En af de vigtigste kandidater til en teori om alting er strengteori eller dens mere generaliserede version, M-teori. Men det giver en forudsigelse af, at vi næppe nogensinde vil være i stand til at verificere - skjulte, komprimerede dimensioner.
Stringteori forsøger ikke kun at kombinere kvantemekanik med generel relativitet, men også at forklare spektret af partikler og kræfter observeret i naturen. I den seneste formulering af teorien - matrixteori - er der 11 dimensioner. Dens talsmænd har været udsat for et af de største problemer med strengteorier - forklarer hvordan de ekstra dimensioner er "komprimeret", hvilket gør dem umulige at observere i vores firedimensionelle verden. Komprimering klargør også de mest interessante egenskaber ved teorien.
Stringteori siger, at verden består af utroligt små vibrerende strenge i ti-dimensionel rumtid. I 1995, under den anden superstringrevolution, foreslog Edward Witten M-teori, der kombinerede alle fem forskellige typer strengteori. Dette er en 11-dimensionel teori, der inkluderer overgravitet. Der er ikke et enkelt svar blandt forskere på, hvad "M" betyder i navnet, men mange teoretikere er enige om, at dette brev betyder "membraner", da teorien indeholder vibrerende overflader i flere forskellige dimensioner. M-teori mangler nøjagtige bevægelsesligninger, men i 1996 foreslog Tom Banks fra Rutgers University og hans kolleger en beskrivelse af den som en "matrixteori", hvis grundlæggende variabler er matrix.
At komprimere denne 11-dimensionelle teori til fire ændringer var på ingen måde let. At komprimere bogstaveligt betyder at "rulle op" de ekstra dimensioner af en teori til meget små dimensioner. For eksempel at folde to dimensioner, tag en donut - eller en torus (det er en to-dimensionel overflade) - og komprimere den til en cirkel eller sløjfe med et lille tværsnit, og komprimér derefter loopen til et punkt. Uden en tilstrækkelig følsom sonde, der kunne registrere "klemte" målinger, ser denne løkke endimensionel ud, mens punktet er nul-dimensionelt. I M-teori antages det, at vi taler om størrelser i størrelsesordenen 10-33 centimeter, som igen på ingen måde kan registreres med moderne udstyr. Det viser sig, at efter komprimering af syv dimensioner ser verden omkring os fire-dimensionelt ud.
Edward Witten / Quanta Magazine / Jean Sweep.
Men hvad er en dimension i sig selv? Intuitivt kan det se ud til, at hver dimension er en uafhængig retning, hvor vi (eller ethvert objekt) kan bevæge os. Så det viser sig, at vi lever i tre rumlige dimensioner - "fremad-bagud", "venstre-højre" og "op-ned" - og én gang - "fortid-fremtid". Generelt er dette fire dimensioner. Men vores opfattelse af dimensioner er tæt bundet til skalaer.
Forestil dig, at du ser et skib sejle fra en afstand til havnen. Først ser det ud som et nulpunkt i horisonten. Efter et stykke tid indser du, at den har en mast, der peger mod himlen: nu ser den ud som en endimensionel linje. Så bemærker du dets sejl - og objektet ser allerede todimensionalt ud. Når skibet kommer tættere på kajen, bemærker du endelig, at det har et langt dæk - den tredje dimension.
Der er ikke noget mærkeligt i dette såvel som i det faktum, at en donut, reduceret til en utrolig størrelse, ser ud til at være et nul-dimensionelt punkt. Pointen er, at vi ikke er i stand til at bestemme målinger fra lange afstande. Dette fører logisk til det, der blev beskrevet ovenfor: der kan være andre dimensioner, men de er så små, at vi ikke opfatter dem.
Salgsfremmende video:
Lad os gå tilbage til komprimering af målinger. Forestil dig, at du er et egern, der bor på en uendelig lang trestamme. På en eller anden måde er en træstamme en cylinder. Du kan bevæge dig i to uafhængige retninger - "sammen" og "rundt". Når du keder dig, flytter du til et træ med en tyndere bagagerum, hvis omkreds er meget mindre. Nu er din 'omkring'-dimension meget mindre end før. Du har kun brug for to trin for at omgå tønden helt. Du hopper til et endnu tyndere træ. Nu, på et trin, skal du pakke tønden hundrede gange! "Omkring" -dimensionen er blevet for lille til, at du kan se det. Jo tyndere træstammerne bliver, jo mere reduceres dimensioner af din verden til en.
Jo mindre træet et egern springer på, jo mindre er dimensionen "omkring", i hvilken det kan bevæge sig, og som det kan opfatte / WhyStringTheory.com
Dette er nøjagtigt hvad der sker i strengteori med seks (syv for M-teori) ekstra dimensioner. Hver gang du bevæger dig gennem rummet, drejer du rundt om de skjulte dimensioner utroligt mange gange.
Som nævnt ovenfor er dimensionerne på de komprimerede målinger i størrelsesordenen 10-33 centimeter, hvilket er sammenligneligt med Planck-længden (1,6x10-33 centimeter). Det skal bemærkes, at det er usandsynligt, at vi i den nærmeste fremtid vil have mulighed for direkte at registrere dem eksperimentelt. Ikke desto mindre håber forskere på nogle test, hvis resultater dog stort set afhænger af en vellykket kombination af omstændigheder.
Formen og størrelsen på strengene er ekstremt vigtig for at simulere deres vibrationer og interaktion. Du er nødt til at forstå, hvordan de snor sig rundt i de seks sammenkapslede dimensioner. Den nøjagtige struktur af overfladen dannet ved komprimering ændrer fysikken, der er drevet af strengene.
Der er flere måder, hvorpå de ekstra dimensioner kan foldes ind i et så lille rum. Det er imidlertid endnu ikke kendt, hvilken af disse metoder, der i sidste ende fører til traditionel fysik.
Der er tidligere gjort mange forsøg på at komprimere matrixteori ved hjælp af en seksdimensionel toroid, men intet er kommet ud af det. Ingen troede, at det angiveligt vanskeligere komprimeringsproblem med Calabi-Yau-manifolder ville give brugbare løsninger til en arbejdsteori. Komprimering af dimensioner med Calabi-Yau-manifolds undgår nogle af komplikationerne af matrixteori.
Nuværende forskning i strengteori handler mere om Calabi-Yau-manifolds. Dette er bestemt en lovende gruppe af komprimeringer, men der er stadig ikke et klart svar, og antallet af opdagede manifolder er allerede steget til 10 (til magten på 500), som en af strengteoretikerne Brian Green for nylig påpegede i en podcast af Sean Carroll.
Seks-dimensionelle Calabi-manifolds - Yau / Vimeo / Graphene.
Stringsteoretikere er stadig langt fra en klar og utvetydig forståelse af, om M-teori faktisk beskriver verden på de mindste skalaer. Som Edward Witten bemærkede: "Det er utroligt, hvordan du kan opbygge en teori, der inkluderer tyngdekraft, men som oprindeligt kun var baseret på gauge-teori."
Stringteori er et komplekst matematisk apparat. Som Clifford Johnson og Brian Greene påpegede i vores magasininterviews, er det svært at sige, at denne teori faktisk beskriver virkeligheden. Men selv hvis det viser sig, at det ikke har noget at gøre med virkeligheden, vil det bestemt være et vigtigt skridt i retning af noget større - mod en teori, der beskriver universet mere nøjagtigt og mere elegant end noget, vi vidste før.
Vladimir Guillen