Stringteori: Superstrengteori, M-teori og jagten på en teori om alting

Introduktioner til strengteori, der er beregnet til den brede offentlighed, skal først forklare fysikken. Nogle af kontroverserne om strengteorien skyldes misforståelser om fysik. En almindelig misforståelse, selv for videnskabsmænd, er den antagelse, at en teori er bevist sand i sin forklaring af den naturlige verden, når dens forudsigelser er vellykkede. En anden misforståelse er, at tidligere fysiske videnskabsmænd, herunder kemikere, allerede har forklaret verden. Dette fører til den misforståelse, at strengteoretikere begyndte at opstille mærkelige hypoteser, efter at de på uforklarlig vis blev "befriet fra sandheden".

Det klassiske område

Newtonsk fysik

Newtons lov om universel gravitation (UG), som blev tilføjet til de tre Galileiske bevægelseslove og nogle andre forudsætninger, blev offentliggjort i 1687. Newtons teori modellerede med succes interaktioner mellem objekter af en størrelse, som vi kan se, en række fænomener, der nu kaldes det klassiske område. Coulombs lov beskrev elektrisk tiltrækning. Maxwells teori om elektromagnetiske felter forenede elektricitet og magnetisme, mens optik opstod fra dette felt.

Lysetshastighed forblev dog omtrent den samme, når den blev målt af en observatør, der rejste i feltet, selv om tilføjelse af hastigheder forudsagde, at feltet var langsommere eller hurtigere i forhold til en observatør, der rejste med eller imod det. Så i forhold til det elektromagnetiske felt blev observatøren ved med at miste hastighed. Dette var dog ikke i strid med Galileos relativitetsprincip, som siger, at mekanikkens love fungerer ens for alle objekter, der udviser inerti.

Når der ikke påføres nogen kraft på et objekt, bevarer objektet sin hastighed, dvs. hastighed og retning, ifølge loven om inerti, når der ikke påføres nogen kraft på objektet. En genstand, der enten er i ensartet bevægelse, dvs. konstant hastighed i en uændret retning, eller som er i hvile, dvs. nul hastighed, oplever inerti. Dette udviser Galileisk invarians - dets mekaniske interaktioner foregår uden variation - også kaldet Galileisk relativitet, da man ikke kan opfatte, om man er i hvile eller i ensartet bevægelse.

Relativitetsteori

Særlig relativitetsteori

I 1905 forklarede Einsteins specielle relativitetsteori nøjagtigheden af både Maxwells elektromagnetiske felt og den galilæiske relativitetsteori ved at fastslå, at feltets hastighed er absolut - en universel konstant - hvorimod både rum og tid er lokale fænomener i forhold til objektets energi. Et objekt i relativ bevægelse forkortes således langs bevægelsesretningen (Lorentz-kontraktion), og dets udfoldelse af begivenheder bliver langsommere (tidsudvidelse). En passager på objektet kan ikke registrere ændringen, da alle måleinstrumenter om bord på køretøjet har oplevet længdekontraktion og tidsudvidelse. Kun en ekstern observatør, der oplever relativ hvile, måler, at objektet i relativ bevægelse er blevet forkortet på sin rejsevej og at dets begivenheder er blevet langsommere. Den specielle relativitetsteori gjorde Newtons teori - som angiver rum og tid som absolutte størrelser - ude af stand til at forklare gravitation.

Einstein udledte af ækvivalensprincippet, at det at være under enten tyngdekraft eller konstant acceleration er uadskillelige oplevelser, som måske har en fælles fysisk mekanisme. Den foreslåede mekanisme var progressiv længdekontraktion og tidsudvidelse - en konsekvens af den lokale energitæthed i det tredimensionale rum - der etablerer en progressiv spænding i et stift objekt, som afbød sin spænding ved at bevæge sig mod det sted, hvor energitætheden er størst. Den specielle relativitetsteori ville være et begrænset tilfælde af et gravitationsfelt. Den specielle relativitetsteori ville gælde, når energitætheden i hele 3D-rummet er ensartet, og gravitationsfeltet er således ensartet skaleret fra sted til sted, hvorfor et objekt ikke oplever nogen acceleration og dermed ingen gravitation.

