Wat zijn Superstrings?

Superstrings, of superstringtheorie, is een opwindend veld van de fysica, soms de theorie van alles genoemd . Het wordt door velen beschouwd als de ongrijpbare verbindende verklaring die Einstein zocht die alle bekende krachten in het universum zou kunnen verklaren.

Totdat er superstrings kwamen, hadden wetenschappers twee tegengestelde theorieën over hoe de natuurwetten zich gedroegen: de algemene relativiteitstheorie van Einstein en de kwantummechanica.

Algemene relativiteitstheorie verklaart de wereld zoals we die kennen op een vrij massale schaal. Het beschrijft ruimtetijd als een weefsel kromgetrokken door massa die rekening houdt met orbitale systemen, sterrenstelsels en de zwaartekracht. Maar deze wetten vallen uiteen op het kwantumniveau waar een subatomair deeltje niet kan worden gemeten in termen van zijn exacte positie in de ruimte op een bepaald moment. Het is ook net zo waarschijnlijk om achteruit te gaan in de tijd als het is om vooruit te gaan, en kan zelfs op twee plaatsen tegelijkertijd lijken te zijn. De wereld van het oneindig kleine is zo bizar, wetenschappers bedachten de term "kwantumgekte" om het te beschrijven.

Het probleem voor natuurkundigen was om een ​​theorie te bedenken die de wereld die we kennen zou verenigen met de kwantumwereld. Eén verklaring om alle vier bekende krachten te verklaren: zwaartekracht, de sterke en zwakke nucleaire krachten en elektromagnetisme. Superstrings kan dat antwoord zijn.

Door wiskundige vergelijkingen werd het duidelijk dat de manier waarop we eerder hadden gedacht aan deeltjes als "punten" of "kleine balletjes" van energie onnauwkeurig was. Deze kleine stukjes materie gedroegen zich eigenlijk meer als wiebelende, vibrerende snaren . Strings zijn zo klein dat Brian Greene, een natuurkundige en voorstander, uitlegt dat als een enkel atoom de grootte van ons zonnestelsel zou hebben, een string alleen de grootte van een boom zou zijn. Maar strings vormen alle materie vanaf het kwantumniveau omhoog.

De manier waarop snaren trillen bepalen de specifieke eigenschappen van elk deeltje en vergelijken het universum met een kosmische symfonie van superstrings. Maar om de theorie van wiskundige anomalieën kwijt te raken, waren zes extra dimensies nodig. De zes extra dimensies vormen kleine, opgerolde 6-D-vormen op elk punt in onze ruimte. Binnen deze 6-D vormen zijn de snaren van de superstring-theorie. De zes extra dimensies, plus onze drie, betekenden dat er echt 9 dimensies waren. Voeg er nog een toe voor de tijd en het totaal was 10 dimensies. Hoe verrassend dit ook was, het was niet het einde.

In 1995 vormden verschillende theorieën van superstrings een raadsel totdat de M-theorie hen verenigde. De enige vangst? M-theorie vereiste wiskundig een 11e dimensie. Dit gaf een nieuw beeld van snaren waarbij, bij voldoende energie, een snaar kon strekken tot een extreem groot drijvend membraan, kortweg een brane genoemd . Branen kunnen verschillende dimensionale eigenschappen hebben en zo groot worden als een universum. Volgens de theorie bestaat ons hele universum zelfs op een drijvend brane - slechts één van meerdere drijvende branes die elk hun eigen parallelle universum ondersteunen. Elke brane vertegenwoordigt één plak van een hogere dimensionale ruimte of bulk .

Hoewel het standaardmodel van de jaren 1970 al drie van de vier krachten verenigde in een verenigde theorie, kon de zwaartekracht niet worden verzoend met de drie kwantumkrachten. Maar een doorbraak in superstrings omvatte de ongrijpbare zwaartekracht, fluisterend over de heilige graal van de fysica. Als een massaloos hypothetisch deeltje dat verantwoordelijk is voor het overbrengen van de zwaartekracht - de graviton - op het kwantumniveau bestaat als een gesloten string , zou dit een directe gravitatiekoppeling met de theorie van superstrings vormen.

De theorie voorspelt dat tekenreeksen open of gesloten kunnen zijn. Open snaren, of snaren die lijken op kleine wiebelende haren, hebben ten minste één eindpunt "bevestigd" aan het membraan zoals een trolleywagen is bevestigd door een topkabel aan een elektrische leiding. Strings kunnen door het brane bewegen maar kunnen het niet verlaten, wat verklaart waarom we niet fysiek uit onze dimensie kunnen kijken of er buiten kunnen reiken. De atomen waaruit ons lichaam bestaat, bestaan ​​uit open strings die eindpunten aan ons 3-D-membraan hebben bevestigd. Een andere manier om ernaar te kijken is om een ​​filmscherm te overwegen. Mensen op een scherm lijken driedimensionaal te zijn, maar ze kunnen het scherm niet bereiken in onze 3D-wereld. Ze zitten vast in hun 2D-wereld, net zoals wij vastzitten in onze 3D-wereld en kunnen niet in aangrenzende dimensies reiken. Wetenschappers noemen dit vrijheidsgraden .

Maar de graviton is anders. Als een gesloten string of lus zonder verbonden eindpunten, werd de theorie dat het mogelijk zou kunnen ontsnappen aan onze 3-D-branen en in andere dimensies sijpelen. Dit zou verklaren waarom de zwaartekracht vele malen zwakker is dan de andere krachten.

Maar wat als het omgekeerde waar was? Wat als de zwaartekracht op een parallelle brane zo sterk is als de andere krachten, maar hier zwakker is omdat het alleen in onze dimensie lekt? Wiskundig werkte de theorie van superstrings opnieuw prachtig en gaf uiteindelijk een plausibele verklaring voor de zwakte van de zwaartekracht terwijl deze werd verenigd met de andere drie krachten.

Er was nog maar één hindernis over: de verenigende theorie zou ook de oerknal moeten kunnen verklaren. Vier natuurkundigen die samen op een trein reizen, hebben dit onderwerp terloops aangepakt. Een van hen stelde de vraag: wat zou er gebeuren als twee zemelen botsen? Het plausibele wiskundige antwoord bleek de Big Bang te zijn.

De tegenstanders van de theorie van superstrings wijzen op gebrek aan bewijs en de moeilijkheid om het te leveren. Is het gewoon een mooie wiskundige constructie? Een filosofie? Of een echte verklaring van onze wereld? Geen enkele andere theorie is in de buurt gekomen van het wiskundig verenigen van alle vier krachten, en nog minder dat het een verklaring biedt voor de oerknal. Maar het bewijs dat er andere dimensies bestaan ​​- zwevende branen en parallelle universums - is een belangrijk knelpunt geweest.

Desondanks willen gelovigen van de elegante theorie graag dat het bewezen wordt, en sindsdien hebben wetenschappers ontdekt dat er misschien een waarneembaar bewijs is van astronomisch grote strings. De theorie van superstrings blijft dus terrein winnen. Uiteindelijk, als het lukt, van 11 dimensies tot parallelle universums, van de wervelende sterrenstelsels tot kwantumsoep, zijn superstrings misschien wel echt The Theory of Everything .