Supersträngar, eller supersträngteori, är ett spännande fysikfält som ibland kallas The Theory of Everything. Det anses av många vara den svårfångade förenande förklaring Einstein sökte som kunde förklara alla kända krafter i universum.
Tills supersträngar kom hade forskare två motsatta teorier för hur naturlagarna uppförde sig: Einsteins allmänna relativitetsteori och kvantmekanik.
Allmän relativitet förklarar världen som vi känner den i en ganska massiv skala. Den beskriver rumtiden som ett tyg som förvrängs av massa som står för omloppssystem, galaxer och tyngdkraften. Men dessa lagar bryts ner på kvantnivå där en subatomär partikel inte kan mätas i termer av dess exakta position i rymden vid en given tidpunkt. Det är också lika sannolikt att gå bakåt i tiden som det är att gå framåt, och kan till och med verka vara på två ställen samtidigt. De oändligt smås värld är så bisarr att forskare myntade termen ”quantum weirdness” för att beskriva den.
Problemet för fysiker var att komma med en teori som skulle förena världen som vi känner med kvantvärlden. En förklaring som förklarar alla fyra kända krafter: gravitationen, de starka och svaga kärnkrafterna och elektromagnetism. Supersträngar kan vara det svaret.
Genom matematiska ekvationer blev det uppenbart att det sätt vi tidigare hade tänkt på partiklar som ”punkter” eller ”små bollar” av energi var felaktigt. Dessa små bitar av materia betedde sig faktiskt mer som vibrerande, vibrerande strängar. Strängar är så små att Brian Greene, fysiker och förespråkare, förklarar att om en enda atom var lika stor som vårt solsystem, skulle en sträng bara vara lika stor som ett träd. Ändå utgör strängar all materia från kvantnivån och uppåt.
Sättet som strängar vibrerar avgör de specifika egenskaperna hos varje partikel, och liknar universum med en kosmisk symfoni av supersträngar. Men för att befria teorin från matematiska anomalier krävdes sex extra dimensioner. De sex extra dimensionerna bildar små, ihoprullade 6D-former vid varje punkt i vårt utrymme. Inuti dessa 6-D-former finns supersträngteorins strängar. De sex extra dimensionerna, plus våra tre, innebar att det verkligen fanns 9 dimensioner. Lägg till en till för tid, och det totala antalet blev 10 dimensioner. Hur överraskande det än var så var det inte slutet.
1995 presenterade olika teorier om supersträngar en gåta tills M-teorin förenade dem. Den enda fångsten? M-teori krävde matematiskt en 11:e dimension. Detta presenterade en ny bild av strängar där, givet tillräckligt med energi, en sträng kunde sträcka sig för att bli ett extremt stort flytande membran, förkortat kallat en brane. Branes kan ha olika dimensionella egenskaper och växa sig stora som ett universum. I själva verket, enligt teorin, existerar hela vårt universum på en flytande kli – bara en av flera flytande kliar som var och en stöder sitt eget parallella universum. Varje kli representerar en bit av ett högre dimensionellt utrymme eller bulk.
Även om standardmodellen från 1970-talet redan förenade tre av de fyra krafterna i en enhetlig teori, kunde gravitationen inte förenas med de tre kvantkrafterna. Men ett genombrott inom supersträngar omfattade gravitationens svårfångade kraft, viskande av fysikens heliga gral. Om en masslös hypotetisk partikel som ansvarar för att överföra gravitationen – gravitonen – existerar på kvantnivån som en sluten sträng, skulle detta utgöra en direkt gravitationslänk till teorin om supersträngar.
Teorin förutspår att strängar kan vara öppna eller stängda. Öppna strängar, eller strängar som liknar små vickande hårstrån, har åtminstone en ändpunkt ”fäst” till membranet som en vagn är fäst med en toppkabel till en elektrisk ledning. Strängar kan röra sig genom branen men kan inte lämna det, vilket förklarar varför vi inte fysiskt kan se ut ur eller nå ut ur vår dimension. Atomerna som utgör våra kroppar är sammansatta av öppna strängar som har fästa ändpunkter till vårt 3D-membran. Ett annat sätt att se på det är att överväga en filmduk. Människor på en skärm verkar vara tredimensionella, men de kan faktiskt inte nå från skärmen in i vår 3D-värld. De har fastnat i sin 2D-värld, precis som vi har fastnat i vår 3D-värld och inte kan nå in i närliggande dimensioner. Forskare kallar detta frihetsgrader.
Men gravitonen är annorlunda. Som en sluten sträng eller slinga utan bifogade ändpunkter var det en teori om att den skulle kunna fly från vår 3D-bran och sippra in i andra dimensioner. Detta skulle förklara varför gravitationen är många gånger svagare än de andra krafterna.
Men vad händer om det omvända var sant? Tänk om gravitationen på en parallell bran är lika stark som de andra krafterna, men är svagare här eftersom den bara läcker in i vår dimension? Matematiskt fungerade teorin om supersträngar återigen vackert och lade till slut fram en rimlig förklaring till tyngdkraftens svaghet samtidigt som den förenades med de andra tre krafterna.
Det fanns bara ett hinder kvar: Den förenande teorin borde också kunna förklara Big Bang. Fyra fysiker som reste tillsammans på ett tåg tacklade slentrianmässigt detta ämne. En av dem ställde frågan, vad skulle hända om två branar kolliderade? Det troliga matematiska svaret visade sig vara Big Bang.
Belackare av teorin om supersträngar pekar på bristen på bevis och svårigheten att tillhandahålla det. Är det bara en vacker matematisk konstruktion? En filosofi? Eller en sann förklaring av vår värld? Ingen annan teori har varit i närheten av att matematiskt förena alla fyra krafterna, än mindre ger en förklaring till Big Bang. Men att bevisa att andra dimensioner existerar – flytande branar och parallella universum – har varit en stor problematik.
Ändå är de som tror på den eleganta teorin ivriga att se det bevisat, och forskare har sedan dess funnit att det kan finnas observerbara bevis för astronomiskt stora strängar. Således fortsätter teorin om supersträngar att vinna mark. I slutändan, om det lyckas, från 11 dimensioner till parallella universum, från de virvlande galaxerna till kvantsoppa, kan supersträngar verkligen vara The Theory of Everything.