Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

strengteorien

Oprindelig forfatter JLPe Seneste forfatter JLPe

Strengteorien. Eksempler på vibrationstilstande af klassiske åbne og lukkede strenge. I kvantestrengteorien er amplitudernes størrelse kvantiseret, og det kræver en energi af størrelsesordenen Planckenergien at ændre vibrationstilstanden. Man kan i dag (2000) ikke opnå så høje energier, og kun de letteste strengtilstande kan studeres. De viser sig som elementarpartikler.

Strengteorien. Eksempler på vibrationstilstande af klassiske åbne og lukkede strenge. I kvantestrengteorien er amplitudernes størrelse kvantiseret, og det kræver en energi af størrelsesordenen Planckenergien at ændre vibrationstilstanden. Man kan i dag (2000) ikke opnå så høje energier, og kun de letteste strengtilstande kan studeres. De viser sig som elementarpartikler.

strengteorien, superstrengteorien, fra 1995 også benævnt M-teorien, fysisk teori, der tilstræber en sammenhængende forståelse af stof og naturlove, herunder en sammenkædning af Einsteins almene relativitetsteori og kvantemekanikken.

Navnet refererer til, at elementarpartiklerne i teorien antages at fremkomme som forskellige svingningstilstande i endimensionale strenglignende objekter. Teorien fremkom ca. 1970 og er studeret intenst siden 1984 og især siden 1995, tidspunkter, der betegnes som tidspunkterne for "de to strengrevolutioner". Teorien er en matematisk tankebygning, som ikke er endeligt afklaret, og som foreløbig ikke kan efterprøves af eksperimenter.

Den fundamentale fysiks problemstillinger i begyndelsen af 2000-t.

Den specielle relativitetsteori (ikke at forveksle med den almene relativitetsteori) og kvantemekanikken medfører i forening, at stof og stråling danner felter, hvis kvanter er elementarpartikler. Vor nuværende forståelse, som er udtrykt i standardmodellen, bygger på kvantefeltteorier af en type, der kaldes gauge-teorier. Efter denne model er stof opbygget af leptoner og kvarker, der af grunde, som standardmodellen dog ikke kan forklare, optræder i tre generationer med analoge egenskaber. Naturkræfterne bæres af gauge-bosoner, som er fotoner, gluoner samt W+-partikler, W--partikler og Z0-partikler. Gauge-bosoner er som udgangspunkt masseløse, men W- og Z-partiklerne fremstår alligevel med ret høje masser som følge af den såkaldte Higgs-mekanisme.

Annonce

Standardmodellen rejser en række uafklarede spørgsmål. Mest fremtrædende er spørgsmålet om den særstilling, som gravitationskraften har i forhold til de øvrige naturkræfter. Gravitationen er beskrevet af den almene relativitetsteori, der ikke i sig selv kan forenes med kvanteteorien. De to teorier synes tilsammen at forlange, at der ved energier større end Planck-energien (se Planck-skalaen og kvantestigen) må optræde helt nye, endnu ukendte naturkræfter. Der er her tale om energistørrelser, der er ca. 1016 gange over de højeste energier, vi kan frembringe i partikelacceleratorer. Det kan derfor synes uden praktisk betydning, at der ved så høje energier forekommer nye fænomener, men det viser, at standardmodellen ikke kan give en fuldstændig forståelse af naturfænomenerne.

Der er et andet problem, som knytter sig til standardmodellen. Modellen synes at påtvinge indførsel af kvantekorrektioner af størrelsesorden som Planck-massen til elementarpartiklernes masser. Men elementarpartiklerne har masser, der er uhyre meget mindre end Planck-massen. En ofte fremført forklaring på dette misforhold er, at naturlovene ved passende høje energier udviser supersymmetri, hvilket bl.a. betyder, at hver partikel har en partner, fermioner en bosonpartner, og bosoner en fermionpartner. Fx ville en kvark derved få sin masse korrigeret af kvantefluktuationer fra begge partikeltyper med bidrag af modsat fortegn. Supersymmetri medfører endvidere et interessant bud på partikler, der kunne forklare universets såkaldte mørke stof (se kosmologi). Der findes imidlertid også andre scenarier, der kan forklare fraværet af meget store massekorrektioner og mørkt stof, uden at supersymmetri bliver en del af forklaringen.

