Hur universum kan ha fler dimensioner

Strängteori är en påstådd teori om allting som fysiker hoppas att den en dag ska förklara … allting.

Alla krafter, alla partiklar, alla konstanter, allt under ett enda teoretiskt tak, där allt vi ser är resultatet av små, vibrerande strängar. Teoretiker har arbetat med idén sedan 1960-talet, och en av de första sakerna de insåg är att för att teorin ska fungera måste det finnas fler dimensioner än de fyra som vi är vana vid.

Men den idén är inte så galen som den låter.

Relaterat: I strängteorin manifesteras små slingor av vibrerande strängighet (i teorin är de verklighetens grundläggande objekt) som de olika partiklarna (elektroner, kvarkar, neutrinos etc.) och som naturens kraftbärare (fotoner, gluoner, gravitoner etc.). Det sätt på vilket de gör detta är genom sina vibrationer. Varje sträng är så liten att den för oss inte framstår som något annat än en punktliknande partikel, men varje sträng kan vibrera med olika lägen, på samma sätt som man kan få fram olika toner ur en gitarrsträng.

Varje vibrationsläge tros hänga samman med en annan sorts partikel. Så alla strängar som vibrerar på ett sätt ser ut som elektroner, alla strängar som vibrerar på ett annat sätt ser ut som fotoner och så vidare. Det vi ser som partikelkollisioner är enligt strängteorin ett gäng strängar som smälter samman och delas upp.

Men för att matematiken ska fungera måste det finnas fler än fyra dimensioner i vårt universum. Detta beror på att vår vanliga rumtid inte ger strängarna tillräckligt med ”utrymme” för att vibrera på alla de sätt som de behöver för att fullt ut kunna uttrycka sig som alla sorters partiklar i världen. De är helt enkelt för begränsade.

Med andra ord, strängarna vickar inte bara, de vickar hyperdimensionellt.

Aktuella versioner av strängteorin kräver totalt 10 dimensioner, medan en ännu mer hypotetisk über-strängteori, känd som M-teori, kräver 11 dimensioner. Men när vi ser oss omkring i universum ser vi alltid bara de vanliga tre rumsliga dimensionerna plus tidsdimensionen. Vi är ganska säkra på att om universum hade fler än fyra dimensioner skulle vi ha märkt det vid det här laget.

Hur kan strängteorins krav på extra dimensioner möjligen förenas med våra vardagliga upplevelser i universum?

Krystat och kompakt

Tacksamt nog kunde strängteoretikerna peka på en historisk föregångare till denna till synes radikala föreställning.

Redan 1919, strax efter att Albert Einstein publicerat sin allmänna relativitetsteori, lekte matematikern och fysikern Theodor Kaluza med ekvationerna, bara för skojs skull. Och han upptäckte något särskilt intressant när han lade till en femte dimension till ekvationerna – ingenting hände. Relativitetsekvationerna bryr sig egentligen inte om antalet dimensioner; det är något man måste lägga till för att teorin ska kunna tillämpas på vårt universum.

Men sedan lade Kaluza till en speciell vridning till den femte dimensionen och lät den slingra sig runt sig själv i vad han kallade ”cylindervillkoret”. Detta villkor fick något nytt att dyka upp: Kaluza återfann de vanliga ekvationerna i den allmänna relativitetsteorin i de vanliga fyra dimensionerna, plus en ny ekvation som replikerade elektromagnetismens uttryck.

Det såg ut som om man genom att lägga till dimensioner potentiellt skulle kunna förena fysiken.

I efterhand var detta lite av en röd tråd.

Sedan ett par decennier senare försökte en annan fysiker, Oskar Klein, ge Kaluzas idé en tolkning i termer av kvantmekanik. Han fann att om denna femte dimension existerade och på något sätt var ansvarig för elektromagnetismen, så måste den dimensionen vara skruvad och slingra sig tillbaka runt sig själv (precis som i Kaluzas ursprungliga idé), men mycket mindre, ner till blotta 10^-35 meter.

Strängteorins många manifest

Om en extra dimension (eller dimensioner) verkligen är så liten, skulle vi inte ha märkt det vid det här laget. Den är så liten att vi omöjligen skulle kunna hoppas på att direkt undersöka den med våra högenergiexperiment. Och om dessa dimensioner är inplacerade i sig själva, så varje gång du rör dig i den fyrdimensionella rymden, så cirklar du egentligen runt dessa extra dimensioner miljarder och åter miljarder gånger.

Och det är i dessa dimensioner som strängteorins strängar lever.

Med ytterligare matematisk insikt upptäckte man att de extra sex rumsliga dimensioner som behövs i strängteorin måste vara inplacerade i en särskild uppsättning konfigurationer, som kallas Calabi-Yao-manifolder efter två framstående fysiker. Men det finns inte en enda unik manifest som tillåts av strängteorin.

Det finns omkring 10^200 000.

Det visar sig att när man behöver sex dimensioner som rullar in sig själva, och ger dem nästan alla möjliga sätt att göra det på, så … summerar det.

Det är många olika sätt att linda in de extra dimensionerna i sig själva. Och varje möjlig konfiguration kommer att påverka hur strängarna inuti dem vibrerar. Eftersom sättet som strängarna vibrerar på bestämmer hur de beter sig här uppe i den makroskopiska världen, leder varje val av manifest till ett distinkt universum med en egen uppsättning fysik.

Så bara ett manifest kan ge upphov till den värld som vi upplever den. Men vilken?

Tyvärr kan strängteorin inte ge oss ett svar, åtminstone inte ännu. Problemet är att strängteorin inte är färdig – vi har bara olika approximationsmetoder som vi hoppas kommer nära den verkliga saken, men just nu har vi ingen aning om hur rätt vi har. Så vi har ingen matematisk teknik för att följa kedjan, från specifik manifest till specifik strängvibration till universums fysik.

Svaret från strängteoretikerna är något som kallas Landskapet, ett multiversum av alla möjliga universum som förutsägs av de olika manifolderna, med vårt universum som bara en punkt bland många.

Och det är där strängteorin befinner sig idag, någonstans på Landscape.

• Einsteins relativitetsteori förklarad (infografik)
• Bilder:
• Vad är nästa steg för kosmologin efter den viktiga upptäckten av gravitationsvågor?

Paul M. Sutter är astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, värd för Ask a Spaceman och Space Radio och författare till Your Place in the Universe.

Lär dig mer genom att lyssna på avsnittet ”Is string theory worth it? (Del 3: Dimensionen är ödet)” i podcasten Ask A Spaceman, som finns på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till 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. för de frågor som ledde till den här artikeln! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.

Följ oss på Twitter @Spacedotcom och på Facebook.