Hvad er strengteori? En forklaring uden formler

Fysikken har to fantastisk succesfulde teorier, der ikke vil tale sammen. Kvantefysikken beskriver atomer, lys og elementarpartikler. Den generelle relativitetsteori beskriver tyngdekraft, planeters baner og universets udvidelse. Hver for sig er de testet med enorm præcision. Men i de situationer, hvor begge er vigtige – i centrum af et sort hul eller i de første øjeblikke efter Big Bang – giver regnestykkerne meningsløse, uendelige resultater.

Strengteori er det mest udforskede forsøg på at bygge bro. Her er en forklaring uden ligninger.

Grundidéen: Strenge i stedet for punkter

I standardmodellen for partikelfysik er elektroner, kvarker og andre elementarpartikler matematiske punkter uden udstrækning. Strengteorien foreslår i stedet, at de mindste byggesten er ufatteligt små, endimensionelle "strenge" – enten åbne stykker eller lukkede løkker.

Ligesom en guitarstreng kan svinge på forskellige måder og give forskellige toner, kan en fundamental streng svinge i forskellige mønstre. Hvert svingningsmønster ville vise sig for os som en bestemt partikel med bestemt masse og ladning. En elektron og en kvark ville altså ikke være forskellige ting, men forskellige "toner" på den samme slags streng.

Strengene er så små – i størrelsesordenen Planck-længden, omkring 10⁻³⁵ meter – at ingen eksisterende eller planlagt maskine kan se dem direkte.

Tyngdekraften dukker op af sig selv

Det, der for alvor gjorde fysikere begejstrede i 1970'erne og 80'erne, var, at et af strengens svingningsmønstre har netop de egenskaber, man forventer af gravitonen – den hypotetiske partikel, der bærer tyngdekraften. Teorien er ikke designet til at indeholde tyngdekraft; den kræver den. Samtidig ser strengteori ud til at undgå de uendeligheder, der plager andre forsøg på at kvantisere tyngdekraften.

Hvorfor ekstra dimensioner?

En af de mest overraskende konsekvenser er, at teorien kun hænger matematisk sammen, hvis rummet har flere dimensioner end de tre, vi kender. Superstrengteori kræver ti dimensioner i alt: ni rumlige og én tid.

Hvor er de ekstra seks så? Det almindelige svar er, at de er "krøllet sammen" så tæt, at vi ikke kan mærke dem. Forestil dig en haveslange set på lang afstand: Den ligner en linje (én dimension). Tæt på opdager en myre, at den også kan gå rundt om slangen – en lille, sammenrullet ekstra dimension. Formen af de sammenrullede dimensioner (ofte såkaldte Calabi–Yau-rum) ville bestemme, hvilke partikler og naturkræfter vi ser.

Fem teorier – og så M-teori

I 1980'erne fandt man ud af, at der ikke var én, men fem forskellige, konsistente strengteorier. Det var lidt pinligt for en teori, der skulle være den fundamentale beskrivelse af naturen.

I 1995 foreslog den amerikanske fysiker Edward Witten, at de fem teorier er forskellige grænsetilfælde af én underliggende teori i elleve dimensioner, som fik navnet M-teori. Hvad M står for, har aldrig været fastlagt – forslag spænder fra "membran" til "mystery". M-teori indeholder ikke kun strenge, men også flerdimensionelle objekter kaldet braner. Ingen kender endnu den fulde formulering af M-teori.

Landskabet: Et problem eller en pointe?

Der er et enormt antal måder at krølle de ekstra dimensioner sammen på. Et ofte nævnt estimat er 10⁵⁰⁰ mulige løsninger – hver svarende til et univers med sine egne naturkonstanter. Dette kaldes strenglandskabet.

Nogle fysikere ser det som et alvorligt problem: Hvis teorien tillader næsten alt, forudsiger den intet konkret. Andre kombinerer landskabet med evig inflation og argumenterer for, at mange af løsningerne faktisk eksisterer som separate områder i et multivers – og at vi naturligt befinder os i et af de få, der tillader liv.

Hvad har strengteori givet os?

Selv uden eksperimentel bekræftelse har strengteori haft stor indflydelse:

• Holografi: Den såkaldte AdS/CFT-korrespondance (Juan Maldacena, 1997) viser, at visse teorier med tyngdekraft svarer præcist til teorier uden tyngdekraft på deres "rand". Idéen bruges nu også i studier af sorte huller og stof under ekstreme forhold.
• Sorte hullers entropi: I visse forenklede tilfælde har strengteori kunnet tælle de mikroskopiske tilstande i et sort hul og genskabe den entropi, som Bekenstein og Hawking forudsagde.
• Matematik: Teorien har inspireret ny forskning i geometri og topologi.

Kritikken

Strengteori har i over 40 år ikke leveret en forudsigelse, der er bekræftet ved et eksperiment. Partikelacceleratoren LHC ved CERN har ikke fundet tegn på supersymmetri, som mange strengteoretikere havde håbet på. Kritikere mener, at feltet har fået for meget opmærksomhed i forhold til alternativer som loop-kvantetyngdekraft. Tilhængere svarer, at teorien stadig er den mest lovende ramme, og at det kan tage lang tid at finde de rigtige tests.

Opsummering

Begreb	Kort forklaring
Streng	Bittesmå svingende tråde, der erstatter punktpartikler
Graviton	Tyngdekraftens partikel – opstår naturligt i teorien
10 dimensioner	Krævet af superstrengteori; seks er sammenrullede
M-teori	Foreslået samlende teori i 11 dimensioner (1995)
Landskabet	Et enormt antal mulige løsninger/universer

Strengteori er altså et ambitiøst, matematisk rigt bud på en "teori for alt" – men endnu ikke en bekræftet beskrivelse af naturen. Læs mere om baggrunden på vores side om kvantefysik.