Der er forhåbninger til, at strengteorien, som er en supersymmetrisk teori, kan afklare såvel de nævnte som mange andre problemer.

Den tidlige strengperiode, 1968-84

Strengteorien opstod uventet under forsøg på at forstå de stærke kernekræfter mellem mesoner. I 1968 fandt italieneren G. Veneziano en matematisk model for et specialtilfælde, og i 1970 indså danskeren H. Bech Nielsen, japaneren Nambu Yoichiro og amerikaneren L. Susskind (f. 1940) uafhængigt af hinanden, at matematikken i denne model udgjorde en teori for kvantestrenge med en bestemt strengspænding. Strengene kan vibrere, og de forskellige vibrationstilstande viser sig som særskilte elementarpartikler med vidt forskellige masser. Fortolkningen på dette tidlige tidspunkt var, at strengspændingen var relateret til typiske hadronmasser (se elementarpartikler).

Billedet med strenge vil kun vise sig ved energier langt over en energi relateret til strengspændingen, og højst overraskende fandtes der strengtilstande med massen nul og spin 0, 1 og 2 (i enheder af ℏ, Plancks konstant divideret med 2π). Mesoner med disse egenskaber eksisterer ikke, så teorien blev næsten opgivet. I 1972 opdagede man imidlertid, at de strengtilstande, der har masse nul og spin 1, vekselvirker præcist med hinanden, som gauge-bosoner vekselvirker med leptoner og kvarker, samt at tilstande med masse nul og spin 2 vekselvirker præcist, som tyngdefeltets kvanter (gravitoner) forlanges at gøre det efter den almene relativitetsteori. Det var en stor triumf for den tidlige strengteori, at man ved lave energier mirakuløst fandt vekselvirkninger som nøjagtigt forlangt af gauge-teorier og almen relativitetsteori. Nyere forskning tyder på, at sådanne masse nul-partikler med spin 1 og spin 2 nødvendigvis må opføre sig sådan. Ikke desto mindre var det yderst bemærkelsesværdigt, at strengteorien på denne måde dels indeholder hele den almene relativitetsteori (som en tilnærmelse ved energier meget lavere end Planck-energien), dels som den perfekte kvanteteori, strengteorien er, således forener almen relativitetsteori og kvanteteori. Foreningen mellem almen relativitetsteori og kvanteteori, der jo ikke umiddelbart er mulig, beror på, at der ved meget høje energier i strengteorien optræder mange korrektioner til den rene almene relativitetsteori. I den nye fortolkning af teorien antages strengspændingen at være uhyre meget større end i den oprindelige fortolkning, måske af en størrelsesorden som Planck-skalaen. De nye naturkræfter, som forekommer ved og over Planck-energien, er i strengteorien båret af strengtilstande, der selv har masser i en størrelse svarende til Planck-massen. I denne nye fortolkning er det ikke hadronerne, der formodes at svare til kvantiserede strengtilstande, men i stedet de langt mere fundamentale kvarker, leptoner og gaugebosoner.

Strengteorien. M-teori er den overordnede kvanteteori, som menes at ligge til grund for strengteorien. Tegningen viser skematisk, hvordan M-teorien i visse grænser reducerer til de fem kendte strengteorier (de udgør hjørner af M-teori). De fem strengteorier, IIA, IIB, I (SO(32)), Heterotisk (SO(32)) og Heterotisk (E8×E8), er angivet ved deres videnskabelige navne. SO(32) og E8×E8 refererer til visse kendte matematiske grupper. En sjette grænse (opdaget 1995) udgøres af en klassisk 11-dimensional supergravitationsteori.

Strengteorien. M-teori er den overordnede kvanteteori, som menes at ligge til grund for strengteorien. Tegningen viser skematisk, hvordan M-teorien i visse grænser reducerer til de fem kendte strengteorier (de udgør hjørner af M-teori). De fem strengteorier, IIA, IIB, I (SO(32)), Heterotisk (SO(32)) og Heterotisk (E8×E8), er angivet ved deres videnskabelige navne. SO(32) og E8×E8 refererer til visse kendte matematiske grupper. En sjette grænse (opdaget 1995) udgøres af en klassisk 11-dimensional supergravitationsteori.