Generel relativitetsteori

I 1915 forklarede Einsteins generelle relativitetsteori gravitation med 4D rumtid, der var modelleret som en Lorentzisk mangfoldighed. Tiden er en dimension, der er smeltet sammen med de tre rumdimensioner, idet enhver begivenhed i 3D-rummet - 2D horisontalt og 1D vertikalt - indebærer et punkt langs en 1D-tidsakse. Selv i dagligdagen angiver eller antyder man begge dele. Man siger eller mener i det mindste: "Mød mig i bygning 123 Main Street, der krydser Franklin Street i lejlighed 3D, den 10. oktober 2012 kl. 21.00". Ved at udelade eller mangle tidskoordinaten ankommer man til det korrekte sted i rummet, når den søgte begivenhed ikke findes - den er i fortiden eller fremtiden, måske kl. 18.00 eller kl. 00.00 om morgenen.

Ved at lade rum og tid konvergere og antage, at begge dele er relative til energitætheden i nærheden, og ved at fastsætte den eneste konstant eller absolutte værdi ikke engang som masse, men som lysets hastighed i et vakuum, afslørede den generelle relativitetsteori naturens hidtil ufattelige balance og symmetri. Ethvert objekt bevæger sig altid med lysets hastighed langs en lige linje - dens ækvivalent, på en krum overflade, kaldet geodætisk eller verdenslinje - den eneste vej med mindst mulig modstand som et frit fald gennem 4D rumtid, hvis geometri "krummer" sig i nærheden af masse/energi.

Et objekt med lysets hastighed i et vakuum bevæger sig med maksimal hastighed gennem 3D-rummet, men udviser ingen udvikling af begivenheder - det er frosset i tiden - hvorimod et objekt, der er ubevægeligt i 3D-rummet, flyder fuldt ud langs 1D-tiden og oplever den maksimale hastighed af begivenhedernes udfoldelse. Det viste univers er relativt i forhold til et givet sted, men når først massen/energien i dette område er angivet, forudsiger Einsteins ligninger, hvad der sker - eller skete eller vil ske - overalt i universet. Den udbredte opfattelse af, at relativitet i Einsteins teori er subjektiv eller arbitrær, var til en vis fortrydelse for Einstein, som senere mente, at han burde have kaldt den generel teori.

Kosmologi

Det elektromagnetiske felts budbringerpartikler, fotoner, bærer et billede tidløst gennem universet, mens observatører inden for dette felt har tilstrækkelig tid til at afkode dette billede og reagere ved at bevæge sig i 3D-rummet, men aldrig kan løbe fra dette tidløse billede. Universets tilstand under 400 000 år efter det formodede big bang, der startede vores univers, menes at blive vist som den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB).

I 1915 troede man, at universet udelukkende bestod af det, vi i dag kalder Mælkevejen, og at det var statisk. Einstein anvendte sine nyligt offentliggjorte ligninger for gravitationsfeltet og opdagede, at universet udvidede sig eller skrumpede. (Teorien kan anvendes i begge retninger - tidsinvarians.) Han reviderede teorien og tilføjede en kosmologisk konstant for at skabe en vilkårlig balance i universet. I 1930 afslørede Edwin Hubbles teleskopiske data, der blev fortolket gennem den generelle relativitetsteori, at universet udvidede sig.

I 1916, mens Karl Schwarzschild befandt sig på en slagmark under Første Verdenskrig, brugte han Einsteins ligninger, og Schwarzschild-løsningen forudsagde sorte huller. Årtier senere identificerede astrofysikere et supermassivt sort hul i centrum af måske alle galakser. Sorte huller synes at lede dannelsen og vedligeholdelsen af galakser ved at regulere stjernedannelse og -ødelæggelse.

