonen en neutronen bestaan ​​​​op hun beurt uit nog kleinere deeltjes: quarks. Maar de snaartheorie zegt dat het niet eindigt bij quarks. Quarks zijn gemaakt van kleine, kronkelende energiestrengen die op snaren lijken. Elk van deze snaren is onvoorstelbaar klein.

Zo klein dat als een atoom zou worden vergroot tot de grootte van het zonnestelsel, de draad de grootte van een boom zou hebben. Net zoals verschillende trillingen van een cellosnaar creëren wat we horen, net zoals verschillende muzieknoten, verschillende manieren (modi) van vibratie van een snaar deeltjes hun unieke eigenschappen geven: massa, lading, enz. Weet jij hoe de protonen aan de punt van je nagel relatief gezien verschillen van het nog onontdekte graviton? Alleen door de verzameling kleine snaren waaruit ze bestaan, en de manier waarop die snaren trillen.

Dit alles is natuurlijk meer dan verrassend. Sinds de tijd van het oude Griekenland zijn natuurkundigen gewend geraakt aan het feit dat alles in deze wereld bestaat uit zoiets als ballen, kleine deeltjes. En dus, omdat ze geen tijd hebben gehad om te wennen aan het onlogische gedrag van deze ballen, dat voortvloeit uit de kwantummechanica, wordt hen gevraagd het paradigma volledig te verlaten en met een soort spaghettiresten te werken...

Vijfde dimensie

Hoewel veel wetenschappers de snaartheorie een triomf van de wiskunde noemen, blijven er nog steeds enkele problemen mee bestaan ​​- met name het ontbreken van enige mogelijkheid om deze in de nabije toekomst experimenteel te testen. Geen enkel instrument ter wereld, noch bestaand, noch in staat om in de toekomst te verschijnen, is in staat de snaren te ‘zien’. Daarom stellen sommige wetenschappers trouwens zelfs de vraag: is de snaartheorie een theorie uit de natuurkunde of de filosofie? Het is waar dat het helemaal niet nodig is om snaren “met je eigen ogen” te zien. Het bewijzen van de snaartheorie vereist veeleer iets anders – wat klinkt als sciencefiction – bevestiging van het bestaan ​​van extra dimensies van de ruimte.

Waar gaat het over? We zijn allemaal gewend aan drie dimensies van ruimte en één – tijd. Maar de snaartheorie voorspelt de aanwezigheid van andere – extra – dimensies. Maar laten we op volgorde beginnen.

In feite ontstond het idee van het bestaan ​​​​van andere dimensies bijna honderd jaar geleden. Het kwam in 1919 in de gedachten van de toen nog onbekende Duitse wiskundige Theodor Kaluza. Hij suggereerde de mogelijkheid van een andere dimensie in ons universum die we niet zien. Albert Einstein hoorde van dit idee en vond het aanvankelijk erg leuk. Later twijfelde hij echter aan de juistheid ervan en stelde hij de publicatie van Kaluza twee jaar lang uit. Uiteindelijk werd het artikel echter gepubliceerd en werd de extra dimensie een soort hobby voor het genie van de natuurkunde.

Zoals je weet heeft Einstein aangetoond dat zwaartekracht niets anders is dan een vervorming van ruimte-tijddimensies. Kaluza suggereerde dat elektromagnetisme ook rimpelingen kunnen zijn. Waarom zien wij het niet? Kaluza vond het antwoord op deze vraag: de rimpelingen van elektromagnetisme kunnen in een extra, verborgen dimensie bestaan. Maar waar is het?

Het antwoord op deze vraag werd gegeven door de Zweedse natuurkundige Oskar Klein, die suggereerde dat de vijfde dimensie van Kaluza miljarden keren sterker is opgevouwen dan de grootte van een enkel atoom, en dat we deze daarom niet kunnen zien. Het idee van deze kleine dimensie die overal om ons heen bestaat, vormt de kern van de snaartheorie.

Een van de voorgestelde vormen van extra gedraaide afmetingen. Binnen elk van deze vormen trilt en beweegt een snaar - het hoofdbestanddeel van het universum. Elke vorm is zesdimensionaal - volgens het aantal van zes extra dimensies

Tien dimensies

Maar in feite vereisen de vergelijkingen van de snaartheorie niet eens één, maar zes extra dimensies (in totaal zijn er, met de vier die we kennen, precies tien). Ze hebben allemaal een zeer gedraaide en gebogen complexe vorm. En alles is onvoorstelbaar klein.

Hoe kunnen deze kleine afmetingen onze grote wereld beïnvloeden? Volgens de snaartheorie is het doorslaggevend: voor haar bepaalt de vorm alles. Wanneer je op een saxofoon verschillende toetsen indrukt, krijg je verschillende geluiden. Dit gebeurt omdat wanneer je op een bepaalde toets of combinatie van toetsen drukt, je de vorm verandert van de ruimte in het muziekinstrument waar de lucht circuleert. Hierdoor worden verschillende geluiden geboren.

De snaartheorie suggereert dat extra gebogen en gedraaide dimensies van de ruimte zich op een vergelijkbare manier manifesteren. De vormen van deze extra dimensies zijn complex en gevarieerd, en elk ervan zorgt ervoor dat de snaar die zich binnen dergelijke dimensies bevindt, juist vanwege hun vormen anders trilt. Als we bijvoorbeeld aannemen dat de ene snaar in een kan trilt, en de andere in een gebogen posthoorn, zullen dit totaal verschillende trillingen zijn. Als je echter de snaartheorie gelooft, zien de vormen van extra dimensies er in werkelijkheid veel complexer uit dan een kan.

Hoe de wereld werkt

De wetenschap kent tegenwoordig een reeks getallen die de fundamentele constanten van het heelal vormen. Zij zijn degenen die de eigenschappen en kenmerken van alles om ons heen bepalen. Tot zulke constanten behoren bijvoorbeeld de lading van een elektron, de zwaartekrachtconstante, de snelheid van het licht in een vacuüm... En als we deze getallen zelfs maar een onbeduidend aantal keren veranderen, zullen de gevolgen catastrofaal zijn. Stel dat we de kracht van de elektromagnetische interactie vergroten. Wat is er gebeurd? We kunnen plotseling tot de ontdekking komen dat de ionen elkaar sterker beginnen af ​​te stoten, en dat kernfusie, waardoor sterren gaan schijnen en warmte afgeven, plotseling mislukt. Alle sterren zullen uitgaan.

Maar wat heeft de snaartheorie met zijn extra dimensies ermee te maken? Het is een feit dat het volgens hem de extra dimensies zijn die de exacte waarde van de fundamentele constanten bepalen. Sommige meetmethoden zorgen ervoor dat een snaar op een bepaalde manier trilt en produceert wat wij zien als een foton. In andere vormen trillen de snaren anders en produceren ze een elektron. God zit werkelijk in de “kleine dingen” – het zijn deze kleine vormen die alle fundamentele constanten van deze wereld bepalen.

Supersnaartheorie

Halverwege de jaren tachtig kreeg de snaartheorie een groots en overzichtelijk uiterlijk, maar binnen het monument heerste verwarring. In slechts een paar jaar tijd zijn er maar liefst vijf versies van de snaartheorie verschenen. En hoewel ze allemaal zijn gebouwd op snaren en extra dimensies (alle vijf versies zijn gecombineerd in de algemene theorie van superstrings - NS), liepen deze versies aanzienlijk uiteen in details.

Dus in sommige versies hadden de snaren open uiteinden, in andere leken ze op ringen. En in sommige versies vereiste de theorie zelfs niet 10, maar maar liefst 26 dimensies. De paradox is dat alle vijf versies vandaag de dag even waar kunnen worden genoemd. Maar welke beschrijft werkelijk ons ​​universum? Dit is een ander mysterie van de snaartheorie. Dat is de reden waarom veel natuurkundigen opnieuw de ‘gekke’ theorie opgaven.

Maar het grootste probleem van snaren is, zoals reeds vermeld, de onmogelijkheid (althans voorlopig) om hun aanwezigheid experimenteel te bewijzen.

Sommige wetenschappers zeggen echter nog steeds dat de volgende generatie versnellers een zeer minimale, maar nog steeds mogelijkheid heeft om de hypothese van extra dimensies te testen. Hoewel de meerderheid er natuurlijk zeker van is dat als dit mogelijk is, dit helaas niet zo snel zal gebeuren – tenminste over tientallen jaren, op zijn hoogst – zelfs niet over honderd jaar.

Verschillende versies van de snaartheorie worden nu beschouwd als de belangrijkste kanshebbers voor de titel van een alomvattende, universele theorie die de aard van alles verklaart. En dit is een soort heilige graal van theoretische natuurkundigen die betrokken zijn bij de theorie van elementaire deeltjes en kosmologie. De universele theorie (ook de theorie van alles wat bestaat) bevat slechts een paar vergelijkingen die de hele menselijke kennis over de aard van interacties en de eigenschappen van de fundamentele elementen van de materie waaruit het heelal is opgebouwd, combineren.

Tegenwoordig is de snaartheorie gecombineerd met het concept van supersymmetrie, resulterend in de geboorte van de supersnaartheorie, en vandaag de dag is dit het maximale dat is bereikt in termen van het verenigen van de theorie van alle vier de basisinteracties (krachten die in de natuur werken). De theorie van de supersymmetrie zelf is al opgebouwd op basis van een a priori modern concept, volgens hetwelk elke (veld)interactie op afstand het gevolg is van de uitwisseling van interactiedragerdeeltjes van het overeenkomstige soort tussen op elkaar inwerkende deeltjes (zie Standaardmodel). Voor de duidelijkheid: op elkaar inwerkende deeltjes kunnen worden beschouwd als de ‘stenen’ van het universum, en dragerdeeltjes kunnen worden beschouwd als cement.

Snaartheorie is een tak van de wiskundige natuurkunde die niet de dynamiek van puntdeeltjes bestudeert, zoals de meeste takken van de natuurkunde, maar van eendimensionale uitgebreide objecten, d.w.z. snaren
Binnen het standaardmodel fungeren quarks als bouwstenen en fungeren ijkbosonen, die deze quarks met elkaar uitwisselen, als interactiedragers. De theorie van supersymmetrie gaat nog verder en stelt dat quarks en leptonen zelf niet fundamenteel zijn: ze bestaan ​​allemaal uit nog zwaardere en niet experimenteel ontdekte structuren (bouwstenen) van materie, bij elkaar gehouden door een nog sterker ‘cement’ van superenergiedeeltjes. -dragers van interacties dan quarks bestaande uit hadronen en bosonen.

Uiteraard is nog geen van de voorspellingen van de supersymmetrietheorie getest in laboratoriumomstandigheden, maar de hypothetische verborgen componenten van de materiële wereld hebben al namen - bijvoorbeeld het elektron (de supersymmetrische partner van het elektron), squark, enz. Het bestaan ​​van deze deeltjes is echter een theoretische soort die ondubbelzinnig wordt voorspeld.

