Basisstructuur van de kosmos/De snaartheorie: verschil tussen versies

De snaartheorie is een sinds de jaren '70 van de 20e eeuw in staat van ontwikkeling zijnde theorie die ervan uitgaat dat alle materie op het meest fundamentele niveau bestaat uit trillende "snaren", die zo klein zijn (om precies te zijn, ongeveer ter grootte van de [[w:Plancklengte|Plancklengte]]) dat het rechtstreeks waarnemen ervan gelijk staat aan het lezen van een boek of van de tekst op een beeldscherm op een afstand van 100 lichtjaar. Het is dus uiterst onwaarschijnlijk dat deze snaren ooit rechtstreeks zullen worden waargenomen en in dit opzicht is de theorie dan ook volledig speculatief. Het is anderzijds ook zo dat er tot nu toe niets is ontdekt dat in tegenspraak met deze theorie is en dat ze verder uiterst geschikt blijkt om voor diverse onopgeloste problemen een oplossing te vinden.

 

De eerste voorloper van de huidige snaartheorie dateert van 1970, toen de natuurkundigen [[w:Leonard Susskind|Leonard Susskind]], [[w:Holger Bech Nielsen|Holger Bech Nielsen]] en [[w:Yoichiro Nambu|Yoichiro Nambu]] een twee jaar eerder door [[w:Gabriele Veneziano|Gabriele Veneziano]] gesignaleerd verband tussen de [[w:sterke kernkracht|sterke kernkracht]] en de eeuwenoude [[w:Bètafunctie|bètafunctie]] van [[w:Leonhard Euler|Euler]] verder uitwerkten. Zij wisten daarbij aan te tonen dat de quantumprocessen die Veneziano iets eerder had onderzocht zich aan de hand van Eulers bètafunctie uitstekend lieten verklaren, indien uit werd gegaan van uiterst dunne en elastische "draadjes" die op quantummechanisch niveau de deeltjes bijeenhielden.

 

In de meer conventionele opvatting worden deeltjes als [[w:elektron|elektronen]], [[w:quark|quarks]] en hiervan afgeleide deeltjes zoals up- en down-quarks, [[w:muon|muonen]] en [[w:tau (lepton)|taudeeltjes]] als de meest fundamentele bestanddelen van de kosmos en tevens als "punten" besschouwd. Volgens de snaartheorie bestaat er echter maar één fundamenteel bestanddeel, namelijk de snaar. De grote verscheidenheid aan elementaire deeltjes die de kwantummechanische wereld kenmerkt is dan niets anders dan het scala aan trillingspatronen die deze snaar kan uitvoeren. Dit is in zekere zin te vergelijken met wat er bij een echt [[w:strijkinstrument|strijkinstrument]] gebeurt, waar dezelfde snaar allerlei verschillende toonhoogten kan produceren. Een bepaald trillingspatroon komt in het geval van de snaartheorie steeds overeen met een bepaald type deeltje met specifieke eigenschappen zoals massa, elektrische lading, spin enz., terwijl de snaar steeds hetzelfde is. Precies hetzelfde zou dan gelden voor de boodschapperdeeltjes, bijv. het [[w:gluon|gluon]], het [[w:foton|foton]] en het graviton. Aangezien in 1974 is aangetoond dat er een specifiek trillingspatroon is dat precies dit laatste deeltje beschrijft is hiermee dus ook de zwaartekracht opgenomen in de snaartheorie. Op zijn beurt is dit een belangrijke stap op weg naar de reeds door Einstein beoogde unificatie van alle materie en krachten in het hele heelal.

