Wat zijn superstrings?

Superstrings, of superstringtheorie, is een opwindend gebied van fysica die soms de theorie van alles wordt genoemd. Men wordt gedacht dat velen de ongrijpbare verenigende verklaring zijn die Einstein zocht die alle bekende krachten in het universum kon verklaren.

Totdat Superstrings langskwamen, hadden wetenschappers twee tegengestelde theorieën over hoe de natuurwetten zich gedroegen: Einstein's algemene theorie van relativiteit en kwantummechanieken.

Algemene relativiteitstheorie verklaart de wereld zoals we die kennen op een nogal massale schaal. Het beschrijft ruimtetijd als een stof die is vervormd door massale boekhouding voor orbitale systemen, sterrenstelsels en de zwaartekracht. Maar deze wetten gaan af op het kwantumniveau waarbij 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 achteruit in de tijd als het is om vooruit te gaan en kan zelfs op twee plaatsen tegelijkertijd lijken te zijn. De wereld van de oneindig klein is zo bizar, wetenschappers bedachten de term "Quantum raarheid "om het te beschrijven.

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

Door wiskundige vergelijkingen werd het duidelijk dat de manier waarop we eerder aan deeltjes hadden gedacht als "punten" of "kleine ballen" van energie onnauwkeurig was. Deze kleine stukjes materie gedroegen zich eigenlijk meer als wiebelende, trillende strings . Strings zijn zo klein dat Brian Greene, een natuurkundige en voorstander, legt uit dat als een enkel atoom de grootte van ons zonnestelsel had, een snaar alleen de grootte van een boom zou zijn. Toch vormen strings alle materie van het kwantumniveau hoger.

De manier waarop strings trilten, bepalen de specifieke eigenschappen van elk deeltje, waarbij de uni vergelijktVers voor een kosmische symfonie van superstrings. Maar om de theorie van wiskundige afwijkingen te ontdoen, waren zes extra dimensies nodig. De zes extra dimensies vormen kleine, opgerold 6-D-vormen op elk punt in onze ruimte. In deze 6-D-vormen zijn de snaren van de bovenste theorie. De zes extra dimensies, plus onze drie, betekenden dat er echt 9 dimensies waren. Voeg nog een toe voor tijd en het totaal was 10 dimensies. Hoe verrassend dit ook was, het was niet het einde.

In 1995 presenteerden verschillende theorieën van superstrings een raadsel tot m-theorie verenigd. De enige vangst? M-theorie vereiste wiskundig een 11e dimensie. Dit presenteerde een nieuw beeld van snaren waarbij, gezien voldoende energie, een touw kon uitrekken om een ​​extreem groot zwevend membraan te worden, 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 braan -- Slechts een van de vele zwevende branen die elk hun eigen parallelle universum ondersteunen. Elk braan vertegenwoordigt één plakje van een hogere dimensionale ruimte of bulk .

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

De theorie voorspelt dat snaren 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 trolleyauto wordt bevestigd door een bovenkabel aan een elektrische lijn. Snaren kunnen door het braan bewegen, maar kan niet blijvene het, uitleggen waarom we niet fysiek kunnen zien uit of uit onze dimensie reiken. De atomen waaruit ons lichaam bestaat, zijn samengesteld uit open snaren die eindpunten hebben bevestigd aan ons 3D-membraan. Een andere manier om ernaar te kijken, is om een ​​filmscherm te overwegen. Mensen op een scherm lijken driedimensionaal te zijn, maar ze kunnen niet daadwerkelijk van het scherm reiken naar onze 3D-wereld. Ze zitten vast in hun 2-D-wereld, net zoals we vastzitten in onze 3D-wereld en kunnen niet in aangrenzende dimensies komen. Wetenschappers noemen dit vrijheidsgraden .

Maar de graviton is anders. Als een gesloten string of lus zonder bijgevoegde eindpunten was het theoretiseerd dat het mogelijk in staat was om aan ons 3D-braan te ontsnappen en in andere dimensies te sijpelen. Dit zou verklaren waarom zwaartekracht vele malen zwakker is dan de andere krachten.

Wat als de inverse waar waren? Wat als zwaartekracht op een parallel brane zo sterk is als de andere krachten, maar hier zwakker is omdat het alleen lekt intO onze dimensie? Wiskundig werkte de theorie van superstrings opnieuw prachtig en bracht uiteindelijk een plausibele verklaring op voor de zwakte van de zwaartekracht terwijl het zich verenigt met de andere drie krachten.

Er was nog maar één hindernis over: de verenigende theorie zou ook de oerknal moeten kunnen uitleggen. Vier natuurkundigen die samen in een trein reizen, hebben dit onderwerp terloops aangepakt. Een van hen stelde de vraag, Wat zou er gebeuren als twee zemelen botsten? het plausibele wiskundige antwoord bleek de oerknal te zijn.

Detractors van de theorie van superstrings wijzen op gebrek aan bewijs en de moeilijkheid om dit te leveren. Is het gewoon een prachtige wiskundige constructie? Een filosofie? Of een echte uitleg van onze wereld? Geen enkele andere theorie is in de buurt gekomen om alle vier de krachten wiskundig te verenigen, veel minder en biedt bovendien een verklaring voor de oerknal. Maar het bewijzen dat er andere dimensies bestaan ​​- zwevende zemelen en parallelle universums - is een belangrijke stickin geweestG Punt.

Niettemin zijn gelovigen van de elegante theorie te popelen om het te zien bewezen, en wetenschappers hebben sindsdien ontdekt dat er waarneembaar bewijs is van astronomisch grote snaren. Zo blijft de theorie van superstrings terrein winnen. Uiteindelijk, als het succesvol is, van 11 dimensies tot parallelle universums, van de wervelende sterrenstelsels tot kwantumsoep, kunnen superstrings misschien echt de theorie van alles zijn .