Het beeld van het heelal dat deze theorieën bieden, is echter vrij eenvoudig te visualiseren. Op een schaal van ongeveer 10E–35 m, dat wil zeggen twintig ordes van grootte kleiner dan de diameter van hetzelfde proton, dat drie gebonden quarks omvat, verschilt de structuur van materie van wat we gewend zijn, zelfs op het niveau van elementaire deeltjes . Op zulke kleine afstanden (en bij zulke hoge interactie-energieën dat het onvoorstelbaar is) verandert materie in een reeks staande veldgolven, vergelijkbaar met de golven die worden opgewekt in de snaren van muziekinstrumenten. Net als bij een gitaarsnaar kunnen in zo'n snaar naast de grondtoon ook veel boventonen of harmonischen worden opgewekt. Elke harmonische heeft zijn eigen energietoestand. Volgens het relativiteitsprincipe (zie Relativiteitstheorie) zijn energie en massa gelijkwaardig, wat betekent dat hoe hoger de frequentie van de harmonische golftrilling van de snaar, hoe hoger de energie ervan, en hoe hoger de massa van het waargenomen deeltje.

Als het echter vrij eenvoudig is om een ​​staande golf in een gitaarsnaar te visualiseren, zijn de staande golven die door de supersnaartheorie worden voorgesteld, moeilijk te visualiseren - het feit is dat de trillingen van supersnaren plaatsvinden in een ruimte die 11 dimensies heeft. We zijn gewend aan een vierdimensionale ruimte, die drie ruimtelijke en één temporele dimensie bevat (links-rechts, omhoog-omlaag, voorwaarts-achterwaarts, verleden-toekomst). In de supersnaarruimte zijn de zaken veel ingewikkelder (zie kader). Theoretische natuurkundigen omzeilen het lastige probleem van ‘extra’ ruimtelijke dimensies door te stellen dat deze ‘verborgen’ zijn (of, in wetenschappelijke termen, ‘verdicht’) en daarom niet worden waargenomen bij gewone energieën.

Meer recentelijk is de snaartheorie verder ontwikkeld in de vorm van de theorie van multidimensionale membranen - in essentie zijn dit dezelfde snaren, maar dan plat. Zoals een van de auteurs terloops grapte: membranen verschillen van snaren op ongeveer dezelfde manier als noedels verschillen van vermicelli.

Dit is misschien alles wat in het kort kan worden verteld over een van de theorieën die vandaag de dag, niet zonder reden, beweren de universele theorie te zijn van de Grote Eenwording van alle krachtinteracties. Helaas, deze theorie is niet zonder zonde. In de eerste plaats is het nog niet in een strikte wiskundige vorm gebracht, omdat het wiskundige apparaat niet toereikend is om het in een strikte interne overeenstemming te brengen. Er zijn twintig jaar verstreken sinds deze theorie werd geboren, en niemand is erin geslaagd sommige aspecten en versies ervan consistent met andere te harmoniseren. Wat zelfs nog onaangenamer is, is dat geen van de theoretici die de snaartheorie (en vooral de supersnaren) voorstellen, ooit één enkel experiment heeft voorgesteld waarin deze theorieën in het laboratorium konden worden getest. Helaas ben ik bang dat totdat ze dit doen, al hun werk een bizar spel van fantasie en oefeningen zal blijven in het begrijpen van esoterische kennis buiten de hoofdstroom van de natuurwetenschappen.

Het bestuderen van de eigenschappen van zwarte gaten

In 1996 bouwden snaartheoretici Andrew Strominger en Kumrun Vafa voort op eerdere resultaten van Susskind en Sen om ‘The Microscopic Nature of Bekenstein and Hawking Entropy’ te publiceren. In dit werk konden Strominger en Vafa de snaartheorie gebruiken om de microscopische componenten van een bepaalde klasse zwarte gaten te vinden, en om de entropiebijdragen van deze componenten nauwkeurig te berekenen. Het werk was gebaseerd op een nieuwe methode die deels verder ging dan de perturbatietheorie die in de jaren tachtig en begin jaren negentig werd gebruikt. Het resultaat van het werk viel precies samen met de voorspellingen van Bekenstein en Hawking, ruim twintig jaar eerder gedaan.

Strominger en Vafa verzetten zich met een constructieve benadering tegen de werkelijke processen van de vorming van zwarte gaten. Ze veranderden de kijk op de vorming van zwarte gaten en lieten zien dat ze kunnen worden geconstrueerd door de exacte set branen die tijdens de tweede supersnaarrevolutie werd ontdekt nauwgezet in één mechanisme samen te voegen.

Met alle controles over de microscopische structuur van een zwart gat in de hand, konden Strominger en Vafa het aantal permutaties van de microscopische componenten van een zwart gat berekenen dat de algemeen waarneembare kenmerken, zoals massa en lading, onveranderd zou laten. Vervolgens vergeleken ze het resulterende getal met het gebied van de waarnemingshorizon van het zwarte gat – de entropie voorspeld door Bekenstein en Hawking – en vonden een perfecte overeenstemming. In ieder geval voor de klasse van extreme zwarte gaten konden Strominger en Vafa een toepassing van de snaartheorie vinden om microscopische componenten te analyseren en de overeenkomstige entropie nauwkeurig te berekenen. Het probleem waarmee natuurkundigen al een kwart eeuw werden geconfronteerd, was opgelost.

Voor veel theoretici was deze ontdekking een belangrijk en overtuigend argument ter ondersteuning van de snaartheorie. De ontwikkeling van de snaartheorie is nog te grof voor een directe en nauwkeurige vergelijking met experimentele resultaten, bijvoorbeeld met metingen van de massa van een quark of elektron. De snaartheorie biedt echter de eerste fundamentele verklaring voor een al lang ontdekte eigenschap van zwarte gaten; de onmogelijkheid om deze te verklaren heeft het onderzoek van natuurkundigen die met traditionele theorieën werken jarenlang tot stilstand gebracht. Zelfs Sheldon Glashow, Nobelprijswinnaar in de natuurkunde en een fervent tegenstander van de snaartheorie in de jaren tachtig, gaf in een interview in 1997 toe dat “wanneer snaartheoretici over zwarte gaten praten, ze het bijna over waarneembare verschijnselen hebben, en dat is indrukwekkend.”

Snaarkosmologie

Er zijn drie belangrijke manieren waarop de snaartheorie het standaard kosmologische model wijzigt. Ten eerste volgt uit de snaartheorie, in de geest van modern onderzoek, dat de situatie steeds duidelijker maakt, dat het heelal een minimaal aanvaardbare omvang moet hebben. Deze conclusie verandert het begrip van de structuur van het heelal onmiddellijk op het moment van de oerknal, waarvoor het standaardmodel een nulgrootte van het heelal oplevert. Ten tweede is het concept van T-dualiteit, dat wil zeggen de dualiteit van kleine en grote stralen (in nauw verband met het bestaan ​​van een minimumgrootte) in de snaartheorie, ook belangrijk in de kosmologie. Ten derde is het aantal ruimte-tijddimensies in de snaartheorie meer dan vier, dus moet de kosmologie de evolutie van al deze dimensies beschrijven.

Brandenberg- en Vafa-model

Eind jaren tachtig. Robert Brandenberger en Kumrun Vafa hebben de eerste belangrijke stappen gezet om te begrijpen hoe de snaartheorie de implicaties van het standaard kosmologische model zal veranderen. Ze kwamen tot twee belangrijke conclusies. Ten eerste, terwijl we teruggaan naar de oerknal, blijft de temperatuur stijgen totdat de grootte van het heelal in alle richtingen gelijk wordt aan de lengte van Planck. Op dit punt zal de temperatuur zijn maximum bereiken en beginnen te dalen. Op intuïtief niveau is het niet moeilijk om de reden voor dit fenomeen te begrijpen. Laten we voor de eenvoud aannemen (in navolging van Brandenberger en Vafa) dat alle ruimtelijke dimensies van het heelal cyclisch zijn. Naarmate we teruggaan in de tijd, wordt de straal van elke cirkel kleiner en neemt de temperatuur van het universum toe. Uit de snaartheorie weten we dat het samentrekken van de stralen eerst tot en dan onder de Planck-lengte fysiek equivalent is aan het verkleinen van de stralen tot de Planck-lengte, gevolgd door hun daaropvolgende toename. Omdat de temperatuur daalt tijdens de uitdijing van het heelal, zullen mislukte pogingen om het heelal te comprimeren tot afmetingen kleiner dan de Planck-lengte leiden tot het stoppen en verder afnemen van de temperatuurgroei.

Als resultaat kwamen Brandenberger en Vafa tot het volgende kosmologische beeld: ten eerste zijn alle ruimtelijke dimensies in de snaartheorie strak opgevouwen tot een minimale grootte in de orde van de Planck-lengte. Temperatuur en energie zijn hoog, maar niet oneindig: de paradoxen van het nulgrootte-uitgangspunt in de snaartheorie zijn opgelost. Op het eerste moment van het bestaan ​​van het heelal zijn alle ruimtelijke dimensies van de snaartheorie volledig gelijk en volledig symmetrisch: ze zijn allemaal opgerold tot een multidimensionale klomp Planck-dimensies. Verder doorloopt het heelal volgens Brandenberger en Vafa de eerste fase van symmetriereductie, wanneer op het Planck-moment drie ruimtelijke dimensies worden geselecteerd voor daaropvolgende expansie, en de rest hun oorspronkelijke Planck-grootte behoudt. Deze drie dimensies worden vervolgens geïdentificeerd met de dimensies in het inflatoire kosmologische scenario en nemen, door het evolutieproces, de vorm aan die we nu waarnemen.

Veneziano en Gasperini-model

Sinds het werk van Brandenberger en Vafa hebben natuurkundigen voortdurend vooruitgang geboekt in het begrijpen van de snaarkosmologie. Onder de leiders van dit onderzoek zijn Gabriele Veneziano en zijn collega Maurizio Gasperini van de Universiteit van Turijn. Deze wetenschappers presenteerden hun eigen versie van de snaarkosmologie, die op sommige plaatsen vergelijkbaar is met het hierboven beschreven scenario, maar op andere plaatsen er fundamenteel van verschilt. Om de oneindige temperatuur en energiedichtheid die in de standaard- en inflatiemodellen voorkomen uit te sluiten, vertrouwden ze net als Brandenberger en Vafa op het bestaan ​​van een minimale lengte in de snaartheorie. Maar in plaats van te concluderen dat het heelal vanwege deze eigenschap is geboren uit een brok Planck-dimensies, suggereerden Gasperini en Veneziano dat er een prehistorisch heelal was dat lang vóór het moment ontstond dat het nulpunt wordt genoemd, en waaruit dit ontstaan ​​voortkwam. kosmisch ‘embryo’ van Planck-dimensies.

De begintoestand van het heelal in dit scenario en in het oerknalmodel zijn heel verschillend. Volgens Gasperini en Veneziano was het heelal geen hete en strak gedraaide bal van dimensies, maar koud en oneindig uitgestrekt. Vervolgens drong de instabiliteit het heelal binnen, zoals volgt uit de vergelijkingen van de snaartheorie, en begonnen al zijn punten, zoals in het tijdperk van de inflatie volgens Guth, zich snel naar de zijkanten te verspreiden.

