Hvordan universet muligvis kan have flere dimensioner

Strengteori er en påstået teori om alting, som fysikere håber, at den en dag vil forklare … alting.

Alle kræfter, alle partikler, alle konstanter, alle ting under et enkelt teoretisk tag, hvor alt det, vi ser, er resultatet af små, vibrerende strenge. Teoretikere har arbejdet med ideen siden 1960’erne, og en af de første ting, de indså, var, at for at teorien kan fungere, skal der være flere dimensioner end de fire, vi er vant til.

Men den ide er ikke så skør, som den lyder.

Relateret: Alternativer til Big Bang-teorien forklaret (infografik)

Dimensionel katastrofe

I strengteorien manifesterer små sløjfer af vibrerende strenghed (i teorien er de virkelighedens fundamentale objekt) sig som de forskellige partikler (elektroner, kvarker, neutrinos osv.) og som naturens kraftbærere (fotoner, gluoner, gravitoner osv.). Den måde, hvorpå de gør dette, er gennem deres vibrationer. Hver streng er så lille, at den for os ikke fremstår som andet end en punktlignende partikel, men hver streng kan vibrere med forskellige tilstande, på samme måde som man kan få forskellige toner ud af en guitarstreng.

Denne enkelte vibrationstilstand menes at relatere til en anden slags partikel. Så alle de strenge, der vibrerer på én måde, ligner elektroner, alle de strenge, der vibrerer på en anden måde, ligner fotoner og så videre. Det, vi ser som partikelkollisioner, er ifølge strengteorien en masse strenge, der smelter sammen og skilles ad.

Men for at matematikken kan fungere, skal der være mere end fire dimensioner i vores univers. Det skyldes, at vores sædvanlige rumtid ikke giver strengene nok “plads” til at vibrere på alle de måder, de har brug for, for fuldt ud at kunne udtrykke sig som alle de forskellige slags partikler, der findes i verden. De er simpelthen for begrænsede.

Med andre ord vugger strengene ikke bare, de vugger hyperdimensionalt.

De nuværende versioner af strengteorien kræver 10 dimensioner i alt, mens en endnu mere hypotetisk über-strengteori, kendt som M-teori, kræver 11. Men når vi ser os omkring i universet, ser vi altid kun de sædvanlige tre rumlige dimensioner plus tidsdimensionen. Vi er ret sikre på, at hvis universet havde mere end fire dimensioner, ville vi have bemærket det nu.

Hvordan kan strengteoriens krav om ekstra dimensioner overhovedet forenes med vores daglige oplevelser i universet?

Sammenkrøllet og kompakt

Godt nok kunne strengteoretikerne pege på en historisk forløber for dette tilsyneladende radikale begreb.

Tilbage i 1919, kort efter at Albert Einstein havde offentliggjort sin generelle relativitetsteori, legede matematikeren og fysikeren Theodor Kaluza for sjov med ligningerne. Og han fandt noget særligt interessant, da han tilføjede en femte dimension til ligningerne – der skete ingenting. Relativitetsligningerne er egentlig ligeglade med antallet af dimensioner; det er noget, man er nødt til at tilføje for at gøre teorien anvendelig i vores univers.

Men så tilføjede Kaluza en særlig drejning til denne femte dimension, idet han fik den til at vikle sig om sig selv i det, han kaldte “cylinderbetingelsen”. Denne betingelse fik noget nyt til at springe ud: Kaluza genfandt de sædvanlige ligninger for den generelle relativitetsteori i de sædvanlige fire dimensioner plus en ny ligning, der replicerede udtrykkene for elektromagnetisme.

Det så ud til, at tilføjelsen af dimensioner potentielt kunne forene fysikken.

Set i bakspejlet var det lidt af en afledningsmanøvre.

Selvfølgelig forsøgte en anden fysiker, Oskar Klein, et par årtier senere at give Kaluzas idé en fortolkning i form af kvantemekanikken. Han fandt ud af, at hvis denne femte dimension eksisterede og på en eller anden måde var ansvarlig for elektromagnetismen, så måtte den dimension være skrabet sammen og vikle sig tilbage om sig selv (ligesom i Kaluzas oprindelige idé), men meget mindre, ned til blot 10^-35 meter.

Strengteoriens mange manifolds

Hvis en ekstra dimension (eller dimensioner) virkelig er så lille, så ville vi ikke have opdaget det nu. Den er så lille, at vi umuligt kunne håbe på at undersøge den direkte med vores højenergi-eksperimenter. Og hvis disse dimensioner er viklet ind i sig selv, så hver gang man bevæger sig rundt i det firedimensionelle rum, omsejler man i virkeligheden disse ekstra dimensioner milliarder og atter milliarder af gange.

Og det er de dimensioner, hvor strengene i strengteorien bor.

Med yderligere matematisk indsigt fandt man ud af, at de ekstra seks rumlige dimensioner, der er nødvendige i strengteorien, skal være viklet ind i et særligt sæt af konfigurationer, kendt som Calabi-Yao manifolder efter to fremtrædende fysikere. Men der er ikke én unik manifold, der er tilladt i strengteorien.

Der er omkring 10^200.000.

Det viser sig, at når man har brug for seks dimensioner til at krølle sig ind i sig selv, og man giver dem næsten alle mulige måder at gøre det på, så … summer det op.

Det er mange forskellige måder at pakke de ekstra dimensioner ind i sig selv på. Og hver mulig konfiguration vil påvirke de måder, som strengene indeni dem vibrerer på. Da de måder, som strengene vibrerer på, bestemmer, hvordan de opfører sig heroppe i den makroskopiske verden, fører hvert valg af manifold til et særskilt univers med sit eget sæt af fysik.

Så kun én manifold kan give anledning til den verden, som vi oplever den. Men hvilken?

Det kan strengteorien desværre ikke give os et svar på, i hvert fald ikke endnu. Problemet er, at strengteorien ikke er færdig – vi har kun forskellige tilnærmelsesmetoder, som vi håber at komme tæt på det virkelige, men lige nu har vi ingen anelse om, hvor ret vi har. Så vi har ingen matematisk teknologi til at følge kæden, fra specifik manifold til specifik strengvibration til universets fysik.

Svaret fra strengteoretikerne er noget, der kaldes Landskabet, et multiversum af alle mulige universer, der forudsiges af de forskellige manifolds, med vores univers som blot ét punkt blandt mange.

Og det er der, hvor strengteorien befinder sig i dag, et sted på Landscape.

• Einsteins relativitetsteori forklaret (infografik)
• Billeder:
• Hvad er det næste for kosmologien efter den skelsættende opdagelse af gravitationsbølger?

Paul M. Sutter er astrofysiker ved SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært på Ask a Spaceman og Space Radio og forfatter til Your Place in the Universe.

Læs mere ved at lytte til episoden “Is string theory worth it? (Del 3: Dimension er skæbnen)” i podcasten Ask A Spaceman, der er tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak 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 de spørgsmål, der førte til denne artikel! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved at bruge #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.

Følg os på Twitter @Spacedotcom og på Facebook.