Supersträngar och dolda dimensioner

Var och en som ser sig omkring en smula inser att världen har tre rumsdimensioner som vi kan röra oss i. Lite slarvigt kan vi kalla dem vänster och höger, upp och ner samt ut och in. Detta motsvarar x-, y- och z-axlarna i ett rätvinkligt koordinatsystem.

Hur kommer det sig då att ett stort gäng fysiker runtom i världen på fullt allvar hävdar att universum i själva verket har nio eller till och med tio rumsdimensioner? Hur går det ihop? Var finns de? Och vad har forskarna för argument för att komma med så befängda påståenden?

För att svara på den frågan får vi ta ett kliv tillbaka i vetenskapshistorien.

På 1970-talet utvecklades den så kallade standardmodellen för materiens uppbyggnad. Materien består av sex olika kvarkar, tre typer av elektroner och neutriner, en rad olika kraftpartiklar för växelverkan genom de fyra fundamentala krafterna (så kallade bosoner) samt en mystisk partikel kallad Brout-Englert-Higgs-partikeln. Standardmodellen blev en succé. Den förklarade det mesta och innehöll fungerande kvant­teorier för elektrosvag och stark växelverkan. Men det visade sig stört omöjligt att även inkorporera gravitationen. Den vägrade låta sig förenas med de tre andra krafterna.

Vågaspekt

Men skam den som ger sig. Kanske man kunde finna en annan angreppsvinkel för att lösa problemet? Ett uppslag var att utnyttja det faktum att alla elementarpartiklar har en vågaspekt.

Ljuset kan, som James Clerk Maxwell hade visat på 1860-talet, ses som en elektromagnetisk vågrörelse. Men det kan också, vilket Einstein sedan visade, ses som en ström av ljuspartiklar – fotoner. Ljuset är alltså både vågor och partiklar på en gång, vilket i och för sig är mycket konstigt men trots allt bevisat genom mängder av experiment.

Den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger visade på 1920-talet att samma sak gäller även för andra elementarpartiklar. Elektronen kan också ses som en vågrörelse, men med betydligt högre frekvens (kortare våglängd) än det synliga ljuset. Detta utnyttjar man i elektronmikroskop, som genom elektronvågornas korta våglängd kan ge mycket högre upplösning och förstoring än ett konventionellt ljusmikroskop.

På 1960-talet började några forskare fundera över om inte vågaspekten hos materien var en framkomlig väg för att finna en kvantteori som förenade gravitationen med de andra fundamentala krafterna.

Resultatet blev strängteorierna, där kvarkar, elektroner och kraftpartiklar ses som små vibrerande strängar. Och se, det verkade faktiskt som om det skulle gå att på detta sätt förena alla de fyra fundamentala krafterna och alla kvarkar, leptoner, bosoner och andra elementarpartiklar i en gemensam teori.

Tyvärr visade det sig, när fysikerna räknade på det hela, att för att detta skulle låta sig göras krävdes att universum har nio rumsdimensioner.

Nu kan man tycka att varningsklockor borde ha ringt. Är det kanske inte så att det bara finns tre rumsdimensioner? Var finns de andra sex?

– Jo, svarade strängfysikerna som gjort en djupdykning i matematiken och gillat vad de sett, de är väldigt små och liksom inrullade i sig själva. Tänk er en lindansare på en spänd lina. Linan utgör en dimension, och lindansarens position kan beskrivas med ett enda tal x. Men föreställ er nu en liten myra som kryper på linan. Myran kan ju också krypa runt linan, och alltså röra sig i en dimension som inte är tillgänglig för lindansaren. Så linan har faktiskt två dimensioner, även om den andra inte syns.

5 procent materia

Men trots detta så lyckades inte sträng­fysikerna riktigt få ihop en enhetlig sammanhängande teori för hur världen hänger samman. I stället visade det sig att det ur en matematisk synvinkel fanns hur många tänkbara strängteorier som helst. Frågan var vilken, om någon, som var den rätta.

Saken komplicerades ytterligare genom införandet av en stor mängd super­symmetriska partiklar och upptäckten att universum bara till 5 procent består av vanlig materia. 25 procent är mystisk mörk materia och 70 procent ännu mer mystisk mörk energi.

Supersträngforskarna svarade med att lägga till ytterligare en dimension, och förvandla sina strängar till små rör, snoddar och öglor. Med tio rumsdimensioner kunde man dribbla bort den mörka energin och samtidigt få ner antalet möjliga teorier till fem.

En av de som varit ledande i arbetet är den amerikanske fysikern och matematikern Edward Witten som år 2008 belönades med Crafoordpriset av Kungliga Vetenskapsakademien.

I själva verket, hävdar Witten, är alla de fem teorierna olika aspekter av samma sak. Det gäller bara att finna en övergripande teori som i sig förenar de fem teorierna. Sedan är saken biff.

Inte bekräftat

Denna hägrande övergripande teori brukar kallas M-teorin. Nu kanske du undrar vad M-et står för, men det är bara ett namn. Det betyder inget.

Har strängfysikerna helt lämnat verkligheten för en matematisk fantasivärld, eller ligger det något i deras mångdimensionella teorier? Tyvärr finns fortfarande inga experiment som i ett slag kan bekräfta eller kullkasta deras antaganden.

Den amerikanske fysikern Lee Smolin, som själv forskat om kvantgravitation, har skrivit flera intressanta böcker som beskriver sökandet efter fungerande supersträngteorier. Böckerna är knappast lättlästa, men de ger en bra bild av forskarnas drömmar om att en dag finna den slutliga teorin om allt.