Gasperini en Veneziano toonden aan dat hierdoor de ruimte steeds meer gekromd werd en als gevolg daarvan een scherpe sprong in temperatuur en energiedichtheid plaatsvond. Er ging een tijdje voorbij en het driedimensionale gebied van millimeterafmetingen binnen deze eindeloze uitgestrektheid werd getransformeerd in een hete en dichte plek, identiek aan de plek die volgens Guth wordt gevormd tijdens inflatoire expansie. Toen verliep alles volgens het standaardscenario van de oerknalkosmologie, en de uitdijende plek veranderde in het waarneembare heelal.

Omdat het tijdperk vóór de oerknal zijn eigen inflatieexpansie onderging, is Guths oplossing voor de horizonparadox automatisch in dit kosmologische scenario ingebouwd. Zoals Veneziano het uitdrukte (in een interview uit 1998): “De snaartheorie geeft ons een versie van de inflatoire kosmologie op een presenteerblaadje.”

De studie van de snaarkosmologie wordt in snel tempo een gebied van actief en productief onderzoek. Het scenario van de evolutie vóór de oerknal is bijvoorbeeld meer dan eens het onderwerp geweest van verhitte debatten, en de plaats ervan in de toekomstige kosmologische formulering is verre van duidelijk. Er bestaat echter geen twijfel over dat deze kosmologische formulering stevig gebaseerd zal zijn op het inzicht van natuurkundigen in de resultaten die tijdens de tweede supersnaarrevolutie zijn ontdekt. De kosmologische gevolgen van het bestaan ​​van multidimensionale membranen zijn bijvoorbeeld nog steeds onduidelijk. Met andere woorden: hoe zal het idee van de eerste momenten van het bestaan ​​van het heelal veranderen als gevolg van de analyse van de voltooide M-theorie? Deze kwestie wordt intensief onderzocht.

Dit is al het vierde onderwerp. Vrijwilligers wordt ook gevraagd om niet te vergeten welke onderwerpen zij hebben aangegeven te willen behandelen, of misschien heeft iemand zojuist een onderwerp uit de lijst gekozen. Ik ben verantwoordelijk voor het opnieuw posten en promoten op sociale netwerken. En nu ons onderwerp: “snaartheorie”

Je hebt waarschijnlijk gehoord dat de meest populaire wetenschappelijke theorie van onze tijd, de snaartheorie, het bestaan ​​van veel meer dimensies impliceert dan het gezonde verstand ons vertelt.

Het grootste probleem voor theoretische natuurkundigen is hoe alle fundamentele interacties (zwaartekracht, elektromagnetisch, zwak en sterk) in één theorie kunnen worden gecombineerd. De supersnaartheorie beweert de theorie van alles te zijn.

Maar het bleek dat het handigste aantal dimensies dat nodig is om deze theorie te laten werken maar liefst tien is (waarvan negen ruimtelijk en één tijdelijk)! Als er meer of minder dimensies zijn, geven wiskundige vergelijkingen irrationele resultaten die tot in het oneindige reiken: een singulariteit.

De volgende fase in de ontwikkeling van de supersnaartheorie – de M-theorie – telt al elf dimensies. En een andere versie ervan – F-theorie – alle twaalf. En dit is helemaal geen complicatie. De F-theorie beschrijft de 12-dimensionale ruimte met eenvoudigere vergelijkingen dan de M-theorie de 11-dimensionale ruimte beschrijft.

Natuurlijk wordt theoretische natuurkunde niet voor niets theoretisch genoemd. Al haar prestaties bestaan ​​tot nu toe alleen op papier. Om uit te leggen waarom we ons alleen in de driedimensionale ruimte kunnen bewegen, begonnen wetenschappers te praten over hoe de ongelukkige overgebleven dimensies moesten krimpen tot compacte bollen op kwantumniveau. Om precies te zijn, niet in bollen, maar in Calabi-Yau-ruimtes. Dit zijn driedimensionale figuren, waarbinnen zich hun eigen wereld bevindt met een eigen dimensie. Een tweedimensionale projectie van zo’n verdeelstuk ziet er ongeveer zo uit:

Ja, dit lijkt een beetje vergezocht. Maar misschien is dit precies wat verklaart waarom de kwantumwereld zo anders is dan de wereld die wij waarnemen.

Laten we een beetje teruggaan in de geschiedenis

In 1968 boog een jonge theoretisch natuurkundige, Gabriele Veneziano, zich over de vele experimenteel waargenomen kenmerken van de sterke kernkracht. Veneziano, die toen werkte bij CERN, het Europese Accelerator Laboratorium in Genève, Zwitserland, werkte een aantal jaren aan dit probleem totdat hij op een dag een briljant inzicht kreeg. Tot zijn grote verbazing realiseerde hij zich dat een exotische wiskundige formule, ongeveer tweehonderd jaar eerder uitgevonden door de beroemde Zwitserse wiskundige Leonhard Euler voor puur wiskundige doeleinden – de zogenaamde Euler-bètafunctie – in staat leek om in één klap alle talrijke eigenschappen van de deeltjes die betrokken zijn bij sterke nucleaire interactie. De eigenschap die Veneziano opmerkte, leverde een krachtige wiskundige beschrijving op van veel kenmerken van de sterke interactie; het leidde tot een stroom van werk waarin de bètafunctie en de verschillende generalisaties ervan werden gebruikt om de enorme hoeveelheden gegevens te beschrijven die zijn verzameld uit de studie van deeltjesbotsingen over de hele wereld. In zekere zin was Veneziano's observatie echter onvolledig. Net als een formule uit het hoofd die wordt gebruikt door een student die de betekenis of betekenis ervan niet begrijpt, werkte de bètafunctie van Euler, maar niemand begreep waarom. Het was een formule die uitleg vereiste.

Gabriele Veneziano

Dit veranderde in 1970, toen Yoichiro Nambu van de Universiteit van Chicago, Holger Nielsen van het Niels Bohr Instituut en Leonard Susskind van Stanford University de fysieke betekenis achter de formule van Euler konden ontdekken. Deze natuurkundigen toonden aan dat wanneer elementaire deeltjes worden weergegeven door kleine, trillende eendimensionale snaren, de sterke interactie van deze deeltjes precies wordt beschreven door de Euler-functie. Als de snaarsegmenten klein genoeg zouden zijn, zo redeneerden deze onderzoekers, zouden ze nog steeds op puntdeeltjes lijken en daarom experimentele waarnemingen niet tegenspreken. Hoewel deze theorie eenvoudig en intuïtief aantrekkelijk was, bleek al snel dat de snaarbeschrijving van de sterke kracht gebrekkig was. Begin jaren zeventig. Hoge-energiefysici hebben dieper in de subatomaire wereld kunnen kijken en hebben aangetoond dat een aantal op strings gebaseerde modelvoorspellingen direct in strijd zijn met observatieresultaten. Tegelijkertijd was er een parallelle ontwikkeling van de kwantumveldentheorie – de kwantumchromodynamica – die gebruik maakte van een puntmodel van deeltjes. Het succes van deze theorie bij het beschrijven van de sterke interactie leidde tot het verlaten van de snaartheorie.
De meeste deeltjesfysici waren van mening dat de snaartheorie voor altijd in de prullenbak was beland, maar een aantal onderzoekers bleven daar trouw aan. Schwartz was bijvoorbeeld van mening dat “de wiskundige structuur van de snaartheorie zo mooi is en zoveel verbazingwekkende eigenschappen heeft dat deze zeker naar iets diepers moet verwijzen” 2 ). Een van de problemen die natuurkundigen hadden met de snaartheorie was dat deze te veel keuze leek te bieden, wat verwarrend was. Sommige configuraties van trillende snaren in deze theorie hadden eigenschappen die leken op de eigenschappen van gluonen, wat reden gaf om het echt als een theorie van de sterke interactie te beschouwen. Daarnaast bevatte het echter extra interactiedragerdeeltjes die niets te maken hadden met de experimentele manifestaties van de sterke interactie. In 1974 deden Schwartz en Joel Scherk van de Franse École Technique Supérieure een gewaagd voorstel dat dit ogenschijnlijke nadeel in een voordeel veranderde. Na bestudering van de vreemde trillingsmodi van de snaren, die doen denken aan dragerdeeltjes, realiseerden ze zich dat deze eigenschappen verrassend nauw samenvielen met de veronderstelde eigenschappen van de hypothetische deeltjesdrager van zwaartekrachtinteractie: het graviton. Hoewel deze ‘minuscule deeltjes’ van zwaartekrachtinteractie nog moeten worden gedetecteerd, kunnen theoretici met vertrouwen enkele van de fundamentele eigenschappen voorspellen die deze deeltjes zouden moeten hebben. Sherk en Schwartz ontdekten dat deze kenmerken precies worden gerealiseerd voor sommige trillingsmodi. Op basis hiervan suggereerden ze dat de eerste komst van de snaartheorie mislukte omdat natuurkundigen de reikwijdte ervan te veel beperkten. Sherk en Schwartz kondigden aan dat de snaartheorie niet alleen een theorie van de sterke kracht is, het is een kwantumtheorie, die onder andere de zwaartekracht omvat).

De natuurkundegemeenschap reageerde met grote terughoudendheid op deze suggestie. Volgens de memoires van Schwartz werd “ons werk door iedereen genegeerd” 4). De paden van de vooruitgang waren al grondig bezaaid met talloze mislukte pogingen om zwaartekracht en kwantummechanica te combineren. De snaartheorie was mislukt in haar eerste poging om de sterke kracht te beschrijven, en het leek voor velen zinloos om te proberen deze te gebruiken om nog grotere doelen te bereiken. Latere, meer gedetailleerde onderzoeken eind jaren zeventig en begin jaren tachtig. toonde aan dat de snaartheorie en de kwantummechanica hun eigen, zij het kleinere, tegenstrijdigheden hebben. Het leek erop dat de zwaartekracht opnieuw weerstand kon bieden aan de poging om deze te integreren in een beschrijving van het universum op microscopisch niveau.
Dat was tot 1984. In een baanbrekend artikel waarin meer dan een decennium van intensief onderzoek werd samengevat dat door de meeste natuurkundigen grotendeels was genegeerd of verworpen, stelden Green en Schwartz vast dat de kleine inconsistentie met de kwantumtheorie die de snaartheorie teisterde, kon worden toegestaan. Bovendien toonden ze aan dat de resulterende theorie breed genoeg was om alle vier soorten krachten en alle soorten materie te omvatten. Het nieuws over dit resultaat verspreidde zich door de hele natuurkundegemeenschap, waarbij honderden deeltjesfysici het werk aan hun projecten stopzetten om deel te nemen aan een aanval die de laatste theoretische strijd leek te zijn in een eeuwenlange aanval op de diepste fundamenten van het universum.
Het succes van Word of Green en Schwartz bereikte uiteindelijk zelfs de eerstejaarsstudenten, en de eerdere somberheid werd vervangen door een opwindend gevoel van deelname aan een keerpunt in de geschiedenis van de natuurkunde. Velen van ons bleven tot laat in de nacht op en verdiepten zich in de dikke boeken van de theoretische natuurkunde en de abstracte wiskunde die essentieel zijn voor het begrijpen van de snaartheorie.