I 1930'erne blev det bemærket, at ifølge den generelle relativitetsteori ville galakser falde fra hinanden, hvis de ikke var omgivet af usynligt stof, der holdt en galakse sammen, og i 1970'erne begyndte man at acceptere mørkt stof. I 1998 konkluderede man, at universets udvidelse ikke aftager, men accelererer, hvilket tyder på en enorm energitæthed - nok til at accelerere både synligt stof og mørkt stof - i hele universet, et enormt felt af mørk energi. Tilsyneladende er under 5 % af universets sammensætning kendt, mens de øvrige 95 % er mystiske - mørkt stof og mørk energi.

Kvanteverdenen

Mærkelig mekanik

I 1920'erne blev kvantemekanikken (QM) udviklet for at undersøge det elektromagnetiske felts funktion på meget små skalaer i rum og tid. Elektroner - de stofpartikler, der interagerer med de fotoner, som er det elektromagnetiske felts kraftbærere - synes dog at trodse de mekaniske principper helt og holdent. Ingen kunne forudsige en kvantepartikels placering fra øjeblik til øjeblik.

I spalteeksperimentet bevæger en elektron sig gennem et hul, der er placeret foran den. Men en enkelt elektron ville bevæge sig samtidig gennem flere huller, uanset hvor mange der var placeret foran den. Den enkelte elektron ville efterlade et interferencemønster på detektionstavlen, som om den enkelte partikel var en bølge, der havde passeret gennem alle hullerne samtidig. Og alligevel skete dette kun, når den ikke blev observeret. Hvis der blev skudt lys på den forventede begivenhed, ville fotonens vekselvirkning med feltet sætte elektronen i en enkelt position.

På grund af usikkerhedsprincippet kan kvantepartiklernes nøjagtige placering og impuls imidlertid ikke bestemmes med sikkerhed. Partiklens vekselvirkning med observations-/måleinstrumentet afbøjer partiklen således, at en større bestemmelse af dens position giver en lavere bestemmelse af dens impuls og omvendt.

Feltteori kvantiseret

Ved at udvide kvantemekanikken til at omfatte et felt fremkom der et konsistent mønster. Fra sted til nabosted ville sandsynligheden for, at partiklen eksisterede der, stige og falde som en bølge af sandsynlighed - en stigende og faldende sandsynlighedstæthed. Når en kvantepartikel er uobserveret, går den ind i superposition, således at selv en enkelt partikel fylder hele feltet, uanset hvor stort det er. Partiklen befinder sig dog ikke definitivt et hvilket som helst sted i feltet, men er der med en bestemt sandsynlighed i forhold til, om den havde været på det tilstødende sted. Bølgeformen i Maxwells elektromagnetiske felt blev frembragt af en akkumulering af sandsynlighedsbegivenheder. Ikke partiklerne, men den matematiske form, var konstant.

Ved at indstille feltet til den specielle relativitetsteori blev det muligt at forudsige det komplette elektromagnetiske felt. Således opstod den relativistiske kvantefeltteori (QFT). Af det elektromagnetiske felt er det relativistisk kvanteelektrodynamik (QED). For det svage og det elektromagnetiske felt tilsammen er der tale om relativistisk elektrosvag teori (EWT). For det stærke felt er det den relativistiske kvantekromodynamik (QCD). Tilsammen er dette blevet til partikelfysikkens standardmodel.

Opdeling i fysik

Når standardmodellen sættes til den generelle relativitetsteori for at inkludere masse, opstår der sandsynlighedstætheder på uendeligt. Dette formodes at være ukorrekt, da sandsynligheden normalt spænder fra 0 til 1-0% til 100% sandsynlighed. Nogle teoretiske fysikere har mistanke om, at problemet ligger i standardmodellen, som repræsenterer hver partikel ved et nuldimensionelt punkt, der i princippet kan være uendeligt lille. I kvantefysikken er Plancks konstant imidlertid den mindste energienhed, som et felt kan opdeles i, hvilket måske er et fingerpeg om den mindste størrelse, en partikel kan have. Derfor er der en søgen efter at kvantificere tyngdekraften - at udvikle en teori om kvantetyngdekraften.