Den simpleste kvantestreng havde flere mærkelige egenskaber. Den krævede en verden med 25 rumdimensioner og 1 tidsdimension, men selv her var den totalt ustabil og måtte tilsyneladende opgives, om end denne såkaldte bosoniske strengteori synes at spille en mere indirekte interessant rolle. En modificeret "superstreng", der også indeholder fermioner, blev foreslået i 1971. Den løste en del, om end langtfra alle problemer.

Den første strengrevolution, 1984-1995

Et gennembrud kom i 1984 med flere forslag til superstrengteorier. De fleste viste sig at være matematisk meningsløse, men der var fem teorier, som i princippet gav mening i rum med en tidimensional rumtid (ni rumdimensioner og en tidsdimension), nemlig med ni ligeberettigede rumdimensioner uden opkrølning af nogen af dem. Disse fem teorier er meget forskellige, men har de fællestræk, at de er supersymmetriske, indeholder gravitoner og har en masseløs partikel med spin 0, som kaldes dilatonen. Den spiller en nøglerolle i teorien, idet den er bestemmende for styrken af strengenes vekselvirkning (strengkoblingen).

Det virker umiddelbart besynderligt, at verden ifølge strengteorien har ti rum-tid-dimensioner og ikke de fire, som vi er vant til. Det har imidlertid vist sig, at flere eller færre, specielt fx at seks af de ni rumdimensioner, kan være sammenkrøllede, så de ikke kan iagttages ved de energier, vi nu kan frembringe. Hvordan denne sammenkrølning forekommer, er endnu ikke forklaret. Særlige matematiske og meget stringente krav måtte stilles til sammenkrølninger, der ville medføre supersymmetri (ved lave energier i forhold til strengspændingen, men formentlig store energier i forhold til de eksperimenter, der hidtil har kunnet udføres). En interessant konsekvens af visse sammenkrølninger er, at der automatisk opstår de tidligere omtalte fermion-generationer. Man har fundet sammenkrølninger, der næsten — men ikke helt — beskriver standardmodellen.

Den anden strengrevolution, fra 1995

Fra 1995 er en forbløffende, ny forståelse af strengteorien begyndt at tage form. En ledende kraft i denne udvikling var E. Witten, der sammenfattede og videreudviklede resultater af flere andre fysikere. Det nye aspekt ved forståelsen baserer sig på såkaldte dualiteter, matematiske transformationer, der godtgør, at der er præcise forbindelser mellem de tilsyneladende forskellige strengteorier. Disse transformationer baserer sig på forskellige mulige sammenkrølninger af visse af rumdimensionerne. Der er måske endda fremtvunget en dybere forståelse af selve kvanteteorien. Et berømt træk ved denne kendes som partikel-bølge-dualitet. I en kvantefeltteori viser partikel-bølge-dualitet sig ved, at en sådan teori har to vidt forskellige klassiske grænser: I én grænse er den næsten en klassisk feltteori, og i en anden næsten en klassisk partikelteori. I strengteorien findes ikke blot disse, men talrige andre lignende dualiteter, hvis konsekvens er, at den fælles underliggende teori har uhyre mange klassiske grænser, hvoriblandt de oprindelige fem strengteorier befinder sig. Det er indtil videre næsten kun i visse matematisk definerede omegne af disse klassiske grænser, vi ved, hvordan teorien skal formuleres. Det må anses som et yderst vigtigt fjernere forskningsmål at nå frem til en mere tilfredsstillende fælles formulering. En særligt overraskende sådan grænse viste sig at stemme overens med en tidligere formuleret såkaldt supergravitationsteori med en unik formulering i 11 rum-tid-dimensioner. Denne forende teori, hvis præcise matematiske beskrivelse altså indtil videre kun er sporadisk forstået, omtales undertiden som M-teori.