Als je wetenschappers gelooft, dan bestaan ​​wijzelf en alles om ons heen uit een oneindig aantal van zulke mysterieuze gevouwen micro-objecten.
Periode van 1984 tot 1986 nu bekend als "de eerste revolutie in de supersnaartheorie". Gedurende deze periode werden door natuurkundigen over de hele wereld meer dan duizend artikelen over de snaartheorie geschreven. Deze werken hebben onomstotelijk aangetoond dat de vele eigenschappen van het standaardmodel, ontdekt door decennia van nauwgezet onderzoek, op natuurlijke wijze voortvloeien uit het magnifieke systeem van de snaartheorie. Zoals Michael Green opmerkte: ‘Het moment dat je kennis maakt met de snaartheorie en beseft dat bijna alle grote ontwikkelingen in de natuurkunde van de afgelopen eeuw zijn voortgekomen – en met zoveel elegantie – vanuit zo’n eenvoudig uitgangspunt, demonstreert duidelijk de ongelooflijke kracht van deze theorie.”5 Bovendien biedt de snaartheorie voor veel van deze eigenschappen, zoals we hieronder zullen zien, een veel completere en bevredigendere beschrijving dan het standaardmodel. Deze prestaties overtuigden veel natuurkundigen ervan dat de snaartheorie haar beloften kon waarmaken en de ultieme verenigende theorie kon worden.

Tweedimensionale projectie van een driedimensionaal Calabi-Yau-spruitstuk. Deze projectie geeft een idee van hoe complex de extra dimensies zijn.

Op deze weg stuitten natuurkundigen die aan de snaartheorie werkten echter keer op keer op ernstige obstakels. In de theoretische natuurkunde hebben we vaak te maken met vergelijkingen die te complex zijn om te begrijpen of moeilijk op te lossen. Meestal geven natuurkundigen in een dergelijke situatie niet op en proberen ze een benaderende oplossing voor deze vergelijkingen te verkrijgen. De situatie in de snaartheorie is veel gecompliceerder. Zelfs de afleiding van de vergelijkingen zelf bleek zo complex dat tot nu toe slechts een benaderende vorm ervan is verkregen. Natuurkundigen die in de snaartheorie werken, bevinden zich dus in een situatie waarin ze moeten zoeken naar benaderende oplossingen voor het benaderen van vergelijkingen. Na enkele jaren van verbazingwekkende vooruitgang tijdens de eerste supersnaarrevolutie werden natuurkundigen geconfronteerd met het feit dat de gebruikte benaderingsvergelijkingen een aantal belangrijke vragen niet correct konden beantwoorden, waardoor de verdere ontwikkeling van het onderzoek werd belemmerd. Zonder concrete ideeën om verder te gaan dan deze benaderende methoden, ervoeren veel natuurkundigen die op het gebied van de snaartheorie werkten een groeiend gevoel van frustratie en keerden terug naar hun eerdere onderzoek. Voor degenen die zijn gebleven: eind jaren tachtig en begin jaren negentig. was een testperiode.

De schoonheid en potentiële kracht van de snaartheorie lonkte naar onderzoekers als een gouden schat, veilig opgesloten in een kluis, alleen zichtbaar door een klein kijkgaatje, maar niemand had de sleutel die deze sluimerende krachten zou ontketenen. De lange periode van “droogte” werd van tijd tot tijd onderbroken door belangrijke ontdekkingen, maar het was voor iedereen duidelijk dat er nieuwe methoden nodig waren die verder zouden gaan dan de reeds bekende benaderende oplossingen.

De patstelling eindigde met een adembenemende lezing van Edward Witten in 1995 op een snaartheorieconferentie aan de Universiteit van Zuid-Californië – een lezing die een zaal vol met 's werelds meest vooraanstaande natuurkundigen versteld deed staan. Daarin onthulde hij een plan voor de volgende fase van het onderzoek, waarmee hij de ‘tweede revolutie in de supersnaartheorie’ inluidde. Snaartheoretici werken nu energiek aan nieuwe methoden die beloven de obstakels die ze tegenkomen te overwinnen.

Voor de wijdverbreide popularisering van de TS zou de mensheid een monument moeten oprichten voor professor Brian Greene aan de Columbia Universiteit. Zijn boek uit 1999 “The Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory” werd een bestseller en won een Pulitzerprijs. Het werk van de wetenschapper vormde de basis van een populair-wetenschappelijke miniserie met de auteur zelf als presentator - een fragment ervan is te zien aan het einde van het materiaal (foto Amy Sussman/Columbia University).

klikbaar 1700 px

Laten we nu proberen de essentie van deze theorie op zijn minst een beetje te begrijpen.

Begin opnieuw. De nuldimensie is een punt. Ze heeft geen maat. Je kunt nergens heen, er zijn geen coördinaten nodig om de locatie in een dergelijke dimensie aan te geven.

Laten we een tweede naast het eerste punt plaatsen en er een lijn doorheen trekken. Hier is de eerste dimensie. Een eendimensionaal object heeft een afmeting - lengte, maar geen breedte of diepte. Beweging binnen eendimensionale ruimte is zeer beperkt, omdat een obstakel dat onderweg ontstaat niet kan worden vermeden. Om de locatie op dit segment te bepalen, heeft u slechts één coördinaat nodig.

Laten we een punt naast het segment plaatsen. Om beide objecten te laten passen, hebben we een tweedimensionale ruimte nodig met lengte en breedte, dat wil zeggen oppervlakte, maar zonder diepte, dat wil zeggen volume. De locatie van elk punt op dit veld wordt bepaald door twee coördinaten.

De derde dimensie ontstaat wanneer we een derde coördinatenas aan dit systeem toevoegen. Voor ons, bewoners van het driedimensionale universum, is het heel gemakkelijk om ons dit voor te stellen.

Laten we ons proberen voor te stellen hoe de bewoners van de tweedimensionale ruimte de wereld zien. Deze twee mensen bijvoorbeeld:

Elk van hen zal zijn kameraad als volgt zien:

En in deze situatie:

Onze helden zullen elkaar zo zien:

Het is de verandering van gezichtspunt die onze helden in staat stelt elkaar te beoordelen als tweedimensionale objecten, en niet als eendimensionale segmenten.

Laten we ons nu voorstellen dat een bepaald volumetrisch object beweegt in de derde dimensie, die deze tweedimensionale wereld doorsnijdt. Voor een waarnemer van buitenaf zal deze beweging worden uitgedrukt in een verandering in tweedimensionale projecties van het object op het vlak, zoals broccoli in een MRI-machine:

Maar voor een bewoner van ons Platland is zo'n beeld onbegrijpelijk! Hij kan zich haar niet eens voorstellen. Voor hem zal elk van de tweedimensionale projecties worden gezien als een eendimensionaal segment met een mysterieus variabele lengte, dat op een onvoorspelbare plaats verschijnt en ook op onvoorspelbare wijze verdwijnt. Pogingen om de lengte en plaats van herkomst van dergelijke objecten te berekenen met behulp van de natuurkundige wetten van de tweedimensionale ruimte zijn gedoemd te mislukken.

Wij, bewoners van de driedimensionale wereld, zien alles als tweedimensionaal. Alleen door een object in de ruimte te bewegen, kunnen we het volume ervan voelen. We zullen elk multidimensionaal object ook als tweedimensionaal beschouwen, maar het zal op verrassende manieren veranderen, afhankelijk van onze relatie ermee of de tijd.

Vanuit dit oogpunt is het interessant om bijvoorbeeld na te denken over de zwaartekracht. Iedereen heeft waarschijnlijk wel eens zulke plaatjes gezien:

Ze laten meestal zien hoe de zwaartekracht de ruimte-tijd buigt. Het buigt... waar? Precies niet in de ons bekende dimensies. En hoe zit het met kwantumtunneling, dat wil zeggen het vermogen van een deeltje om op de ene plek te verdwijnen en op een compleet andere plek te verschijnen, en achter een obstakel waar het in onze realiteit niet doorheen zou kunnen dringen zonder er een gat in te maken? Hoe zit het met zwarte gaten? Wat als al deze en andere mysteries van de moderne wetenschap verklaard worden door het feit dat de geometrie van de ruimte helemaal niet hetzelfde is als wij gewend zijn deze waar te nemen?

De klok tikt

De tijd voegt nog een coördinaat toe aan ons universum. Om een ​​feest te laten plaatsvinden, moet je niet alleen weten in welke bar het zal plaatsvinden, maar ook het exacte tijdstip van dit evenement.

Op basis van onze perceptie is tijd niet zozeer een rechte lijn als wel een straal. Dat wil zeggen, het heeft een startpunt en de beweging wordt slechts in één richting uitgevoerd: van het verleden naar de toekomst. Bovendien is alleen het heden echt. Noch het verleden, noch de toekomst bestaat, net zoals ontbijt en diner niet bestaan ​​vanuit het standpunt van een kantoorbediende tijdens de lunch.

Maar de relativiteitstheorie is het hier niet mee eens. Vanuit haar standpunt is tijd een volwaardige dimensie. Alle gebeurtenissen die hebben bestaan, bestaan ​​en zullen bestaan, zijn even reëel, net zoals het zeestrand echt is, ongeacht waar de dromen over het geluid van de branding ons precies verrasten. Onze waarneming is zoiets als een spotlight die een bepaald segment in een rechte lijn van de tijd belicht. De mensheid in haar vierde dimensie ziet er ongeveer zo uit:

Maar we zien slechts een projectie, een stukje van deze dimensie op elk individueel moment in de tijd. Ja, ja, zoals broccoli in een MRI-machine.

Tot nu toe werkten alle theorieën met een groot aantal ruimtelijke dimensies, en de temporele dimensie was altijd de enige. Maar waarom laat de ruimte meerdere dimensies van de ruimte toe, maar slechts één keer? Totdat wetenschappers deze vraag kunnen beantwoorden, zal de hypothese van twee of meer tijdsruimten zeer aantrekkelijk lijken voor alle filosofen en sciencefictionschrijvers. En natuurkundigen ook, en dan nog? De Amerikaanse astrofysicus Itzhak Bars ziet bijvoorbeeld de oorzaak van alle problemen met de Theory of Everything als de over het hoofd geziene tweede tijdsdimensie. Laten we ons als mentale oefening proberen een wereld voor te stellen met twee tijden.

Elke dimensie bestaat afzonderlijk. Dit komt tot uiting in het feit dat als we de coördinaten van een object in één dimensie veranderen, de coördinaten in andere dimensies ongewijzigd kunnen blijven. Dus als je langs een tijdas beweegt die een andere in een rechte hoek snijdt, dan stopt de tijd op het snijpunt. In de praktijk zal het er ongeveer zo uitzien:

Het enige dat Neo hoefde te doen was zijn eendimensionale tijdas loodrecht op de tijdas van de kogels plaatsen. Een kleinigheidje, daar zult u het mee eens zijn. In werkelijkheid is alles veel ingewikkelder.

