Strängteori

Wikipedia

Strängteori är en modell inom fysiken som ämnar beskriva materiens allra minsta byggstenar. De fundamentala byggstenarna inom strängteorin är endimensionella, dvs. de har en rumslig utsträckning till skillnad från tidigare fysikaliska modeller som baserades på punktlika (noll-dimensionella) partiklar. Genom att använda denna modell kan fysiker undvika vissa problem som annars uppkommer. Djupare studier av strängteorier har visat att strängteorier beskriver inte bara strängar utan också andra objekt, både punktlika objekt och objekt med högre dimensionalitet, så kallade bran (eng. branes). Som kommer att framgå nedan har strängteori ännu inte fått experimentell bekräftelse – inga förutsägelser som direkt kan testas experimentellt har kunnat göras.

Strängteorin har som ett mål att lösa ett av de stora problemen inom teoretisk fysik: att förena kvantmekaniken med den allmänna relativitetsteorin. Kvantmekaniken är nödvändig för att beskriva fysik på mycket små avstånd och har hittills kunnat användas för att beskriva tre av de fyra fundamentala naturkrafterna: den elektromagnetiska kraften och de starka och svaga kärnkrafterna. Den allmänna relativitetsteorin däremot är en klassisk (icke kvantmekanisk) teori som beskriver den resterande kraften, gravitationen, men när man försöker formulera en kvantmekanisk version av teorin på samma sätt som man gör för de andra krafterna får man inte en rimlig teori.

Termen strängteori avsåg ursprungligen de 26-dimensionella bosoniska strängteorierna (bosonic string theories), men senare inkluderades även de 10-dimensionella supersträngteorierna, som fås genom att supersymmetri läggs till bilden. (Med en 26- eller 10-dimensionell teori menas här antalet rumstidsdimensioner.) Numera avser "strängteori" oftast supersträngteori, medan den äldre modellen kallas "bosonisk strängteori". På 1990-talet upptäckte bland andra Edward Witten förhållanden som starkt talar för att de olika supersträngteorierna är olika specialfall av en hittills okänd 11-dimensionell teori kallad M-teori. Dessa upptäckter gav upphov till vad som kallas den andra supersträngrevolutionen.

Det stora intresset för supersträngteorier kommer alltså till stor del av hoppet att med dessa få till stånd en teori som förklarar allting. Supersträngar kan förklara kvantgravitation och dessutom kan man beskriva de andra naturkrafterna och fermioner, materiens byggstenar. Det är ännu inte känt om strängteori kan beskriva ett universum med exakt de krafter och partiklar vi kan iakttaga, dvs. de olika fält som utgör partikelfysikens Standardmodell. Det är heller inte klart hur mycket frihet att välja dessa detaljer som teorin tillåter – om strängteorin ska fungera som en teori för allting måste den kunna komma fram till Standardmodellen som en unik teori.

På ett mer konkret plan har strängteorier lett till framsteg inom matematiken för topologi, algebraisk geometri, differentialgeometri, representationsteori för grupper, knutar, Calabi-Yau-rum och flera andra fält. En betydande del av matematikens senare framsteg har sin grund i strängteori. Strängteori har också lett till förbättrad insikt i supersymmetrisk gauge-teori, och har genom den så kallade AdS/CFT-dualiteten lett till möjligheter att studera gaugeteorier vid stark koppling.

Innehåll 1 Extra dimensioner 2 Problem med strängteorier 3 Se även 4 Litteratur 4.1 Engelskspråkig populärlitteratur 4.2 Läroböcker 4.3 Externa länkar

[redigera] Extra dimensioner

En intressant egenskap hos strängteorier är att de förutsäger hur många dimensioner universum ska ha. Ingenting i Maxwells elektromagnetiska teorier eller Einsteins relativitetsteorier gör sådana förutsägelser; dessa teorier förutsätter att iakttagaren "fyller i" antalet dimensioner "för hand".

Strängteorier däremot låter en beräkna antalet dimensioner utifrån grundpremisser. Tekniskt sett kommer detta av att Lorenzinvariansen endast kan uppfyllas för vissa antal av dimensioner. Detta är ungefär som att säga "om en iakttagare mäter sträcka mellan två punkter och sedan vrids med någon vinkel och mäter sträckan igen, så kommer avståndet att vara detsamma vid båda mättillfällena bara om universum har något av vissa antal dimensioner".

Huvudproblemet visar sig vara att universum inte alls har de väntade fyra dimensionerna – tre i rummet och en tidsaxel – utan 10 eller 11. Mer exakt har bosoniska strängteorier 26 dimensioner, medan supersträngar och M-teorier visar sig innehålla 10 eller 11 dimensioner.

Detta verkar gå stick i stäv med iakttagbara fakta. Fysiker använder i huvudsak två olika sätt för att hantera detta problem. Det första är att kompaktifiera extradimensionerna – med andra ord, de 6 eller 7 extra dimensionerna är så små att de inte kan upptäckas. För 6 dimensioner används Calabi-Yau-rymder. För 7 dimensioner kallas de G₂-mångfalder. I korthet "kompaktifieras" de extra dimensionerna genom att de kortsluts med sig själva.