 

Een groot voordeel van de snaartheorie is dat het de onverenigbaarheid tussen de woeste kwantumfluctuaties op ultramicroscopische schaal en de algemene relativiteitstheorie die de ruimtetijd als iets vlaks en egaals ziet oplost door de meest elementaire deeltjes niet voor te stellen als punten, maar als snaren. Als een graviton werkelijk niets anders is dan een snaar die volgens een bepaald patroon trilt, wordt de grootte van de wild fluctuerende gravitatievelden hierdoor automatisch ingeperkt tot de Planck-lengte. Het onzekerheidsprincipe geldt dan ook niet langer voor afstanden kleiner dan de Planck-lengte, simpelweg omdat er over zo'n afstand helemaal niet te spreken valt. Het begrip "ruimte" verliest zo alle betekenis op afstanden kleiner dan de Planck-lengte, terwijl ook het begrip "tijd" niet langer van toepassing is op tijdsintervallen korter dan de Planck-tijd. De Planck-tijd is in dit geval de tijd die licht nodig heeft om de lengte van een snaar te overbruggen. Wiskundige berekeningen hebben tevens aangetoond dat de strijdigheid tussen het idee van kwantumfluctuaties en de algemene relativiteitstheorie op deze manier wordt opgeheven.

 

De snaartheorie is echter natuurlijk niet alleen verre van volledig, maar vooralsnog ook geheel onbewezen. Wat allereerst moet worden aangetoond, wil de theorie echt levensvatbaar blijken, is dat er trillingspatronen bestaan die exact overeenkomen met de eigenschappen die de bekende elementaire deeltjes hebben. Hierbij doet zich helaas een groot probleem voor. Volgens de berekeningen van Schwarz en Scherk uit 1974 moet er - om de zwaartekracht op de juiste manier te kunnen verklaren - op de snaren gezien hun minieme lengte een enorme maar dan ook werkelijk enorme spanning staan, ongeveer 10⁴¹ keer de spanning op een gemiddelde pianosnaar. Hieruit volgt dat alleen al één enkele snaartrilling een naar verhouding reusachtige hoeveelheid energie oplevert. Volgens Einsteins bekende formule ''E = mC²'' leidt dit op zijn beurt ook tot een verhoudingsgewijs reusachtige massa, namelijk de [[w:Planck-massa|Planck-massa]]. Wanneer een snaar dus meer dan één trilling uitvoert, levert dit vanzelfsprekend een veelvoud van de Planck-massa op; een patroon van 2 trillingen komt overeen met 2x de Planck-massa, 3 trillingen met 3x de Planck-massa, enz. In dit verband moet goed bedacht worden dat de Planck-massa naar alledaagse maatstaven weliswaar erg klein is, maar nog altijd veel en veel groter dan de massa van bijvoorbeeld een elektron, quark of W-deeltje.

 

De geringe afwijking van nul die de massa's van de meest elementaire deeltjes kenmerkt kan verder worden verklaard indien tevens wordt uitgegaan van het bestaan van [[w:Higgsveld|Higgsvelden]]. Deeltjes als quarks en elektronen hebben indien Higgsvelden bestaan door hun interactie met deze velden een massa die ongelijk is aan 0, terwijl ze anders zo licht als een foton, gluon of graviton (deeltjes waarvan de massa precies gelijk is aan 0) zouden zijn. Vertaald naar de snaartheorie betekent dit dat een heleboel snaartrillingen die aanvankelijk werkelijk een massa ter waarde van 0 opleverden als gevolg van feit dat ze zich in een Higgsveld bevinden ongelijk aan 0 zouden worden.

 

Een tweede - en op het eerste gezicht zelfs nog groter - probleem voor de geloofwaardigheid van de snaartheorie is het feit dat de wiskundige berekeningen waar de theorie op is gestoeld het bestaan van 9 ruimtelijke dimensies - nog los van de tijd, die in dit geval de tiende dimensie zou worden - vereisen, in plaats van de gebruikelijke 3 die door iedereen worden waargenomen. Om alle typische eigenschappen van de bekende elementaire deeltjes op deze manier te kunnen verklaren, moeten de snaren namelijk zeer veel verschillende trillingen uit kunnen voeren. Indien men uitgaat van minder dan 9 ruimtelijke dimensies, is het aantal mogelijke trillingspatronen eenvoudigweg te klein.