De exacte tijd in een universum met twee tijdsdimensies wordt bepaald door twee waarden. Is het moeilijk om je een tweedimensionale gebeurtenis voor te stellen? Dat wil zeggen, een die zich tegelijkertijd langs twee tijdassen uitstrekt? Het is waarschijnlijk dat voor een dergelijke wereld specialisten nodig zijn die de tijd in kaart brengen, net zoals cartografen het tweedimensionale oppervlak van de aardbol in kaart brengen.

Wat onderscheidt tweedimensionale ruimte nog meer van eendimensionale ruimte? De mogelijkheid om een ​​obstakel te omzeilen bijvoorbeeld. Dit ligt volledig buiten de grenzen van onze geest. Een bewoner van een eendimensionale wereld kan zich niet voorstellen hoe het is om een ​​hoek om te gaan. En wat is dit: een hoek in de tijd? Bovendien kun je in de tweedimensionale ruimte vooruit, achteruit of zelfs diagonaal reizen. Ik heb geen idee hoe het is om diagonaal door de tijd te gaan. Om nog maar te zwijgen van het feit dat tijd ten grondslag ligt aan veel natuurkundige wetten, en dat het onmogelijk is je voor te stellen hoe de natuurkunde van het heelal zal veranderen met de komst van een andere tijdsdimensie. Maar het is zo spannend om erover na te denken!

Zeer grote encyclopedie

Andere dimensies zijn nog niet ontdekt en bestaan ​​alleen in wiskundige modellen. Maar je kunt proberen je ze zo voor te stellen.

Zoals we eerder ontdekten, zien we een driedimensionale projectie van de vierde (tijds)dimensie van het heelal. Met andere woorden: elk moment van het bestaan ​​van onze wereld is een punt (vergelijkbaar met de nuldimensie) in de tijdsperiode vanaf de oerknal tot het einde van de wereld.

Degenen onder jullie die over tijdreizen hebben gelezen, weten welke belangrijke rol de kromming van het ruimte-tijd-continuüm daarin speelt. Dit is de vijfde dimensie - daarin wordt de vierdimensionale ruimte-tijd "gebogen" om twee punten op deze lijn dichter bij elkaar te brengen. Zonder dit zou het reizen tussen deze punten te lang of zelfs onmogelijk zijn. Grofweg gesproken is de vijfde dimensie vergelijkbaar met de tweede: het verplaatst de ‘eendimensionale’ lijn van ruimte-tijd naar een ‘tweedimensionaal’ vlak met alles wat het inhoudt in de vorm van het vermogen om een ​​hoek om te gaan.

Iets eerder hebben onze bijzonder filosofisch ingestelde lezers waarschijnlijk nagedacht over de mogelijkheid van vrije wil in omstandigheden waarin de toekomst al bestaat, maar nog niet bekend is. De wetenschap beantwoordt deze vraag op deze manier: waarschijnlijkheden. De toekomst is geen stok, maar een hele bezem van mogelijke scenario’s. Welke werkelijkheid zal worden, zullen we ontdekken als we daar aankomen.

Elk van de waarschijnlijkheden bestaat in de vorm van een “eendimensionaal” segment op het “vlak” van de vijfde dimensie. Wat is de snelste manier om van het ene segment naar het andere te springen? Dat klopt: buig dit vlak als een vel papier. Waar moet ik het buigen? En nogmaals correct - in de zesde dimensie, die deze hele complexe structuur "volume" geeft. En maakt het daardoor, net als de driedimensionale ruimte, ‘af’, een nieuw punt.

De zevende dimensie is een nieuwe rechte lijn, die bestaat uit zesdimensionale “punten”. Wat is een ander punt op deze lijn? De hele oneindige reeks opties voor de ontwikkeling van gebeurtenissen in een ander universum, niet gevormd als resultaat van de oerknal, maar onder andere omstandigheden, en opererend volgens andere wetten. Dat wil zeggen, de zevende dimensie bestaat uit kralen uit parallelle werelden. De achtste dimensie verzamelt deze ‘rechte lijnen’ in één ‘vlak’. En de negende kan worden vergeleken met een boek dat alle ‘bladen’ van de achtste dimensie bevat. Dit is de totaliteit van alle geschiedenissen van alle universums, met alle wetten van de natuurkunde en alle beginvoorwaarden. Nog een keer.

Hier hebben we de limiet bereikt. Om de tiende dimensie voor te stellen, hebben we een rechte lijn nodig. En welk ander punt zou er op deze lijn kunnen zijn als de negende dimensie al alles omvat wat men zich kan voorstellen, en zelfs dat wat onmogelijk is zich voor te stellen? Het blijkt dat de negende dimensie niet zomaar een startpunt is, maar het laatste – althans voor onze verbeelding.

De snaartheorie stelt dat snaren in de tiende dimensie trillen: de basisdeeltjes waaruit alles bestaat. Als de tiende dimensie alle universums en alle mogelijkheden bevat, dan bestaan ​​er altijd en overal snaren. Ik bedoel, elke snaar bestaat zowel in ons universum als in elk ander universum. Te allen tijde. Direct. Gaaf he?

Natuurkundige, specialist in snaartheorie. Hij staat bekend om zijn werk op het gebied van spiegelsymmetrie, gerelateerd aan de topologie van de overeenkomstige Calabi-Yau-spruitstukken. Bekend bij een breed publiek als auteur van populair-wetenschappelijke boeken. Zijn Elegant Universe werd genomineerd voor een Pulitzerprijs.

In september 2013 kwam Brian Greene op uitnodiging van het Polytechnisch Museum naar Moskou. Als beroemd natuurkundige, snaartheoreticus en professor aan de Columbia University is hij bij het grote publiek vooral bekend als een popularisator van de wetenschap en als auteur van het boek ‘The Elegant Universe’. Lenta.ru sprak met Brian Greene over de snaartheorie en de recente moeilijkheden waarmee de theorie te maken heeft gehad, evenals over kwantumzwaartekracht, het amplituëder en sociale controle.

Literatuur in het Russisch: Kaku M., Thompson JT “Beyond Einstein: Superstrings en de zoektocht naar de uiteindelijke theorie” en wat het was Het originele artikel staat op de website InfoGlaz.rf Link naar het artikel waarvan deze kopie is gemaakt -

Op school leerden we dat materie uit atomen bestaat, en dat atomen uit kernen bestaan ​​waarrond elektronen draaien. De planeten draaien op vrijwel dezelfde manier rond de zon, dus we kunnen ons dat gemakkelijk voorstellen. Toen werd het atoom opgesplitst in elementaire deeltjes en werd het moeilijker om de structuur van het universum voor te stellen. Op deeltjesschaal gelden andere wetten, en het is niet altijd mogelijk om een ​​analogie met het leven te vinden. De natuurkunde is abstract en verwarrend geworden.

Maar de volgende stap in de theoretische natuurkunde bracht een besef van de werkelijkheid terug. De snaartheorie beschreef de wereld in termen die opnieuw voorstelbaar zijn en daardoor gemakkelijker te begrijpen en te onthouden.

Het onderwerp is nog steeds niet gemakkelijk, dus laten we op volgorde gaan. Laten we eerst eens kijken wat de theorie is, en dan proberen te begrijpen waarom deze is uitgevonden. En als toetje: een beetje geschiedenis De snaartheorie heeft een korte geschiedenis, maar met twee revoluties.

Het universum bestaat uit trillende energiedraden

Vóór de snaartheorie werden elementaire deeltjes beschouwd als punten: dimensieloze vormen met bepaalde eigenschappen. De snaartheorie beschrijft ze als energiedraden die één dimensie hebben: lengte. Deze eendimensionale draden worden genoemd kwantum snaren.

Theoretische fysica

Theoretische fysica
beschrijft de wereld met behulp van wiskunde, in tegenstelling tot experimentele natuurkunde. De eerste theoretisch natuurkundige was Isaac Newton (1642-1727)

De kern van een atoom met elektronen, elementaire deeltjes en kwantumsnaren door de ogen van een kunstenaar. Fragment uit de documentaire "Elegant Universe"

Kwantumsnaren zijn erg klein, hun lengte is ongeveer 10 -33 cm. Dit is honderd miljoen miljard keer kleiner dan de protonen die botsen bij de Large Hadron Collider. Voor zulke experimenten met snaren zou een versneller ter grootte van een sterrenstelsel moeten worden gebouwd. We hebben nog geen manier gevonden om strings te detecteren, maar dankzij de wiskunde kunnen we enkele van hun eigenschappen raden.

Kwantumsnaren zijn open en gesloten. De open uiteinden zijn vrij, terwijl de gesloten uiteinden op elkaar aansluiten en lussen vormen. Snaren ‘openen’ en ‘sluiten’ voortdurend, verbinden zich met andere snaren en vallen uiteen in kleinere snaren.

Kwantumsnaren worden uitgerekt. Spanning in de ruimte ontstaat door het verschil in energie: voor gesloten snaren tussen de gesloten uiteinden, voor open snaren - tussen de uiteinden van de snaren en de leegte. Natuurkundigen noemen deze leegte tweedimensionale dimensionale gezichten, of branen – van het woord membraan.

centimeters - de kleinst mogelijke grootte van een object in het universum. Dit wordt de Plancklengte genoemd

Wij zijn gemaakt van kwantumsnaren

Kwantumsnaren trillen. Dit zijn trillingen die lijken op de trillingen van de snaren van een balalaika, met uniforme golven en een heel aantal minima en maxima. Bij het trillen produceert een kwantumsnaar geen geluid; op de schaal van elementaire deeltjes is er niets om geluidstrillingen naar over te brengen. Het wordt zelf een deeltje: het trilt op de ene frequentie - een quark, op de andere - een gluon, op de derde - een foton. Daarom is een kwantumstring één enkel bouwelement, een ‘steen’ van het universum.

Het universum wordt meestal afgebeeld als ruimte en sterren, maar het is ook onze planeet, en jij en ik, en de tekst op het scherm, en bessen in het bos.

Diagram van snaartrillingen. Op elke frequentie zijn alle golven hetzelfde, hun aantal is een geheel getal: één, twee en drie

Regio Moskou, 2016. Er zijn veel aardbeien - alleen meer muggen. Ze zijn ook gemaakt van snaren.

En daar is ergens ruimte. Laten we teruggaan naar de ruimte

In de kern van het universum bevinden zich dus kwantumsnaren, eendimensionale energiedraden die trillen, van grootte en vorm veranderen en energie uitwisselen met andere snaren. Maar dat is niet alles.

Kwantumsnaren bewegen door de ruimte. En de ruimte op de schaal van snaren is het meest interessante deel van de theorie.

Kwantumsnaren bewegen in 11 dimensies

Theodorus Kaluza
(1885-1954)

Het begon allemaal met Albert Einstein. Zijn ontdekkingen toonden aan dat tijd relatief is en verenigde deze met de ruimte in een enkel ruimte-tijd continuüm. Einsteins werk verklaarde de zwaartekracht, de beweging van planeten en de vorming van zwarte gaten. Bovendien inspireerden ze hun tijdgenoten tot nieuwe ontdekkingen.

