Strengteori

Grundbeskrivelse

To forskellige svingningstilstande for en streng. (Michael Quaade)

Strengteorien er et eksempel på en meget udviklet teori som har både relativitetsteori og  kvantemekaniksteori indbygget. Den er betegnelsen for en model for lidt specielle strenge, som adlyder både kvantemekanikken og relativitetsteorien. Fysikerne har siden Niels Bohrs og Albert Einsteins dage søgt efter en sådan teori. I strengteori beskrives elementarpartikler som svingningstilstande for strenge.

Oprindelig var strengteorien tænkt som en teori for stærkt vekselvirkende partikler (hadroner), men efter opdagelsen af nogle meget konsistente versioner af strengteorier, som i sig havde nogle ekstra frihedsgrader (måder at svinge på), blev det også foreslået, at sådan en supersymmetrisk superstrengteori kunne bruges som en teori for hele fysikken.

Man søger i dag med store acceleratorer som LHC - Large Hadron Collider - efter de supersymmetriske partnere til de kendte partikler.

En anden forudsigelse af de foreslåede superstrengteorier er, at der skal være 9 rumlige + 1 tidslig dimension for at (super-) strengteorien kan være konsistent.

Uddybende beskrivelse

Strengteorien er betegnelsen for en model for lidt specielle strenge, som adlyder både kvantemekanikken og relativitetsteorien og har den egenskab, at de har en trækkraft, der kun afhænger af den transversale hastighed. Faktisk er strengteorien fundet som en fysisk tolkning af et matematisk set bemærkelsesværdig simpelt system af spredningsamplituder fundet af Gabriele Veneziano og generaliseret og udviklet ud fra hans model. Den var så simpel, at den i det væsentlige var Eulers Beta-funktion.

Oprindelig var strengteorien tænkt som en teori for stærkt vekselvirkende partikler (hadroner), men efter opdagelsen af nogle meget konsistente versioner af strengteorier, som i sig havde nogle ekstra frihedsgrader (måder at svinge på, som svarer til fermioner løbende på strengen), så at de fik en særlig symmetriegenskab - supersymmetri - blev det også foreslået, at sådan en superstrengteori kunne bruges som en teori for hele fysikken. Den kunne være en såkaldt "Teori for alt" eller "Theory of everything", T.O.E.

Supersymmetri betyder, at partikler eller strengtilstande er parret i par hvert bestående af en boson og en fermion. Inddelingen af partikler eller tilstande af en streng f. eks. i bosoner og fermioner er kvantemekanisk defineret ved, om bølgefunktionen skifter fortegn eller ej under ombytning af to partikler.

Man søger i dag med store acceleratorer som LHC efter, om der - svarende til supersymmetriegenskaben - skulle være en dobling af spektret af partikler, som betyder at hver partikel har en supersymmetrisk partner, som til en fermion er en boson og omvendt.

En illustration af et Calabi-Yau-rum, hvor nogle af dimensionerne er "krøllet sammen", så eksperimenter ikke kan påvise dem. (Wikimedia Commons)

En anden forudsigelse af de foreslåede superstrengteorier er, at der skal være 9 rumlige + 1 tidslig dimension for at undgå anomalierne, så (super-) strengteorien bliver konsistent. Anomalierne er her kvantemekanisk forudsagte afvigelser fra de symmetriegenskaber af teorien, som man har puttet ind i teorien. Skulle teorien gælde i naturen, må der altså være en måde, på hvilken de overflødige dimensioner er skjult i praksis, så de derfor endnu ikke er observeret.

Strengteori har givet anledning til en række meget interessante dualitets-symmetrier. Et eksempel er, at betragter vi strenge i et torus-formet rum, er der en dualitet mellem antal vindinger rundt om torusen og den p.g.a. den endelige omkreds af torusen kvantiserede bevægelsesmængde-komponent.

Pointen er, at man i (super-)strengteorien kan substituere nogle variable med andre og så igen få den samme eller en beslægtet teori.

Der viste sig i 1984 at være et sæt af fem meget smukke og helt konsistente superstrengteorier med 9+1 dimensioner, nemlig A1,A2,B2, Heterotisk SO(32) og Heterotisk \( E_8\times E_8\).

Disse er ved dualiteter indbyrdes forbundne og spekuleres som grænser af en samlende M-teori. Denne er en 10 + 1 = 11 dimensional supergravitations-teori.

Maldacena-konjekturen fremstiller en nøjagtig korrespondance mellem en vis strengteori model (i et anti-de Sitter rum) og en vis conform invariant kvantefeltteori.

De bemærkelsesværdige muligheder for at beregne i strengteorier har også medført, at der er blevet fundet m-branes i teorierne, altså objekter udstrakt i antallet m af de 9 rumlige dimensioner.

En af de interessante udviklinger baseret på strengene er også en diskussion af sorte hullers egenskaber, der kan checkes i strengteori.

Holger Bech Nielsen