Kosmologika - Kvantgravitation

Lagarna för den s k kvantgravitationen tros av många att vara den slutgiltiga beskrivningen av naturen på grundläggande nivå. Kvantgravitation är, som namnet antyder, en teori som sammanfogar kvantmekaniken (mera exakt kvantfältteorin) och gravitationen som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin. Kvantgravitationen kan alltså med ett och samma fysikaliska ramverk beskriva både naturen på mikroskopiska avståndsskalor, där suddigheten i Heisenbergs osäkerhetsprincip räddar oss från oändligheter när avstånden går mot noll, och på väldigt stora avståndsskalor (kosmologi) samt vid extremt kompakta objekt (främst svarta hål) när gravitationen dominerar vid hastigheter som är i närheten av ljusets i vakuum.

Vilka olika fysikaliska teorier som behövs i situationer då fysiken blir extrem på olika sätt (Courtesy Centre for research in string theory at Queen Mary University of London)

Kub över vilka teorier som beskriver naturen vid olika förhållanden. Kvantgravitationen klarar extrema massor, hastigheter och energier på små avståndsskalor samtidigt i samma regelverk. (Courtesy stringswww.ph.qmw.ac.uk)

Efter sina framgångar med speciella och allmänna relativitetsteorin sökte Albert Einstein (1879-1955) på 1930- till 50-talet efter en sådan teori. Einstein var dock, med facit i hand, för tidigt ute, använde fel tillvägagångssätt och underskattade problemets svårighetsgrad gravt. Vid tidpunkten för Einsteins död var kvantfältteorin, som beskriver naturen på bästa möjliga sätt på mikroskopiska avståndsskalor, långt ifrån färdigutvecklad vilket är ett krav för en ä nnu mer vittspännande teori.

I slutet av 1960-talet upptäcktes ett nytt sätt att beskriva fysik. Denna visade sig bestå av vibrerande strängar som antingen är öppna eller slutna. Den s k strängteorin har sedan dess varierat i perioder mellan att vara ett väldigt populärt forskningsområde och ett ganska dött område. Anledningen till detta är att, till skillnad från vid utvecklandet av bl a relativitetsteorin, så finns inte de lämpliga matematiska verktygen färdigutvecklade och det är inte möjligt att genomföra experiment som verifierar eller leder till teoretiska delresultat. Strängteori har av dessa anledningar beskrivits som en del av fysiken från 2000-talet som av misstag har hamnat på 1900-talet. Fysikerna som sysslar med strängteori är därför ofta ledande matematiker som försöker utveckla dessa verktyg utan möjlighet till verifikation genom praktiska experiment. Det är alltså minst sagt svårt och tar lång tid att komma till nya väsentliga resultat.

Strängteorin har alltså visat sig vara den rätta teorin för att beskriva kvantgravitationen. Under höjdpunkterna i strängteorins drygt 35 år långa historia så har vetenskapsmännen kommit fram till att strängteorin är supersymmetrisk och, som enda teori, kräver att gravitationen existerar. Numera har strängarna till viss del ersatts av (mem-)bran med två till tio dimensioner.

Kvantgravitation

Sammanfattning av strängteorin

Teorin heter strängteori eftersom fysiken utgörs av endimensionella strängar som svänger på olika sätt.
Beroende på hur strängen svänger så utgör de olika partiklar.
Strängteorins största upptäckt är att en av dessa svängningar utgör gravitationen. Strängteori, som från början beskrev fysik på mikroskopisk nivå, kräver alltså som första teori samtidigt att gravitation existerar.
Strängar kan vara öppna eller slutna och kan växla mellan dessa tillstånd.
Förutom tiden och de tre vanliga rumsdimensionerna så förutsäger strängteorin ytterligare sex stycken ihoprullade dimensioner som beskrivs av Calabi-Yau former.
De framgångsrika versionerna av strängteorin är supersymmetriska och förutsäger att samtliga partiklar har en supersymmetrisk partner. Strängteori heter alltså egentligen supersträngteori.
Det finns fem stycken varianter av strängteori som var och en har olika egenskaper. De är sex stycken med den punktbaserade supergravitationsteorin.
Dessa fem varianter är identiska när ytterligare en elfte dimension introduceras och strängarna skippas till förmån för (mem-)bran.

Fortsätt nu upptäcktsfärden om strängteorin efter denna kompakta sammanfattning genom att studera hur många av nutidens största vetenskapsmän inom den moderna naturvetenskapen håller på att ta fram teorin om dessa strängar i Strängteorins korta historia.