info@wetenschapsnet.com

Snaartheorie, een mogelijke “theorie van alles”

Wetenschap is voor iedereen

Snaartheorie, een mogelijke “theorie van alles”

Wat is de ware aard van de natuur? Om deze vraag te beantwoorden bedenken we manieren om dit te beschrijven. We testen deze ideeën zodat we weten wat werkt en wat weg moet. Maar hoe meer we leren, hoe raarder deze verhalen lijken. Snaartheorie is hier een voorbeeld van. Een bekend, controversieel en vaak verkeerd begrepen verhaal over de ware aard van de natuur. Waarom hebben we het bedacht en klopt het überhaupt wel?

Om de realiteit van de natuur te begrijpen bekeken we dingen op steeds kleinere schaal, dat zorgde voor verbazing. We ontdekten werelden van kleine diertjes (nu bekend als bacteriën e.d.). Wonderlijke werelden in het stof, dierentuinen vol met bizarre wezens, complexe proteïne robots. Later bleek dat dit alles bestond uit molecuulstructuren. Deze moleculen werden weer opgebouwd door nog kleinere dingen: atomen. We dachten dat we er eindelijk waren, de kleinste schaal van de realiteit. Totdat we ze keihard op elkaar lieten botsen in deeltjesversnellers zoals in CERN en Fermilab. We ontdekten dingen die niet in nog kleinere bouwstenen konden worden verdeeld: subatomaire deeltjes (elementaire deeltjes). Maar nu stonden we voor een probleem, deze deeltjes zijn zo klein dat we ze niet meer (en nog steeds niet) konden zien.

Denk er maar eens over na: wat is kijken eigenlijk?  Om iets te zien hebben we licht nodig. Een elektromagnetische golf. Deze golf raakt een voorwerp en wordt weerkaatst in je oog. Deze golf voert informatie mee over het object waar het vanaf gekaatst wordt zodat je hersenen hiermee een beeld kunnen vormen. Je kunt dus niets zien zonder dat je er op één of andere manier interactie mee hebt. ‘Donker’ is dus niets meer dan een absentie van fotonen (lichtdeeltjes), er wordt dus niks je oog in gekaatst.

Kijken is dus geen probleem voor alledaagse voorwerpen, maar wel voor elementaire deeltjes. Die zijn namelijk zo verschrikkelijk klein dat een elektromagnetische golf te groot is om ze te raken. Zichtbaar licht passeert ze dus zonder enige interactie.

We kunnen dit probleem proberen op te lossen door elektromagnetische golven te creëren met een veel kleinere golflengte, maar een kleinere golflengte betekend meer energie. Dus wanneer we een deeltje raken met een golf die veel energie bevat kaatst het juist de deeltjes weg, en zien we dus alsnog niks.

Door te kijken naar een deeltje veranderen we het. Dus, we kunnen de eigenschappen van elementaire deeltjes niet meten. Dit feit is zo belangrijk dat het een naam heeft: Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Het is de basis van de kwantummechanica.

Dus, hoe ziet een deeltje er uit? We weten het nog niet. Als we ontzettend ons best doen kunnen we een wazige invloedssfeer zien, maar niet de deeltjes zelf. We weten simpelweg dat ze bestaan. Maar als dat waar is, hoe kunnen we dan wetenschappelijke theorieën erover maken? We deden iets waar mensen erg goed in zijn: we kwamen met een nieuw verhaal, een wiskundige fictie.

Het verhaal van het puntdeeltje.

We besloten dat we een deeltje gingen beschouwen als een punt in de ruimte, het heeft dus coördinaten. Vanaf nu noemen we de verticale lijn van een assenstelsel (denk aan grafieken) de y-as, de horizontale lijn de x-as en de dieptelijn de z-as. Dit betekent dat we, net als in ons dagelijks leven, 3 dimensies hebben. We moeten de puntdeeltjes dus een coördinaat geven waarbij 3 plaatsen bekend zijn. Stel je voor dat je met iemand afspreekt, dan geef je ook een coördinaat in 3 dimensies (eigenlijk 4, aangezien je ook vaak een tijdstip benoemt). Elke elektron (een elementair deeltje) is vanaf nu een punt met een definitieve elektrische lading en een definitieve massa. Op deze manier konden natuurkundigen de elektronen definiëren en al hun interacties berekenen. Dit wordt ook wel kwantumveldentheorie genoemd en het lost een behoorlijk aantal fundamentele problemen op. Het hele standaardmodel is erop gebaseerd en datzelfde standaardmodel kan elk experiment dat er ooit gedaan is verklaren, tot nu toe.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica

Sommige kwantumeigenschappen van het elektron zijn bijvoorbeeld getest en zijn zo verschrikkelijk accuraat dat er maar een marge van 0,0000000000002% onzekerheid is. Nauwkeuriger dan dat zijn we bijna nergens over.

