I strengteori erstatter små biter av streng tradisjonelle subatomære partikler.
Paul M. Sutter er en astrofysiker ved SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vert for Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av "Din plass i universet."Sutter bidro denne artikkelen til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Stringteori håper å være en bokstavelig teori om alt, et enkelt samlende rammeverk som forklarer all variasjonen og rikdommen som vi ser i kosmos og i partikkeloppsamlerne våre, fra måten tyngdekraften oppfører seg til uansett pokker mørk energi er grunnen til at elektronene har massen som de gjør. Og selv om det er en potensielt mektig idé, som hvis den ikke låses fullstendig vil revolusjonere vår forståelse av den fysiske verden, har den aldri noen gang blitt testet direkte.
Det har imidlertid vært måter å utforske noen av underbunnene og potensielle konsekvensene av strengteori. Og selv om disse testene ikke vil bevise strengteori direkte på en eller annen måte, ville de hjelpe med å styrke saken. La oss utforske.
Et forstyrrende problem
Først må vi imidlertid undersøke hvorfor strengteori er så vanskelig å teste. Det er to grunner.
Strengene i strengteori er overveldende små, antatt å være et sted rundt Planck-skalaen, bare 10-34 meter over. Det er langt, langt mindre enn noe vi muligens kan håpe å undersøke selv med våre mest presise instrumenter. Strengene er faktisk så små at de ser ut til å være punktlignende partikler, for eksempel elektroner og fotoner og nøytroner. Vi kan ganske enkelt aldri stirre på en streng direkte.
Relatert til den lille er energiskalaen som er nødvendig for å undersøke de regimene der strengteori faktisk betyr noe. Per i dag har vi to forskjellige tilnærminger for å forklare fire naturkrefter. På den ene siden har vi teknikkene i kvantefeltteori, som gir en mikroskopisk beskrivelse av elektromagnetisme og de to kjernekreftene. Og på den andre har vi generell relativitet, som gjør at vi kan forstå tyngdekraften som bøying og forvrengning av romtid.
For alle tilfeller som vi direkte kan undersøke, er det fint å bruke det ene eller det andre. Strengteori kommer først inn når vi prøver å kombinere alle de fire kreftene med en enkelt beskrivelse, som bare betyr noe på de aller høyeste energiskalaer - så høye at vi aldri noen gang kunne bygge en maskin for å nå slike høyder.
Men selv om vi kunne tenke ut en partikkeloppsamler for å direkte undersøke energiene til kvantetyngdekraften, kunne vi ikke teste strengteori, fordi streng teori ennå ikke er fullstendig. Det eksisterer ikke. Vi har bare tilnærminger som vi håper kommer i nærheten av selve teorien, men vi aner ikke hvor rett (eller galt) vi er. Så strengteori er ikke engang opp til oppgaven å lage spådommer som vi kan sammenligne med hypotetiske eksperimenter.
Kosmisk blues
Selv om vi ikke kan nå energiene som trengs i våre partikkeloppsamlere for å virkelig ta en dyptgående titt på strengenees potensielle verden, for 13,8 milliarder år siden var hele vårt univers en kull av grunnleggende krefter. Kanskje vi kan få noen streng innsikt ved å se på historien til det store smellet.
Et forslag fremsatt av strengteoretikerne er en annen type teoretisk streng: den kosmiske strengen. Kosmiske strenger er universalspennende defekter i romtiden, igjen fra de tidligste øyeblikkene av Big Bang, og de er en ganske generisk prediksjon av fysikken i disse epokene fra universet.
Men kosmiske strenger kan også være super-duper-utstrakte strenger fra strengteori, som vanligvis er så små at "mikroskopisk" er for stort av et ord, men har blitt strukket og trukket av den kontinuerlige utvidelsen av universet. Så hvis vi fant en kosmisk streng som flyter rundt der ute i kosmos, kan vi studere den nøye og sjekke om det virkelig er noe som er spådd av strengteori.
Til dags dato har ingen kosmiske strenger blitt funnet i vårt univers.
Fortsatt er søket på. Hvis vi fant en kosmisk streng, ville den ikke nødvendigvis validere strengteori - det ville være mye mer arbeid som måtte gjøres, både teoretisk og observasjonsmessig, for å skille ut spenningsteoripediksjonen fra crack-in-space-versjonen.
Ikke så supersymmetri
Likevel kan vi være i stand til å finne noen interessante ledetråder, og en av disse ledetrådene er supersymmetri. Supersymmetry er en hypoteset symmetri av naturen som forbinder alle fermionene (virkelighetens byggesteiner som elektroner og kvarker) med bosonene (bærerne av kreftene som gluoner og fotoner) under en enkelt ramme.
Maskinene til supersymmetri ble først utarbeidet av strengteoretikere, men tok fyr som en interessant mulighet for alle høysenergifysikere for potensielt å løse noen problemer med Standard modell og komme med spådommer for ny fysikk. Innen strengteori lar supersymmetri strengene beskrive ikke bare naturkreftene, men også byggesteinene, noe som gir den teorien kraften til å virkelig være en teori for alt.
Så hvis vi fant bevis for supersymmetri, ville det ikke bevise strengteori, men det ville være en viktig springbrett.
Vi har ikke funnet bevis for supersymmetri.
De Stor Hadron Collider (LHC) ble eksplisitt designet for å utforske supersymmetri, eller i det minste noen av de enkleste og enklest tilgjengelige versjonene av supersymmetri, ved å se etter nye partikler som er forutsagt av teorien. LHC har dukket opp helt tom, uten engang en piff av en ny supersymmetrisk partikkel, og tørket alle de enkleste supersymmetri-ideene helt fra kartet.
Og selv om dette negative resultatet ikke utelukker strengteori, får det heller ikke det til å se for flott ut.
Vil vi en dag ha bevis for til og med en av underpinnene eller sidespådommene til strengteori? Det er umulig å si. Det ble lagt mye håp om supersymmetri, som så langt ikke har klart å levere, og det gjenstår spørsmål om det er verdt det å bygge enda større kollidere for å prøve å presse hardere på supersymmetri, eller om vi bare skulle gi opp og prøve noe annet.
- Hvordan universet muligens kan ha flere dimensjoner
- Mystiske partikler som spyr fra Antarktis, trosser fysikk
- The Big Bang: Hva skjedde egentlig ved universets fødsel?
Lær mer ved å lytte til episoden "Er strengteori verdt det? (Del 6: Vi bør sannsynligvis teste dette)" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes og på nettet klhttp://www.askaspaceman.com. Takk 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 spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