Strengteorien. En af teorierne, der studeres i strengteorien, er en 11-dimensional supergravitationsteori; de syv ekstra dimensioner forestiller man sig så sammenkrøllede, at de ikke kan iagttages. Her ses en membran (2-bran) i den 11-dimensionale rumtid foldet omkring en cirkel, der udgør en opkrøllet rumdimension. 2-branen vil da optræde som et sugerørlignende objekt. I grænsen, hvor sugerørets radius, R, er meget lille, vil det opføre sig akkurat som en streng i type IIA-strengteorien. Membranen har givet navn til M-teori.

Strengteorien. En af teorierne, der studeres i strengteorien, er en 11-dimensional supergravitationsteori; de syv ekstra dimensioner forestiller man sig så sammenkrøllede, at de ikke kan iagttages. Her ses en membran (2-bran) i den 11-dimensionale rumtid foldet omkring en cirkel, der udgør en opkrøllet rumdimension. 2-branen vil da optræde som et sugerørlignende objekt. I grænsen, hvor sugerørets radius, R, er meget lille, vil det opføre sig akkurat som en streng i type IIA-strengteorien. Membranen har givet navn til M-teori.

Et afgørende led i den nye forståelse af teorien var opdagelsen af ikke-pertubative objekter, som generaliserer den endimensionale streng til flere dimensioner, således todimensionale membraner (2-braner), tredimensionale objekter (3-braner) osv. Strengtilstande i én bestemt strengteori kan for store strengkoblinger optræde som brantilstande i en anden strengteori med en lille strengkobling. I M-teoriens 11-dimensionale grænse findes 2-braner og 5-braner. Tænker man sig en af M-teoriens ti rumdimensioner sammenkrøllet på en cirkel med radius R, vil 2-braner foldet om denne dimension optræde som "sugerør". Når R bliver meget lille, og sugerøret derfor tyndt, vil det minde om en streng. Der er fremført overbevisende argumenter for, at der herved netop opstår en af de fem kendte strengteorier.

For en særlig klasse af braner (D-braner) vil flere kunne lægge sig oven i hinanden. Deres fysik minder i en vis grad om gauge-teorierne i standardmodellen, som derved får kastet nyt lys over flere af sine mest dunkle aspekter.

Herved er opstået en helt ny måde at forholde sig til strengteoriens/M-teoriens mange dimensioner. Ud over sammenkrølning kan det tænkes, at disse D-braner, specielt flere oven i hinanden, kan optræde som kandidater for vores univers med tre rumdimensioner. I et sådant billede er standardmodellens kvarker, leptoner og gauge-bosoner låst til vores kendte tre rumdimensioner, nemlig som åbne strenge, der begynder og slutter på en D-bran. Gravitonen (kvantet for tyngdekræfter), derimod, optræder som en lukket streng, der kan bevæge sig i alle dimensioner. Herved kan det tænkes, at eksperimentelle signaler baseret på gravitoner, der forlader vores dimensioner, ville kunne observeres, og sådanne mulige begivenheder indgår i forsøgsprogrammer ved CERN. En nærmere og detaljeret analyse af alle de mulige scenarier for sammenkrølninger af dimensioner og forskellige roller for D-brankonfigurationer er blevet forsøgt. Det viser sig, at der synes at være et i praksis uendeligt antal sådanne muligheder. Mængden af alle disse muligheder omtales som ”streng-landskabet” (The String Landscape). Hver mulighed (hvert punkt i streng-landskabet) svarer til en bestemt slags univers med sine egne helt særlige naturlove. Langt de fleste sådanne universer ville ikke kunne føre til dannelsen at stjerner og galakser og dermed til dannelse af liv. Den nærmere fortolkning af dette højst forvirrende resultat er uklar. Flere forskellige og stærkt omdiskuterede muligheder er fremført. Det vides ikke, om man engang vil kunne finde et princip, der vil udvælge et bestemt punkt i landskabet, eller om man kunne forestille sig alle muligheder realiseret som såkaldte paralleluniverser. Vi ville så kunne tænkes at befinde os i et af de (formodentlig relativt få) universer, hvor liv var muligt. Men der er fremført stærkt kritiske til dels filosofiske argumenter imod en sådan fortolkning.

