I strengteori erstatter små bånd af streng traditionelle subatomære partikler.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af "Dit sted i universet."Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Stringteori håber at være en bogstavelig teori om alting, en enkelt samlende ramme, der forklarer al den mangfoldighed og rigdom, som vi ser i kosmos og i vores partikelkæmpere, fra den måde tyngdekraften opfører sig til uanset hvad der pokker mørk energi er hvorfor elektroner har den masse, de gør. Og selvom det er en potentielt magtfuld idé, som hvis den ikke låses helt vil revolutionere vores forståelse af den fysiske verden, er den aldrig nogensinde blevet testet direkte.
Der har dog været måder at undersøge nogle af de grundlæggende og potentielle konsekvenser af strengteori. Og selvom disse tests ikke kunne bevise strengteori direkte på en eller anden måde, ville de hjælpe med at styrke dens sag. Lad os udforske.
Et forstyrrende problem
Først skal vi dog undersøge, hvorfor strengteori er så svært at teste. Der er to grunde.
Strenge teoriens strenge er overvældende små, menes at være et sted omkring Planck-skalaen, bare 10-34 meter på tværs. Det er langt, langt mindre end noget, vi muligvis kan håbe på at undersøge selv med vores mest præcise instrumenter. Strengene er faktisk så små, at de forekommer os at være punktlignende partikler, såsom elektroner og fotoner og neutroner. Vi kan simpelthen aldrig nogensinde stirre direkte på en streng.
Relateret til denne lillehed er den energiskala, der er nødvendig for at undersøge de regimer, hvor strengteori faktisk betyder noget. I dag har vi to forskellige tilgange til at forklare fire naturkræfter. På den ene side har vi teknikkerne i kvantefeltteori, der giver en mikroskopisk beskrivelse af elektromagnetisme og de to nukleare kræfter. Og på den anden side har vi generel relativitet, som gør det muligt for os at forstå tyngdekraften som bøjning og fordrejning af rumtiden.
For alle tilfælde, som vi direkte kan undersøge, er det fint at bruge det ene eller det andet. Stringteori kommer kun i spil, når vi forsøger at kombinere alle fire kræfter med en enkelt beskrivelse, der kun virkelig betyder noget ved de allerhøjeste energiskalaer - så høje, at vi aldrig nogensinde kunne bygge en maskine til at nå sådanne højder.
Men selv hvis vi kunne udtænke en partikelcollider til direkte at undersøge energierne i kvantetyngdekraften, kunne vi ikke teste strengteori, fordi streng teori endnu ikke er fuldstændig. Det findes ikke. Vi har kun tilnærmelser, som vi håber kommer tæt på den faktiske teori, men vi har ingen idé om, hvor rigtige (eller forkerte) vi er. Så strengteori er ikke engang op til opgaven med at foretage forudsigelser, som vi kan sammenligne med hypotetiske eksperimenter.
Kosmisk blues
Selvom vi ikke kan nå ud til de energier, der kræves i vores partikelcollider for virkelig at tage et dybtgående kig ind i den potentielle verden af strenge, for 13,8 milliarder år siden var hele vores univers en kedel af grundlæggende kræfter. Måske kan vi få nogle stringente indsigter ved at undersøge historien om det store brag.
Et forslag fremsat af strengteoretikere er en anden slags teoretisk streng: den kosmiske streng. Kosmiske strenge er univers-spændende defekter i rumtiden, tilbage fra de tidligste øjeblikke af Big Bang, og de er en temmelig generisk forudsigelse af fysikken i disse epoker fra universet.
Men kosmiske strenge kan også være super-duper-strakte strenge fra strengteori, som normalt er så små, at "mikroskopisk" er for stort af et ord, men er blevet strakt og trukket af den uophørlige udvidelse af universet. Så hvis vi fandt en kosmisk streng flyder rundt derude i kosmos, kunne vi studere den omhyggeligt og kontrollere, om det virkelig er noget, der er forudsagt af strengteori.
Indtil videre er der ikke fundet nogen kosmiske strenge i vores univers.
Stadig er søgningen aktiveret. Hvis vi fandt en kosmisk streng, ville den ikke nødvendigvis validere strengteori - der ville være meget mere arbejde, der skal gøres, både teoretisk og observationsmæssigt, for at adskille strengteoriens forudsigelse fra versionen crack-in-spacetime.
Ikke så supersymmetri
Stadigvis er vi måske i stand til at hente nogle interessante spor, og en af disse spor er supersymmetri. Supersymmetri er en hypotetisk symmetri af naturen, der forbinder alle fermioner (virkelighedens byggeklodser som elektroner og kvarker) med bosonerne (bærerne af kræfterne som gluoner og fotoner) under en enkelt ramme.
Supersymmetri-maskineriet blev først udarbejdet af strengteoretikere, men tog ild som en interessant vej for alle højenergifysikere til potentielt at løse nogle problemer med Standard model og foretage forudsigelser for ny fysik. Inden for strengteori tillader supersymmetri strengene ikke kun at beskrive naturens kræfter, men også byggestenene, hvilket giver denne teori kraften til virkelig at være en teori for alt.
Så hvis vi fandt bevis for supersymmetri, ville det ikke bevise strengteori, men det ville være et stort springbræt.
Vi har ikke fundet noget bevis for supersymmetri.
Det Stor Hadron Collider (LHC) var eksplicit designet til at udforske supersymmetri, eller i det mindste nogle af de enkleste og lettest tilgængelige versioner af supersymmetri, ved at se efter nye partikler forudsagt af teorien. LHC har dukket helt tom op, uden engang en duft af en ny supersymmetrisk partikel, og alle de enkleste supersymmetri-ideer udslettet helt fra kortet.
Og selv om dette negative resultat ikke udelukker strengteori, får det heller ikke det til at se for godt ud.
Vil vi en dag have bevis for endda en af undergrundene eller siderne forudsigelser af strengteori? Det er umuligt at sige. Der blev lagt mange håb om supersymmetri, der hidtil ikke har leveret, og der er stadig spørgsmål om, hvorvidt det er værd at bygge endnu større kæmpere for at prøve at skubbe hårdere på supersymmetri, eller om vi bare skulle give op og prøve noget andet.
- Hvordan universet muligvis kunne have flere dimensioner
- Mystiske partikler, der spyr fra Antarktis, trodser fysik
- Big Bang: Hvad skete der virkelig ved vores universets fødsel?
Lær mere ved at lytte til episoden "Er strengteori værd? (Del 6: Vi burde sandsynligvis teste dette)" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig den iTunes og på Internettet klhttp://www.askaspaceman.com. Tak til 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. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
