In de snaartheorie vervangen kleine stukjes touw traditionele subatomaire deeltjes.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij SUNY Stony Brook en het Flatiron Institute, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van "Jouw plaats in het universum.'Sutter heeft dit artikel bijgedragen Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Snaartheorie hoopt een letterlijke theorie van alles te zijn, een enkel verenigend raamwerk dat alle variëteit en rijkdom verklaart die we in de kosmos en in onze deeltjesbotsers zien, van de manier waarop de zwaartekracht zich gedraagt tot wat dan ook donkere energie is waarom elektronen de massa hebben die ze hebben. En hoewel het een potentieel krachtig idee is dat, als het wordt ontgrendeld, ons begrip van de fysieke wereld volledig zal veranderen, is het nooit rechtstreeks getest.
Er zijn echter manieren geweest om enkele van de onderbouwingen en mogelijke gevolgen van te onderzoeken snaartheorie. En hoewel deze tests de snaartheorie op de een of andere manier niet direct zouden bewijzen, zouden ze de zaak helpen versterken. Laten we onderzoeken.
Een storend probleem
Maar eerst moeten we onderzoeken waarom snaartheorie zo moeilijk te testen is. Er zijn twee redenen.
De snaren van de snaartheorie zijn verbluffend klein, vermoedelijk ergens rond de Planck-schaal, een kale 10-34 meter doorsnee. Dat is veel, veel kleiner dan alles wat we kunnen hopen, zelfs met onze meest nauwkeurige instrumenten. De snaren zijn zelfs zo klein dat ze ons lijken op puntachtige deeltjes, zoals elektronen en fotonen en neutronen. We kunnen simpelweg nooit rechtstreeks naar een snaar staren.
Gerelateerd aan die kleinheid is de energieschaal die nodig is om de regimes te onderzoeken waar snaartheorie er echt toe doet. Vanaf vandaag hebben we twee verschillende benaderingen om de vier natuurkrachten. Enerzijds hebben we de technieken van de kwantumveldentheorie, die een microscopische beschrijving geven van het elektromagnetisme en de twee kernkrachten. En aan de andere kant hebben we algemene relativiteit, waardoor we de zwaartekracht kunnen begrijpen als het buigen en kromtrekken van de ruimtetijd.
In alle gevallen die we direct kunnen onderzoeken, is het gebruik van de een of de ander prima. De snaartheorie speelt pas een rol wanneer we alle vier de krachten proberen te combineren met een enkele beschrijving, die alleen echt van belang is op de allerhoogste energieschalen - zo hoog dat we nooit een machine kunnen bouwen om zulke hoogten te bereiken.
Maar zelfs als we een deeltjesbotser zouden kunnen bedenken om de energieën van de kwantumzwaartekracht rechtstreeks te onderzoeken, konden we de snaartheorie niet testen, omdat de snaartheorie vooralsnog niet compleet is. Het bestaat niet. We hebben alleen benaderingen waarvan we hopen dat ze in de buurt komen van de feitelijke theorie, maar we hebben geen idee hoe goed (of fout) we zijn. De snaartheorie is dus niet eens de taak om voorspellingen te doen die we kunnen vergelijken met hypothetische experimenten.
Kosmische blues
Ook al kunnen we de energieën die nodig zijn in onze deeltjesbotsers niet bereiken om echt een diepgaande blik te werpen in de potentiële wereld van snaren, 13,8 miljard jaar geleden was ons hele universum een ketel van fundamentele krachten. Misschien kunnen we wat stringente inzichten krijgen door de geschiedenis van te bekijken de oerknal.
Een suggestie van de snaartheoretici is een ander soort theoretische snaar: de kosmische snaar. Kosmische snaren zijn universum-omvattende defecten in ruimtetijd, overgebleven vanaf de vroegste momenten van de oerknal, en ze zijn een vrij algemene voorspelling van de fysica van die tijdperken van het heelal.
Maar kosmische snaren kunnen ook super-duper-uitgerekte snaren zijn uit de snaartheorie, die meestal zo klein zijn dat 'microscopisch' een te groot woord is, maar zijn uitgerekt en getrokken door de onophoudelijke uitdijing van het universum. Dus als we een kosmische snaar rondzweven in de kosmos, kunnen we die zorgvuldig bestuderen en controleren of het echt iets is dat door de snaartheorie wordt voorspeld.
Tot op heden zijn er in ons universum geen kosmische snaren gevonden.
Toch is de zoektocht aan de gang. Als we een kosmische snaar zouden vinden, zou dit niet noodzakelijk de snaartheorie valideren - er zou veel meer werk moeten worden gedaan, zowel theoretisch als observationeel, om de voorspelling van de snaartheorie te onderscheiden van de crack-in-spacetime-versie.
Niet zo supersymmetrie
Toch kunnen we misschien enkele interessante aanwijzingen oppikken, en een van die aanwijzingen is supersymmetrie. Supersymmetrie is een veronderstelde symmetrie van de natuur die alle fermionen (de bouwstenen van de werkelijkheid zoals elektronen en quarks) met de bosonen (de dragers van de krachten zoals gluonen en fotonen) verbindt onder een enkel raamwerk.
Het mechanisme van supersymmetrie werd voor het eerst uitgewerkt door snaartheoretici, maar nam vuur aan als een interessante manier voor alle energetische fysici om een aantal problemen met de Standaard model en voorspellingen doen voor nieuwe fysica. Binnen de snaartheorie stelt supersymmetrie de snaren in staat om niet alleen de krachten van de natuur te beschrijven, maar ook de bouwstenen, waardoor die theorie de kracht krijgt om echt een theorie van alles te zijn.
Dus als we bewijs zouden vinden voor supersymmetrie, zou het geen snaartheorie zijn, maar het zou een belangrijke springplank zijn.
We hebben geen bewijs gevonden voor supersymmetrie.
De Large Hadron Collider (LHC) is expliciet ontworpen om supersymmetrie te verkennen, of op zijn minst enkele van de eenvoudigste en gemakkelijkst te bereiken versies van supersymmetrie, door te zoeken naar nieuwe deeltjes die door de theorie worden voorspeld. De LHC is helemaal leeg opgedoken, zonder zelfs maar een vleugje van een nieuw supersymmetrisch deeltje, waardoor alle eenvoudigste supersymmetrie-ideeën volledig van de kaart zijn geveegd.
En hoewel dit negatieve resultaat de snaartheorie niet uitsluit, zorgt het er ook niet voor dat het er te goed uitziet.
Zullen we ooit bewijs hebben voor zelfs maar een van de onderbouwingen of nevenvoorspellingen van de snaartheorie? Het is onmogelijk te zeggen. Er was veel hoop gevestigd op supersymmetrie, die tot nu toe niet is uitgekomen, en er blijven vragen over of het de moeite waard is om nog grotere botsers te bouwen om harder te proberen supersymmetrie te pushen, of dat we gewoon moeten opgeven en iets anders moeten proberen.
- Hoe het universum mogelijk meer dimensies zou kunnen hebben
- Mysterieuze deeltjes die uit Antarctica spuwen, tarten de natuurkunde
- The Big Bang: Wat is er werkelijk gebeurd bij de geboorte van ons universum?
Lees meer door naar de aflevering te luisteren "Is snaartheorie het waard? (Deel 6: we zouden dit waarschijnlijk moeten testen)" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op het web ophttp://www.askaspaceman.com. Met dank aan John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter.