En vanlig liknelse för kompaktifiering är att likna ett mångdimensionellt rum med en trädgårdsslang. Betraktad från tillräckligt stort avstånd verkar den ha bara en dimension, sin längd. Denna dimension motsvarar våra vanliga iakttagbara fyra dimensioner. Om man däremot närmar sig trädgårdsslangen kommer man att upptäcka en andra dimension, slangens omkrets. Denna "extradimension" kan bara iakttas från tillräckligt nära håll, precis som extradimensionerna i ett Calabi-Yau-rum bara är synliga på extremt litet avstånd och därför inte enkelt upptäcks. Den svenske fysikern Oskar Klein hade redan på 1920-talet arbetat med en extra femte dimension för att beskriva Maxwells ekvationer.

En verklig trädgårdsslang har naturligtvis fler dimensioner (tre rumsliga) men för liknelsens skull bortser vi från dessa och betraktar istället bara dimensioner på slangens yta. En punkt på ytan kan anges med två parametrar, avstånd på slangens längd och position på omkretsen, precis som en punkt på jordens yta kan anges med longitud och latitud. I bägge fallen säger vi därför att objektet har två rumsliga dimensioner.

En annan möjlighet är att vi befinner oss i en "3+1-dimensionell underrymd" till universum, där man skriver "3+1" för att visa att tiden är en annan typ av dimension än rumsdimensionerna. Eftersom den här teorin använder sig av objekt som kallas "D-branes" ("D-bran" på svenska) (en ordlek, av membrane, membran) kallas den "braneworld"-teorin. En intressant bieffekt av den teorin är att om den är sann borde den kunna möjliggöra (men inte alls säkert förutsäga eller nödvändiggöra) observation av kvantgravitationseffekter, och det på en nivå som borde kunna observeras på CERNs Large Hadron Collider i Geneve, vilken ska stå klar 2007. Trots möjligheten är det inte många som tror att önskningen kommer att infrias.

Oavsett detta borde gravitation som verkar i dessa dolda dimensioner producera andra, icke-gravitationskrafter, som till exempel elektromagnetism. I princip är det därför möjligt att härleda de extra dimensionernas beskaffenhet genom att kräva konsistens med standardmodellen men ännu är detta inte praktiskt genomförbart.

[redigera] Problem med strängteorier

Strängteorier lider av två svagheter. Det första problemet är att precis som alla nuvarande teorier om kvantgravitation kan strängteori ännu inte göra förutsägelser som kan kontrolleras i experiment (teorin är inte falsifierbar eftersom mänskligheten inte uppfunnit teknologi som kan göra observationer av strängar, vilka sägs ha en längd av ungefär 10^-35 meter). Det finns modeller, som ovan nämnda braneworlds, som skulle kunna möjliggöra observation av strängars beteende någon gång under det kommande årtiondet, men det rör sig bara om en möjlighet och är inte ett tvingande bevis som verifierar strängars existens. Andra möjligheter är kosmologiska observationer som kan avspegla strängfysiska fenomen. Slutligen kan man inte utesluta att andra möjligheter uppkommer i framtiden.

Det andra problemet är att, liksom fallet är med kvantfältsteori, teorierna än så länge bara formulerats ungefärligt. Det finns alltså ingen exakt lösning.

[redigera] Se även

• Slingkvantgravitation
• Högenergiastrofysik

[redigera] Litteratur

[redigera] Engelskspråkig populärlitteratur

• Davies, Paul, och Julian R. Brown. Superstrings: A Theory of Everything?. Cambridge University Press (1988). ISBN 0-521-43775-X.
• Greene, Brian, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, W.W. Norton & Company; Nyutgåva (2003) ISBN 0-393-05858-1.
• Gribbin, John, The Search for Superstrings, Symmetry, and the Theory of Everything. London, Great Britain: Little Brown and Company (1998). ISBN 0-316-32975-4.
• Kaku, Michio, Hyperspace: A Scientific Odyssey Through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension. New York, Oxford University Press (1994). ISBN 0-195-08514-0.
• Leonard Susskind, Cosmic Landscape: String theory and the illusion of intelligent design. Little, Brown (2005). ISBN 0316155799.
• Woit, Peter, Not Even Wrong - The Failure of String Theory And the Search for Unity in Physical Law. Random House, 290 (2006). ISBN 0-224-07605-1

[redigera] Läroböcker

• Green, Michael, John Schwarz and Edward Witten, Superstring theory, Cambridge University Press (1987).
  • Vol. 1: Introduction, ISBN 0-521-35752-7.
  • Vol. 2: Loop amplitudes, anomalies and phenomenology, ISBN 0-521-35753-5.
• Johnson, Clifford, D-branes, Cambridge University Press (2003). ISBN 0-521-80912-6.
• Polchinski, Joseph, String Theory, Cambridge University Press (1998). En modern lärobok.
  • Vol. 1: An introduction to the bosonic string, ISBN 0-521-63303-6.
  • Vol. 2: Superstring theory and beyond, ISBN 0-521-63304-4.
• Zwiebach, Barton. A First Course in String Theory. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83143-1.

[redigera] Externa länkar

• Sagan om strängen
• Superstringtheory.com - En populärguide på nätet.
• The Elegant Universe - NOVA-documentär av Brian Greene. Texter, bilder, video och animering som förklarar strängteori.
• The Symphony of Everything: en kort introduction till strängteori.
• SCI.physics.STRINGS - Nyhetsgrupp om strängteori
• Resource Letter - Handledning till litteraturen för den som studerar strängteori.