Ramme

String formoder, at Einsteins 4D-rumtid på mikroskopisk skala er et felt af Calabi-Yau-manifoldigheder, der hver indeholder 6 rumdimensioner, som er krøllet sammen, og som således ikke er udvidet til de 3 rumdimensioner, som den klassiske verden har. I strengteorien erstattes hver kvantepartikel af en 1D streng af vibrerende energi, hvis længde er Planck-længden. Når strengen bevæger sig, følger den bredden og bliver således 2D, et worldsheet. Når en streng vibrerer og bevæger sig i det 6D Calabi-Yau-rum, bliver strengen en kvantepartikel. Med denne fremgangsmåde opstår den hypotetiske graviton - som forudses at kunne forklare den generelle relativitetsteori - let.

Teorier

Stringteorien begyndte som bosonisk stringteori, hvis 26 dimensioner fungerer som mange færre. Men den modellerede kun bosoner, som er energipartikler, mens fermioner, som er stofpartikler, blev udeladt. Så bosonisk strengteori kunne ikke forklare stof. Men ved at tilføje supersymmetri til bosonisk strengteori blev fermioner opnået, og strengteorien blev til superstrengteori, som også forklarede stof.

(I versioner af kvantefeltteorien, der omfatter supersymmetri (SUSY), har hver boson en tilsvarende fermion og omvendt. Det vil sige, at hver energipartikel har en tilsvarende stofpartikel, og at hver stofpartikel har en tilsvarende energipartikel, men den uobserverbare partner er mere massiv og dermed super. Disse superpartnere kan virke som en ekstravagant forudsigelse, men mange teoretikere og eksperimentalister foretrækker alligevel supersymmetriske versioner af standardmodellen, hvis ligninger ellers skal justeres ekstravagant og nogle gange vilkårligt for at bevare den forudsigelsesmæssige succes eller matematiske konsistens, men med superpartnerne på linje).

Uafprøvelig - uvidenskabelig?

Stringteoriens påstand om, at alle molekyler er energistrenge, har fået hård kritik. Der findes mange versioner af strengteorien, men ingen af dem kan forudsige de observationsdata, som forklares af standardmodellen. M-teorien er nu kendt for at have utallige løsninger, som ofte forudsiger ting, der er mærkelige og ukendte for at eksistere. Nogle hævder, at strengteoretikere kun vælger de ønskede forudsigelser.

Påstanden om, at strengteorien ikke giver nogen testbare forudsigelser, er falsk, da den giver mange forudsigelser. Ingen teori - en forudsigende og måske forklarende model for et område af naturlige fænomener - kan verificeres. Alle konventionelle fysiske teorier indtil standardmodellen har fremsat påstande om uobserverbare aspekter af den naturlige verden. Selv standardmodellen har forskellige fortolkninger af den naturlige verden. Når standardmodellen anvendes, er den ofte lavet i en version med supersymmetri, hvilket fordobler antallet af partikelarter, som partikelfysikerne hidtil har identificeret.

Ingen kan bogstaveligt talt måle rummet, men Newton postulerede absolut rum og tid, og Newtons teori indeholdt eksplicitte forudsigelser, der i høj grad kunne testes og var forudsigelsesmæssigt succesfulde i 200 år, men teorien blev stadig falsificeret som forklarende for naturen. Fysikere accepterer, at der ikke findes en sådan tiltrækningskraft, der direkte tiltrækker stof til stof, og slet ikke, at denne kraft gennemtrænger universet øjeblikkeligt. Ikke desto mindre er Newtons teori stadig paradigmatisk for videnskaben.

Skjulte dimensioner?

Ideen om rummets skjulte dimensionalitet kan virke okkult. Nogle teoretikere af loop-kvantetyngdekraften - en kandidat til kvantetyngdekraften - betragter strengteorien som grundlæggende vildledt ved at antage, at rummet overhovedet har en form, indtil partikler former det. Det vil sige, at de ikke tvivler på, at rummet har forskellige former, men blot betragter partiklerne som bestemmende for rummets form og ikke omvendt. Den rumtidsvortex, som den generelle relativitetsteori forudsagde, er tilsyneladende bekræftet.