Maar, deeltjes zijn eigenlijk helemaal geen punten, maar door ze te beschrijven alsof ze dat wel zijn krijgen we een behoorlijk indrukwekkend en kloppend beeld van het universum. Niet alleen is de theoretische wetenschap hierdoor vooruitgegaan, maar zijn er ook een behoorlijk aantal nieuwe ontdekkingen gedaan en technologieën ontwikkelt die we dagelijks gebruiken.

Maar er is één groot probleem: zwaartekracht. In de kwantumtheorie worden alle natuurkrachten overgebracht door bepaalde deeltjes. Maar volgens Einstein zijn algemene relativiteitstheorie is zwaartekracht niet zoals de andere krachten in het universum. Als het universum een spel is, zijn de deeltjes de acteurs, maar zwaartekracht is het podium. Om het iets makkelijker te verwoorden, is de algemene relativiteit een theorie over geometrie (meetkunde), de geometrie van ruimtetijd zelf. Van afstanden die we met absolute precisie moeten beschrijven (denk maar eens aan de maanlanding e.d.). Maar in de kwantumwereld is er geen absolute meeteenheid, je kunt er afstanden niet met zekerheid bepalen. Dus breekt onze theorie van zwaartekracht op deze schaal, we snappen simpelweg nog niet hoe zwaartekracht zich daar gedraagt. Kortom: zwaartekracht en kwantummechanica werken niet samen.

Toen natuurkundigen probeerden zwaartekracht te introduceren als een nieuw soort deeltje klopte de wiskunde niet meer, en dat is een groot probleem. Als we kwantummechanica en zwaartekracht met elkaar kunnen laten trouwen zouden we de theorie van alles hebben. Erg slimme mensen kwamen met een nieuw verhaal. Ze vroegen zich af: wat is complexer dan een punt? Een lijn of een draad (snaar). En zo werd snaartheorie geboren.

Wat maakt snaartheorie zo elegant?

Snaartheorie beschrijft de verschillende elementaire deeltjes als verschillende vibraties (trillingen) van die snaar. Net als de verschillende vibraties van een vioolsnaar of gitaarsnaar je verschillende noten oplevert, leveren de verschillende vibraties van deze snaren verschillende deeltjes. En het belangrijkste van alles, zo kon zwaartekracht wel worden toegevoegd. Snaartheorie beloofde alle fundamentele natuurkrachten (sterke kernkracht, elektromagnetisme, zwakke kernkracht en zwaartekracht, dat zijn ze, althans, voor zover we weten) in het universum samen te bundelen in één elegant wiskundig model. Dit zorgde uiteraard voor enorm veel enthousiasme en hype. Snaartheorie werd als snel gepromoveerd tot mogelijke theorie van alles. Maar helaas, er zijn nog steeds problemen.

Veel van de wiskunde in de theorie werkt niet in ons universum met maar 3 ruimtelijke dimensies (x, y, z) en 1 tijdsdimensie (ja we leven voor zover we nu weten in een 4 dimensionaal universum). Snaartheorie heeft 10 dimensies nodig om te werken (9 ruimtelijke en 1 tijdsdimensie). Dus gingen theoretische natuurkundigen berekeningen maken in wiskundige model universums om vervolgens te proberen de overige 6 dimensies weg te werken en zo ons eigen universum te beschrijven. Maar tot dusver is dat nog niemand gelukt en is er nog geen voorspelling van snaartheorie bewezen in een experiment. Dus, snaartheorie heeft nog niet de geheimen van het universum aan ons geopenbaard. Je zou nu kunnen zeggen dat snaartheorie totaal zinloos is. Maar wetenschap gaat over experimenteren en voorspellingen. Natuurkunde is gebaseerd op wiskunde, 2+2=4. Dit is waar, hoe je het ook went of keert. De wiskunde in snaartheorie is juist en daarom is snaartheorie nog steeds heel erg handig. Met snaartheorie kunnen we dus alsnog proberen een aantal vragen over kwantumzwaartekracht te beantwoorden die ons al decennialang bezighouden, zoals: hoe werken zwarte gaten en de informatie paradox. Snaartheorie kan ons in de juiste richting wijzen. En zolang theoretische wetenschappers er op die manier naar kijken is het een belangrijk wapen om de ware aard van het universum te ontdekken. Het kan hen helpen nieuwe aspecten van de kwantumwereld te ontrafelen en tevens leidt het tot prachtige wiskunde. Misschien is snaartheorie niet de theorie van alles, maar net zoals het verhaal van het puntdeeltje kan het een extreem handig verhaal zijn om meer te leren over ons universum.

Voor nu kennen we de ware realiteit van ons universum nog niet, maar dat is niet erg. We gaan door met het bedenken van verhalen en ideeën zodat we ooit op een dag het wel weten.

Deel dit bericht:

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , ,

nl_NLDutch
en_GBEnglish nl_NLDutch