En interessant udvikling inden for M-teori fandt sted i 1997 med et arbejde af T. Banks (f. 1949), W. Fischler (f. 1949), S. Shenker (f. 1953) og L. Susskind. Disse fysikere tog udgangspunkt i den almene relativitetsteoris forståelse af rum-tid, ikke som en passiv scene, hvorpå de fysiske fænomener udspiller sig, men i stedet som en del af fysikkens dynamik og altså som noget, der ifølge kvanteteorien selv skal beskrives med kvantevariable. De formulerede derfor en matematisk model, hvor rumdimensioner er erstattet af såkaldte matricer, matematiske objekter, som ofte benyttes i kvanteteorien. De var i stand til at vise, at i en vis lavenergetisk grænse nærmede denne model sig til den ovenfor omtalte 11-dimensionale supergravitation, og dermed repræsenterer modellen endnu en særlig grænse af M-teori. Modellen er ydermere interessant ved at kaste et skitseagtigt lys over, hvordan rum og tid må tænkes beskrevet i en endelig formulering af kvantegravitation. Afgørende her er en erkendelse af, at rum og tid, som vi kender det, må ses som fænomener, der kun har en mening i den klassiske grænse, som den almene relativitetsteori beskæftiger sig med, men at rum og tid må formodes helt at miste deres begrebsmæssige mening under omstændigheder, hvor kvantegravitation bliver betydningsfuld, som fx ved universets begyndelse med big bang.

En uhyre interessant yderligere udvikling blev påbegyndt med et arbejde af J. Maldacena (f. 1968) i 1997, et arbejde, som siden er blevet en af de mest citerede fysiske artikler. Her opstillede Maldacena en formodning om en højst overraskende forbindelse mellem på den ene side en kvantestreng i et særligt valgt 10-dimensionalt rum og på den anden side en kvantefeltteori i fire rum-tid-dimensioner. Formodningen forudså en eksakt matematisk ækvivalens mellem disse to tilsyneladende umådeligt forskellige teorier. Formodningen er endnu ikke endeligt bevist, men det har været muligt at bevise den i mange højst ikke-trivielle specialtilfælde. Det overraskende forhold, at en teori med gravitationskræfter (fx Maldacenas strengteori i 10 dimensioner) har en matematisk ækvivalent beskrivelse i færre dimensioner (fx den nævnte 4-dimensionale kvantefeltteori), omtales undertiden som ”det holografiske princip”.

Denne sammenhæng har fungeret som et frugtbart teoretisk laboratorium til forståelse af en række endnu uløste problemer. For det første kaster forståelsen et helt nyt lys over spørgsmålet om en forening af gravitationskræfter (beskrevet af almen relativitetsteori) og kvanteteori. Den 10-dimensionale formulering af Maldacenas forslag indeholder således en hel kvante-streng-teori og dermed også kvantegravitation. Men i den 4-dimensionale formulering optræder gravitationen ikke direkte. Ikke desto mindre findes alle dens fænomener skjult i teorien, og en sådan kvantefeltteori er i princippet forstået.

For det andet kaster Maldacenas formodning yderligere lys over visse gådefulde forhold i selve standardmodellen. Specielt skulle den såkaldte QCD-del af standardmodellen (se elementarpartikler) forklare, hvordan fx kvarker kobler sig sammen og danner de observerede elementarpartikler, der kaldes hadroner, og hvoraf protonen og neutronen er de kendteste. Et andet, men beslægtet spørgsmål er, hvad der sker, når tunge atomkerner støder mod hinanden ved meget høje energier, og kvarker og gluoner derved kortvarigt næsten frigøres. Eksperimenter, der delvist eftergør forholdene i det meget tidlige univers, tyder på, at kvarkerne og gluonerne danner en stoffase, der minder mere om en væske end om en plasma, som det ellers først blev formodet. Man har tidligere kun kunnet nærme sig en forståelse af sådanne forhold ved hjælp af gigantiske computersimuleringer af QCD-teorien. En passende variant af Maldacenas model synes at kaste lys over forholdene.

Endnu mere overraskende er det måske, at modellen og variationer af den tilsyneladende også kan kaste lys over forhold i helt andre dele af fysikken såsom faste stoffers fysik, herunder et fænomen som superledning ved høje temperaturer.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jens Lyng Petersen: strengteorien i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 16. november 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=165800