Einstein publiceerde de vergelijkingen van de Algemene Relativiteitstheorie in 1915-1916, en al in 1919 probeerde de Poolse wiskundige Theodor Kaluza zijn berekeningen toe te passen op de theorie van het elektromagnetische veld. Maar de vraag rees: als de zwaartekracht van Einstein de vier dimensies van ruimtetijd buigt, wat buigen elektromagnetische krachten dan? Het geloof in Einstein was sterk, en Kaluza twijfelde er niet aan dat zijn vergelijkingen het elektromagnetisme zouden beschrijven. In plaats daarvan stelde hij voor dat elektromagnetische krachten een extra, vijfde dimensie zouden verbuigen. Einstein vond het idee leuk, maar de theorie werd niet getest door experimenten en werd tot de jaren zestig vergeten.

Albert Einstein (1879-1955)

Theodorus Kaluza
(1885-1954)

Theodorus Kaluza
(1885-1954)

Albert Einstein
(1879-1955)

De eerste snaartheorievergelijkingen leverden vreemde resultaten op. Er verschenen tachyonen in - deeltjes met een negatieve massa die sneller bewogen dan de snelheid van het licht. Dit is waar Kaluza’s idee van de multidimensionaliteit van het universum goed van pas kwam. Het is waar dat vijf dimensies niet genoeg waren, net zoals zes, zeven of tien niet genoeg waren. De wiskunde van de eerste snaartheorie had alleen zin als ons universum 26 dimensies had! Latere theorieën hadden er genoeg van tien, maar in de moderne zijn er elf: tien in ruimte en tijd.

Maar als dat zo is, waarom zien we dan niet de zeven extra dimensies? Het antwoord is simpel: ze zijn te klein. Van een afstand ziet een driedimensionaal object er plat uit: een waterpijp verschijnt als een lint en een ballon als een cirkel. Zelfs als we objecten in andere dimensies zouden kunnen zien, zouden we hun multidimensionaliteit niet in overweging nemen. Wetenschappers noemen dit effect verdichting.

De extra dimensies worden opgevouwen tot onmerkbaar kleine vormen van ruimte-tijd - ze worden Calabi-Yau-ruimten genoemd. Van een afstand lijkt het vlak.

We kunnen zeven extra dimensies alleen weergeven in de vorm van wiskundige modellen. Dit zijn fantasieën die zijn gebouwd op de ons bekende eigenschappen van ruimte en tijd. Door een derde dimensie toe te voegen wordt de wereld driedimensionaal en kunnen we het obstakel omzeilen. Misschien is het, door hetzelfde principe te gebruiken, juist om de resterende zeven dimensies toe te voegen - en door ze vervolgens te gebruiken, kun je door de ruimte-tijd reizen en op elk moment naar elk punt in elk universum komen.

metingen in het universum volgens de eerste versie van de snaartheorie - bosonisch. Nu wordt het als irrelevant beschouwd

Een lijn heeft slechts één dimensie: lengte

Een ballon is driedimensionaal en heeft een derde dimensie: hoogte. Maar voor een tweedimensionale man lijkt het op een lijn

Net zoals een tweedimensionale mens zich geen multidimensionaliteit kan voorstellen, kunnen we ons ook niet alle dimensies van het universum voorstellen.

Volgens dit model reizen kwantumsnaren altijd en overal, wat betekent dat dezelfde snaren de eigenschappen van alle mogelijke universums coderen vanaf hun geboorte tot het einde der tijden. Helaas is onze ballon plat. Onze wereld is slechts een vierdimensionale projectie van een elfdimensionaal universum op de zichtbare schalen van ruimte-tijd, en we kunnen de snaren niet volgen.

Op een dag zullen we de oerknal zien

Op een dag zullen we de frequentie van snaartrillingen en de organisatie van extra dimensies in ons universum berekenen. Dan leren we er absoluut alles over en kunnen we de oerknal zien of naar Alpha Centauri vliegen. Maar voorlopig is dit onmogelijk - er zijn geen tips waarop je kunt vertrouwen in de berekeningen, en je kunt de benodigde cijfers alleen met brute kracht vinden. Wiskundigen hebben berekend dat er 10.500 opties zijn om te doorzoeken. De theorie is op een dood spoor beland.

Toch is de snaartheorie nog steeds in staat de aard van het universum te verklaren. Om dit te doen moet het alle andere theorieën met elkaar verbinden en de theorie van alles worden.

De snaartheorie zal de theorie van alles worden. Misschien

In de tweede helft van de 20e eeuw bevestigden natuurkundigen een aantal fundamentele theorieën over de aard van het universum. Het leek erop dat een beetje meer en we alles zouden begrijpen. Het grootste probleem is echter nog niet opgelost: de theorieën werken individueel prima, maar geven geen totaalbeeld.

Er zijn twee hoofdtheorieën: de relativiteitstheorie en de kwantumveldentheorie.

opties voor het organiseren van 11 dimensies in Calabi-Yau-ruimtes - genoeg voor alle mogelijke universums. Ter vergelijking: het aantal atomen in het waarneembare deel van het universum bedraagt ​​ongeveer 10 80

Er zijn voldoende mogelijkheden om Calabi-Yau-ruimtes te organiseren voor alle mogelijke universums. Ter vergelijking: het aantal atomen in het waarneembare heelal bedraagt ​​ongeveer 10 80

Relativiteitstheorie
beschreef de zwaartekrachtinteractie tussen planeten en sterren en verklaarde het fenomeen zwarte gaten. Dit is de fysica van een visuele en logische wereld.

Model van zwaartekrachtinteractie van de aarde en de maan in de Einsteiniaanse ruimte-tijd

Kwantumveldentheorie
bepaalde de soorten elementaire deeltjes en beschreef 3 soorten interactie daartussen: sterk, zwak en elektromagnetisch. Dit is de fysica van chaos.

De kwantumwereld door de ogen van een kunstenaar. Video van de MiShorts-website

Kwantumveldentheorie met toegevoegde massa voor neutrino's wordt genoemd Standaardmodel. Dit is de basistheorie van de structuur van het universum op kwantumniveau. De meeste voorspellingen van de theorie worden bevestigd in experimenten.

Het Standaardmodel verdeelt alle deeltjes in fermionen en bosonen. Fermionen vormen materie - deze groep omvat alle waarneembare deeltjes zoals de quark en het elektron. Bosonen zijn de krachten die verantwoordelijk zijn voor de interactie van fermionen, zoals het foton en het gluon. Er zijn al twee dozijn deeltjes bekend en wetenschappers blijven nieuwe ontdekken.

Het is logisch om aan te nemen dat de zwaartekrachtinteractie ook door zijn boson wordt overgedragen. Ze hebben het nog niet gevonden, maar ze hebben de eigenschappen ervan beschreven en een naam bedacht: graviton.

Maar het is onmogelijk om de theorieën te verenigen. Volgens het Standaardmodel zijn elementaire deeltjes dimensieloze punten die op nulafstanden samenwerken. Als deze regel wordt toegepast op graviton, geven de vergelijkingen oneindige resultaten, waardoor ze zinloos zijn. Dit is slechts een van de tegenstrijdigheden, maar het illustreert goed hoe ver de ene natuurkunde van de andere verwijderd is.

Daarom zijn wetenschappers op zoek naar een alternatieve theorie die alle theorieën in één kan combineren. Deze theorie werd de verenigde veldtheorie genoemd, of theorie van alles.

Fermionen
vormen alle soorten materie behalve donkere materie

Bosonen
energie overbrengen tussen fermionen

De snaartheorie zou de wetenschappelijke wereld kunnen verenigen

Snaartheorie lijkt in deze rol aantrekkelijker dan andere, omdat het de belangrijkste tegenstrijdigheid onmiddellijk oplost. Kwantumsnaren trillen zo dat de afstand ertussen groter is dan nul, en onmogelijke rekenresultaten voor het graviton worden vermeden. En de graviton zelf past goed in het concept van snaren.

Maar de snaartheorie is niet door experimenten bewezen; de prestaties ervan blijven op papier staan. Des te verrassender is het feit dat het al veertig jaar niet verlaten is; het potentieel ervan is zo groot. Laten we, om te begrijpen waarom dit gebeurt, terugkijken en kijken hoe het zich heeft ontwikkeld.

De snaartheorie heeft twee revoluties meegemaakt

Gabriele Veneziano
(geboren 1942)

Aanvankelijk werd de snaartheorie helemaal niet beschouwd als een kandidaat voor de eenwording van de natuurkunde. Het werd per ongeluk ontdekt. In 1968 bestudeerde de jonge theoretisch natuurkundige Gabriele Veneziano de sterke interacties in de atoomkern. Onverwacht ontdekte hij dat ze goed beschreven werden door de bètafunctie van Euler - een reeks vergelijkingen die de Zwitserse wiskundige Leonhard Euler 200 jaar eerder had samengesteld. Dit was vreemd: in die tijd werd het atoom als ondeelbaar beschouwd en het werk van Euler loste uitsluitend wiskundige problemen op. Niemand begreep waarom de vergelijkingen werkten, maar ze werden actief gebruikt.

De fysieke betekenis van de bètafunctie van Euler werd twee jaar later opgehelderd. Drie natuurkundigen, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen en Leonard Susskind, suggereerden dat elementaire deeltjes misschien geen punten zijn, maar eendimensionale trillende snaren. De sterke interactie voor dergelijke objecten werd idealiter beschreven door de Euler-vergelijkingen. De eerste versie van de snaartheorie werd bosonisch genoemd, omdat deze de snaaraard van bosonen beschreef die verantwoordelijk zijn voor de interacties van materie, en geen betrekking had op de fermionen waaruit materie bestaat.

De theorie was grof. Het betrof tachyons, en de belangrijkste voorspellingen waren in tegenspraak met de experimentele resultaten. En hoewel het mogelijk was om van tachyons af te komen met behulp van de Kaluza-multidimensionaliteit, heeft de snaartheorie geen wortel geschoten.

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Johannes Schwartz
• Michaël Groen
• Eduard Witten

• Gabriele Veneziano
• Yoichiro Nambu
• Holger Nielsen
• Leonard Susskind
• Johannes Schwartz
• Michaël Groen
• Eduard Witten

Maar de theorie heeft nog steeds loyale aanhangers. In 1971 voegde Pierre Ramon fermionen toe aan de snaartheorie, waardoor het aantal dimensies werd teruggebracht van 26 naar tien. Dit markeerde het begin supersymmetrie theorie.

Er werd gezegd dat elk fermion zijn eigen boson heeft, wat betekent dat materie en energie symmetrisch zijn. Het maakt niet uit dat het waarneembare universum asymmetrisch is, zei Ramon, er zijn omstandigheden waaronder symmetrie nog steeds wordt waargenomen. En als fermionen en bosonen volgens de snaartheorie door dezelfde objecten worden gecodeerd, dan kan onder deze omstandigheden materie worden omgezet in energie, en omgekeerd. Deze eigenschap van snaren werd supersymmetrie genoemd, en de snaartheorie zelf werd supersnaartheorie genoemd.