Hvis Standardmodellen, der repræsenterer en kvantepartikel som et 0D-punkt, fortolkes som naturligt sandt, viser den allerede, at rumtiden er et hav af roterende former, kvanteskum. Stringteoretikere har en tendens til at tro, at naturen er mere elegant, en tro, som loopteoretikeren Lee Smolin afviser som romantisk, mens han bruger biologiens moderne syntese som et retorisk virkemiddel. Eksperimenter med henblik på at påvise tilføjede rumlige dimensioner er indtil videre mislykkedes, men der er stadig mulighed for, at der kan opstå tegn på dem.

Så mange løsninger?

M-teorien har mange trillioner af løsninger. Leonard Susskind, en af lederne af strengteorien, fortolker strengteoriens plasticitet af løsninger som paradoksal støtte til at løse mysteriet om, hvorfor dette univers eksisterer, da M-teorien viser, at det kun er en variant af et generelt mønster, der altid giver omtrentlige resultater.

Den generelle relativitetsteori har ført til mange opdagelser, som i 1915 var så godt som utænkelige, undtagen i fiktion. Einstein-Rosen-broen, som er en løsning på Einsteins ligninger, der søger at forklare kvantepartiklernes dynamik, forudsiger en genvej, der forbinder to fjerntliggende punkter i rumtiden. Einstein-Rosen-broen, der almindeligvis kaldes et ormehul, er betvivlet, men ikke modbevist, hvilket viser enten, at ikke alle konsekvenser af en teori skal være nøjagtige, eller at virkeligheden er ganske bizar på måder, der ikke kan observeres.

Mange verdener

Selv partikelfysikkens standardmodel antyder bizarre muligheder, som populistiske beskrivelser af videnskaben enten udelader eller nævner som uforklarlige kuriositeter. Teorien modtager konventionelt den københavnske fortolkning, hvor feltet kun er muligheder, ingen virkelige, indtil en observatør eller et instrument interagerer med feltet, hvis bølgefunktion så kollapser og kun efterlader partikelfunktionen, og kun partiklerne er virkelige. Men bølgefunktionens kollaps blev blot antaget - hverken eksperimentelt bekræftet eller endog matematisk modelleret - og der er ikke fundet nogen afvigelse fra hverken bølgefunktionen i kvantesfæren eller partikelfunktionen i den klassiske verden.

I 1957 beskrev Hugh Everett sin fortolkning af "Relative tilstand". Everett hævdede, at bølgefunktionen ikke kollapser, og da alt stof og alle vekselvirkninger formodes at være opbygget af kvantebølgepartikler, er alle mulige variationer af kvantefeltet - som angivet af de matematiske ligninger - reelle og samtidig forekommende, men forskellige forløb i historien. Ifølge denne fortolkning slutter alt, hvad der interagerer med feltet, sig til feltets tilstand, der er relativ til observatørens tilstand - selv en bølgeform i sit eget kvantefelt - mens de to simpelthen interagerer i en universel bølgeform, der aldrig kollapser. Mange fysikere fortolker efterhånden den tilsyneladende overgang fra kvante- til det klassiske område ikke som et bølgefunktionskollaps, men som kvantedekohærens.

I dekoherens fører en vekselvirkning med feltet observatøren ind i kun én determinantkonstellation af kvantefeltet, og derfor er alle observationer i overensstemmelse med denne nye, kombinerede kvantetilstand. Everetts tese har inspireret fortolkningen af mange verdener, hvorefter der i vores univers forudsiges at være praktisk talt eller potentielt uendelige parallelle verdener, som er virkelige, men som hver især befinder sig i en meget lille afstand fra de andre verdener. Da hver verdens bølgeform er universel - den kollapser ikke - og dens matematiske relationer er invariante, udfylder de parallelle verdener blot hullerne og berører hinanden ikke.