In 1974 ontdekten John Schwartz en Joel Sherk dat sommige eigenschappen van snaren opmerkelijk nauw overeenkwamen met de eigenschappen van de veronderstelde drager van de zwaartekracht, het graviton. Vanaf dat moment begon de theorie serieus te beweren generaliserend te zijn.

dimensies van ruimte-tijd waren aanwezig in de eerste supersnaartheorie

“De wiskundige structuur van de snaartheorie is zo mooi en heeft zoveel verbazingwekkende eigenschappen dat het zeker naar iets diepers moet verwijzen.”

De eerste supersnaarrevolutie gebeurde in 1984. John Schwartz en Michael Green presenteerden een wiskundig model waaruit bleek dat veel van de tegenstrijdigheden tussen de snaartheorie en het standaardmodel konden worden opgelost. De nieuwe vergelijkingen brachten de theorie ook in verband met alle soorten materie en energie. De wetenschappelijke wereld was in de greep van koorts - natuurkundigen stopten met hun onderzoek en schakelden over op het bestuderen van snaren.

Van 1984 tot 1986 werden meer dan duizend artikelen over snaartheorie geschreven. Ze toonden aan dat veel van de bepalingen van het Standaardmodel en de zwaartekrachttheorie, die in de loop der jaren bij elkaar waren gebracht, op natuurlijke wijze voortvloeiden uit de snaarfysica. Het onderzoek heeft wetenschappers ervan overtuigd dat een verenigende theorie om de hoek ligt.

“Het moment dat je kennis maakt met de snaartheorie en beseft dat bijna alle grote ontwikkelingen in de natuurkunde van de afgelopen eeuw zijn voortgekomen – en met zoveel elegantie – vanuit zo’n eenvoudig uitgangspunt, demonstreert duidelijk de ongelooflijke kracht van deze theorie.”

Maar de snaartheorie had geen haast om haar geheimen prijs te geven. In plaats van opgeloste problemen ontstonden er nieuwe. Wetenschappers hebben ontdekt dat er niet één, maar vijf supersnaartheorieën bestaan. De snaren daarin hadden verschillende soorten supersymmetrie, en er was geen manier om te begrijpen welke theorie correct was.

Wiskundige methoden hadden hun grenzen. Natuurkundigen zijn gewend aan complexe vergelijkingen die geen nauwkeurige resultaten opleveren, maar voor de snaartheorie was het niet mogelijk om zelfs maar nauwkeurige vergelijkingen te schrijven. En de geschatte resultaten van benaderende vergelijkingen leverden geen antwoorden op. Het werd duidelijk dat er nieuwe wiskunde nodig was om de theorie te bestuderen, maar niemand wist wat voor soort wiskunde het zou zijn. Het enthousiasme van de wetenschappers is verdwenen.

Tweede supersnaarrevolutie donderde in 1995. Aan de patstelling werd een einde gemaakt door de toespraak van Edward Witten op de String Theory Conference in Zuid-Californië. Witten liet zien dat alle vijf theorieën speciale gevallen zijn van één, meer algemene theorie van superstrings, waarin er geen tien dimensies zijn, maar elf. Witten noemde de verenigende theorie M-theorie, of de moeder van alle theorieën, van het Engelse woord Moeder.

Maar iets anders was belangrijker. Witten's M-theorie beschreef het effect van de zwaartekracht in de supersnaartheorie zo goed dat het de supersymmetrische theorie van de zwaartekracht werd genoemd, of superzwaartekracht theorie. Dit moedigde wetenschappers aan, en wetenschappelijke tijdschriften vulden zich opnieuw met publicaties over snaarfysica.

ruimte-tijdmetingen in de moderne supersnaartheorie

“De snaartheorie is een onderdeel van de natuurkunde van de 21e eeuw, dat per ongeluk in de 20e eeuw terecht is gekomen. Het kan decennia of zelfs eeuwen duren voordat het volledig ontwikkeld en begrepen is."

De echo's van deze revolutie zijn vandaag de dag nog steeds te horen. Maar ondanks alle inspanningen van wetenschappers heeft de snaartheorie meer vragen dan antwoorden. De moderne wetenschap probeert modellen te bouwen van een multidimensionaal universum en bestudeert dimensies als membranen van de ruimte. Ze worden branen genoemd. Herinner je je de leegte met de open snaren eroverheen? Er wordt aangenomen dat de snaren zelf twee- of driedimensionaal kunnen blijken te zijn. Ze praten zelfs over een nieuwe twaalfdimensionale fundamentele theorie: F-theorie, de vader van alle theorieën, van het woord vader. De geschiedenis van de snaartheorie is nog lang niet voorbij.

De snaartheorie is nog niet bewezen, maar ook niet weerlegd.

Het grootste probleem met de theorie is het gebrek aan direct bewijs. Ja, er volgen andere theorieën uit, wetenschappers voegen 2 en 2 toe, en het blijkt 4. Maar dit betekent niet dat de vier uit tweeën bestaat. Experimenten met de Large Hadron Collider hebben nog geen supersymmetrie ontdekt, die de uniforme structurele basis van het universum zou bevestigen en voorstanders van de snaarfysica in de kaart zou spelen. Maar er zijn ook geen ontkenningen. Daarom blijft de elegante wiskunde van de snaartheorie de geesten van wetenschappers prikkelen en belooft ze oplossingen voor alle mysteries van het universum.

Als we het over de snaartheorie hebben, kunnen we niet anders dan Brian Greene noemen, een professor aan de Columbia University en een onvermoeibaar popularisator van de theorie. Green geeft lezingen en verschijnt op televisie. In 2000 verscheen zijn boek ‘Elegant Universe. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Search for the Ultimate Theory" was finalist voor de Pulitzerprijs. In 2011 speelde hij zichzelf in aflevering 83 van The Big Bang Theory. In 2013 bezocht hij het Polytechnisch Instituut van Moskou en gaf een interview aan Lenta-ru.

Als je geen expert in snaartheorie wilt worden, maar wel wilt begrijpen in wat voor wereld je leeft, onthoud dan dit spiekbriefje:

1. Het universum bestaat uit energiedraden – kwantumsnaren – die trillen als de snaren van een muziekinstrument. Verschillende trillingsfrequenties veranderen snaren in verschillende deeltjes.
2. De uiteinden van de snaren kunnen vrij zijn, of ze kunnen elkaar sluiten en lussen vormen. De snaren sluiten, openen en wisselen voortdurend energie uit met andere snaren.
3. Kwantumreeksen bestaan ​​in het 11-dimensionale universum. De extra zeven dimensies zijn opgevouwen tot ongrijpbaar kleine vormen van ruimte-tijd, zodat we ze niet zien. Dit wordt dimensiecompactificatie genoemd.
4. Als we precies wisten hoe de dimensies in ons universum zijn gevouwen, zouden we misschien door de tijd en naar andere sterren kunnen reizen. Maar dit is nog niet mogelijk - er zijn te veel opties om doorheen te gaan. Er zouden er genoeg zijn voor alle mogelijke universums.
5. De snaartheorie kan alle natuurkundige theorieën verenigen en ons de geheimen van het universum onthullen - daar zijn alle voorwaarden voor. Maar er is nog geen bewijs.
6. Andere ontdekkingen van de moderne wetenschap volgen logischerwijs uit de snaartheorie. Helaas bewijst dit niets.
7. De snaartheorie heeft twee supersnaarrevoluties en vele jaren van vergetelheid overleefd. Sommige wetenschappers beschouwen het als sciencefiction, anderen geloven dat nieuwe technologieën dit zullen helpen bewijzen.
8. Het allerbelangrijkste: als je van plan bent je vrienden over de snaartheorie te vertellen, zorg er dan voor dat er geen natuurkundige onder hen is - je bespaart tijd en zenuwen. En jij zult lijken op Brian Greene op de Polytechnic:

In het populaire taalgebruik stelt de supersnaartheorie het universum voor als een verzameling trillende energiestrengen: snaren. Zij 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 dit de sleutel is tot het verenigen van de zwaartekracht met andere krachten.

Het concept evolueert

De verenigde veldentheorie, de theorie van superstrings, is puur wiskundig. Zoals alle natuurkundige concepten is het gebaseerd op vergelijkingen die op bepaalde manieren kunnen worden geïnterpreteerd.

Tegenwoordig weet niemand precies wat de definitieve versie van deze theorie zal zijn. Wetenschappers hebben een nogal vaag idee van de algemene elementen ervan, maar niemand heeft nog een definitieve vergelijking bedacht die alle supersnaartheorieën zou omvatten, en het is nog niet mogelijk geweest om deze experimenteel te bevestigen (hoewel het ook is weerlegd). Natuurkundigen hebben vereenvoudigde versies van de vergelijking gemaakt, maar tot nu toe beschrijft deze ons universum niet volledig.

Supersnaartheorie voor beginners

De hypothese is gebaseerd op vijf sleutelideeën.

1. De supersnaartheorie voorspelt dat alle objecten in onze wereld zijn samengesteld uit trillende draden en energiemembranen.
2. Het probeert de algemene relativiteitstheorie (zwaartekracht) te combineren met kwantumfysica.
3. De supersnaartheorie zal ons in staat stellen alle fundamentele krachten van het universum te verenigen.
4. Deze hypothese voorspelt een nieuwe verbinding, supersymmetrie, tussen twee fundamenteel verschillende soorten deeltjes, bosonen en fermionen.
5. Het concept beschrijft een aantal aanvullende, doorgaans niet-waarneembare dimensies van het heelal.

Snaren en Branen

Toen de theorie in de jaren zeventig opkwam, werden de energiedraden daarin beschouwd als eendimensionale objecten: snaren. Het woord "eendimensionaal" betekent dat de snaar slechts 1 dimensie, lengte, heeft, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een vierkant, dat lengte en hoogte heeft.

De theorie verdeelt deze supersnaren 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 gevolg hiervan werd ontdekt dat deze strings, type 1-strings genoemd, onderhevig zijn aan vijf hoofdtypen interacties.

De interacties zijn gebaseerd op het vermogen van de string om zijn uiteinden te verbinden en te scheiden. Omdat de uiteinden van open snaren gecombineerd kunnen worden om gesloten snaren te vormen, is het onmogelijk een supersnaartheorie te construeren die geen lusvormige snaren omvat.

Dit bleek belangrijk omdat gesloten snaren eigenschappen hebben waarvan natuurkundigen denken dat ze de zwaartekracht zouden kunnen beschrijven. Met andere woorden, wetenschappers realiseerden zich dat in plaats van materiedeeltjes te verklaren, de supersnaartheorie hun gedrag en zwaartekracht kon beschrijven.

Door de jaren heen ontdekte men dat de theorie naast strijkers ook andere elementen nodig had. Ze kunnen worden gezien als vellen of branen. Snaren kunnen aan één of beide zijden worden bevestigd.

Kwantumzwaartekracht

De moderne natuurkunde kent twee fundamentele wetenschappelijke wetten: de algemene relativiteitstheorie (GTR) en het kwantum. Ze vertegenwoordigen totaal verschillende wetenschapsgebieden. De kwantumfysica bestudeert de kleinste natuurlijke deeltjes, en de algemene relativiteitstheorie beschrijft de natuur in de regel op de schaal van planeten, sterrenstelsels en het universum als geheel. Hypotheses die deze proberen te verenigen worden theorieën over kwantumzwaartekracht genoemd. De meest veelbelovende van vandaag is het snaarinstrument.

De gesloten draden komen overeen met het gedrag van de zwaartekracht. In het bijzonder hebben ze de eigenschappen van een graviton, een deeltje dat de zwaartekracht tussen objecten overbrengt.

Krachten bundelen

De snaartheorie probeert de vier krachten – elektromagnetische kracht, sterke en zwakke kernkrachten en zwaartekracht – tot één te combineren. In onze wereld manifesteren ze zich als vier verschillende verschijnselen, maar snaartheoretici geloven dat in het vroege heelal, toen er ongelooflijk hoge energieniveaus waren, al deze krachten worden beschreven door snaren die met elkaar in wisselwerking staan.

Supersymmetrie

Alle deeltjes in het heelal kunnen in twee soorten worden verdeeld: bosonen en fermionen. De snaartheorie voorspelt dat er een relatie tussen hen bestaat, die supersymmetrie wordt genoemd. Onder supersymmetrie moet er voor elk boson een fermion zijn en voor elk fermion een boson. 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 andere tak van de natuurkunde, en de toepassing ervan leidde er halverwege de jaren zeventig toe dat het werd omgedoopt tot supersymmetrische snaartheorie (of supersnaartheorie, in de volksmond).

Een van de voordelen van supersymmetrie is dat het vergelijkingen aanzienlijk vereenvoudigt door enkele variabelen te elimineren. Zonder supersymmetrie leiden vergelijkingen tot fysieke tegenstrijdigheden zoals oneindige waarden en denkbeeldige waarden

Omdat wetenschappers de door supersymmetrie voorspelde deeltjes niet hebben waargenomen, is het nog steeds een hypothese. Veel natuurkundigen geloven dat de reden hiervoor de behoefte aan een aanzienlijke hoeveelheid energie is, die gerelateerd is aan massa door de beroemde Einstein-vergelijking E = mc 2. Deze deeltjes bestonden misschien al in het vroege heelal, maar toen het na de oerknal afkoelde en de energie zich verspreidde, gingen deze deeltjes naar lagere energieniveaus.

Met andere woorden: de snaren, die trilden als hoogenergetische deeltjes, verloren energie, waardoor ze in lager trillende elementen veranderden.

Wetenschappers hopen dat astronomische waarnemingen of experimenten met deeltjesversnellers de theorie zullen bevestigen door enkele van de supersymmetrische elementen met hogere energie te identificeren.

Extra afmetingen

Een andere wiskundige implicatie van de snaartheorie is dat deze zinvol is in een wereld met meer dan drie dimensies. Hiervoor zijn momenteel twee verklaringen:

1. De extra dimensies (zes daarvan) zijn ingestort, of, in de terminologie van de snaartheorie, samengeperst tot ongelooflijk kleine afmetingen die nooit zullen worden waargenomen.
2. We zitten vast in een driedimensionale braan, en andere dimensies strekken zich daarbuiten uit en zijn voor ons ontoegankelijk.

Een belangrijk onderzoeksgebied onder theoretici is het wiskundig modelleren van hoe deze extra coördinaten zich kunnen verhouden tot de onze. De nieuwste resultaten voorspellen dat wetenschappers deze extra dimensies (als ze bestaan) binnenkort zullen kunnen detecteren in komende experimenten, omdat ze mogelijk groter zijn dan eerder werd verwacht.

Het doel begrijpen

Het doel waar wetenschappers naar streven bij het bestuderen van superstrings is een ‘theorie van alles’, dat wil zeggen een uniforme fysieke hypothese die de hele fysieke realiteit op een fundamenteel niveau beschrijft. Als dit lukt, zou het veel vragen over de structuur van ons universum kunnen ophelderen.

Materie en massa verklaren

Een van de belangrijkste taken van modern onderzoek is het vinden van oplossingen voor echte deeltjes.

De snaartheorie begon als een concept dat deeltjes zoals hadronen beschrijft aan de hand van verschillende hogere trillingstoestanden van een snaar. In de meeste moderne formuleringen is de materie die in ons universum wordt waargenomen het resultaat van de laagste energietrillingen van snaren en branen. Hogere trillingen genereren hoogenergetische deeltjes die momenteel niet bestaan ​​in onze wereld.

De massa hiervan is een manifestatie van hoe snaren en branen zijn verpakt in compacte extra dimensies. In het vereenvoudigde geval waarin het in de vorm van een donut wordt gevouwen, door wiskundigen en natuurkundigen een torus genoemd, kan het touwtje zich op twee manieren om deze vorm wikkelen:

• 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 lange lus zal een zwaar deeltje zijn. Wanneer snaren rond torusvormige verdichte afmetingen worden gewikkeld, worden nieuwe elementen met verschillende massa's gevormd.

De supersnaartheorie verklaart kort en duidelijk, eenvoudig en elegant de overgang van lengte naar massa. De gevouwen afmetingen zijn hier veel complexer dan bij een torus, maar werken in principe op dezelfde manier.

Het is zelfs mogelijk, hoewel lastig voor te stellen, dat het touwtje zich in twee richtingen tegelijk om de torus wikkelt, waardoor een ander deeltje met een andere massa ontstaat. Branes kan er ook extra dimensies omheen wikkelen, waardoor er nog meer mogelijkheden ontstaan.

Definitie van ruimte en tijd

In veel versies van de supersnaartheorie vallen de metingen weg, waardoor ze op het huidige technologische niveau niet waarneembaar zijn.

Het is momenteel onduidelijk of de snaartheorie de fundamentele aard van ruimte en tijd beter kan verklaren dan Einstein. Daarin vormen metingen een achtergrond voor de interactie van snaren en hebben ze geen onafhankelijke echte betekenis.

Er werden verklaringen voorgesteld, maar deze waren nog niet volledig ontwikkeld, met betrekking tot de representatie van ruimte-tijd als een afgeleide van de totale som van alle stringinteracties.

Deze benadering komt niet overeen met de ideeën van sommige natuurkundigen, wat leidde tot kritiek op de hypothese. De concurrentietheorie gebruikt de kwantisering van ruimte en tijd als uitgangspunt. Sommigen geloven dat het uiteindelijk gewoon een andere benadering van dezelfde basishypothese zal blijken te zijn.

Kwantisering van de zwaartekracht

Het belangrijkste resultaat van deze hypothese zal, indien bevestigd, de kwantumtheorie van de zwaartekracht zijn. De huidige beschrijving in de Algemene Relativiteitstheorie komt niet overeen 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 ooit manifestaties van één waren.

Volgens deze hypothese begon deze enkele interactie, toen het vroege heelal afkoelde na de oerknal, uiteen te vallen in verschillende interacties die vandaag de dag nog steeds actief zijn.

Experimenten met hoge energie zullen ons op een dag in staat stellen de eenwording van deze krachten te ontdekken, hoewel dergelijke experimenten de huidige technologische ontwikkeling ver te boven gaan.

Vijf opties

Sinds de supersnaarrevolutie van 1984 is de ontwikkeling in een koortsachtig tempo voortgegaan. Als gevolg hiervan waren er in plaats van één concept vijf, genaamd type I, IIA, IIB, HO, HE, die elk onze wereld bijna volledig beschreven, maar niet volledig.

Natuurkundigen, die versies van de snaartheorie doornemen in de hoop een universele, ware formule te vinden, hebben vijf verschillende, zelfvoorzienende versies gecreëerd. Sommige van hun eigenschappen weerspiegelden de fysieke realiteit van de wereld, andere kwamen niet overeen met de realiteit.

M-theorie

Op een conferentie in 1995 stelde natuurkundige Edward Witten een gedurfde oplossing voor het probleem met vijf hypothesen voor. Gebaseerd op de nieuw ontdekte dualiteit, werden ze allemaal speciale gevallen van één enkel overkoepelend concept, door Witten de M-theorie van superstrings genoemd. Een van de sleutelconcepten waren branen (afkorting van membraan), fundamentele objecten met meer dan 1 dimensie. Hoewel de auteur geen volledige versie heeft voorgesteld, die nog steeds niet bestaat, bestaat de M-theorie van superstrings kortweg uit de volgende kenmerken:

• 11-dimensionaliteit (10 ruimtelijke plus 1 tijdsdimensie);
• dualiteiten die leiden tot vijf theorieën die dezelfde fysieke realiteit verklaren;
• Branen zijn snaren met meer dan 1 dimensie.

Gevolgen

Als resultaat hiervan ontstonden er in plaats van één 10.500 oplossingen. Voor sommige natuurkundigen veroorzaakte dit een crisis, terwijl anderen het antropische principe aanvaardden, dat de eigenschappen van het universum verklaart door onze aanwezigheid daarin. Het valt nog te bezien of theoretici een andere manier zullen vinden om door de supersnaartheorie te navigeren.

Sommige interpretaties suggereren dat onze wereld niet de enige is. De meest radicale versies laten het bestaan ​​van een oneindig aantal universums toe, waarvan sommige exacte kopieën van de onze bevatten.

De theorie van Einstein voorspelt het bestaan ​​van een ingestorte ruimte die een wormgat of de Einstein-Rosen-brug wordt genoemd. In dit geval zijn twee afgelegen gebieden verbonden door een korte passage. De supersnaartheorie maakt dit niet alleen mogelijk, maar ook de verbinding van verre punten van parallelle werelden. Het is zelfs mogelijk om over te schakelen tussen universums met verschillende natuurkundige wetten. 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 een ruimtevolume overeenkomt met de informatie die op het oppervlak is vastgelegd, een dieper inzicht zal verschaffen in het concept van energiedraden.

Sommigen geloven dat de supersnaartheorie meerdere tijdsdimensies mogelijk maakt, wat ertoe zou kunnen leiden dat we er doorheen reizen.

Bovendien biedt de hypothese een alternatief voor het oerknalmodel, waarin ons universum ontstond door de botsing van twee branen en herhaalde cycli van creatie en vernietiging doormaakt.

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 kosmologen deze waarden kennen, zullen ze kunnen bepalen of het universum zal krimpen totdat het explodeert, zodat het allemaal opnieuw begint.

Niemand weet waar dit toe kan leiden totdat het is ontwikkeld en getest. Einstein, die de vergelijking E=mc 2 had geschreven, ging er niet van uit dat dit zou leiden tot de opkomst van kernwapens. De makers van de kwantumfysica wisten niet dat dit de basis zou worden voor de creatie van lasers en transistors. En hoewel nog niet bekend is waar zo’n puur theoretisch concept toe zal leiden, geeft de geschiedenis aan dat er zeker iets bijzonders uit zal voortkomen.

Je kunt meer over deze hypothese lezen in het boek van Andrew Zimmerman, Superstring Theory for Dummies.