Mange universer

Einstein tvivlede på, at sorte huller, som forudsagt af Schwarzschild-løsningen, er virkelige. Nogle gætter nu på, at sorte huller ikke eksisterer som sådan, men at de er mørk energi, eller at vores univers er både et sort hul og mørk energi. Schwarzschild-løsningen af Einsteins ligninger kan maksimalt udvides til at forudsige et sort hul med en bagside - et andet univers, der opstår fra et hvidt hul. Måske var vores univers's big bang halvdelen af et big bounce, noget kollapser ned til et sort hul, og vores univers springer ud på den anden side som et hvidt hul.

Partikler er strenge?

Fysikere tvivler i vid udstrækning på, at kvantepartikler virkelig er 0D-punkter som repræsenteret i standardmodellen, som tilbyder formalisme - matematiske enheder, hvis slag forudsiger fænomener af interesse efter indtastning af data - og ikke fortolkning af de mekanismer, der bestemmer disse fænomener. Strengteoretikere har dog en tendens til optimistisk at formode, at strengene er både virkelige og forklarende og ikke blot forudsigelige anordninger. Det ligger langt uden for de nuværende partikelacceleratorers kapacitet at fremdrive nogen prøvepartikler på energiniveauer, der er høje nok til at overvinde en kvantepartikels egen energi og afgøre, om den er en streng. Denne begrænsning gælder dog også for afprøvning af andre teorier om kvantetyngdekraft. Udviklingen tyder på andre strategier til at "observere" kvantepartiklernes struktur.

Paradoksalt nok ville det, selv hvis testning bekræftede, at partikler er energistrenge, stadig ikke endegyldigt bevise, at partikler er strenge, da der kunne være andre forklaringer, måske en uventet forvrængning af rummet, selv om partiklen var et 0D-punkt af ægte soliditet. Selv når forudsigelser lykkes, er der mange mulige forklaringer - problemet med underbestemmelse - og videnskabsfilosoffer såvel som nogle videnskabsmænd accepterer ikke engang fejlfri forudsigelsesmæssig succes som verifikation af den vellykkede teoris forklaringer, hvis disse fremstår som værende videnskabelig realisme, som en sand beskrivelse af den naturlige verden.

Materie er energi?

Snakken om partikelfysikere, der tester teoretiske fysikeres forudsagte partikler ved at lade partikler kollidere i acceleratorer, antyder, at kvantepartikler er små newtonske partikler, som eksperimentalisterne åbner for at afsløre deres struktur. Når to partikler med hver en bestemt masse - målt i form af energi som elektronvolt - kolliderer, kan de i stedet for forenes til en partikel med den kombinerede masse/energi, og den genererede partikel "observeres" for at se, om den stemmer overens med forudsigelsen.

Det er ikke kontroversielt blandt fysikere, at alle partikler er energi. Loop-teoretikere, der nogle gange er i rivalisering med strengteorien, hævder, at rumtiden selv bliver til partikler. At materie er en særlig variant af energi var en konsekvens af Einsteins specielle relativitetsteori, og Einstein formaliserede herefter masse-energi ækvivalensen, E=mc ². Når tilstrækkeligt energirige fotoner støder sammen, kan de kombinere sig og skabe stof-materie-skabelse. Alle partikler har antipartikler, og materieatomer har antiatomer af antimaterie, hvis forening annihilerer partiklerne og materien, mens de efterlader energi.

En inspirerende udvikling er opdagelsen af spejlsymmetri, hvorved Calabi-Yau-rum har tendens til at komme parvis, således at løsninger, der tidligere var vanskelige inden for den ene strengs ekstreme vibrationstilstand, kan løses ved hjælp af spejl Calabi-Yau-rummets geometri i det modsatte område.

Stringteori løses normalt ved hjælp af konform feltteori, en kvantefeltteori i 2D-rummet. Det er bekræftet, at molekyler kan kollapse til 2D. Og elektronen, der længe blev anset for at være en elementarpartikel, deler sig tilsyneladende i tre enheder, der hver for sig bærer elektronens tre frihedsgrader, når de molekyler, der indeholder elektronerne, kanaliseres gennem en 1D-bane.