Basisstructuur van de kosmos/De snaartheorie: verschil tussen versies

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" beschouwd. Volgens de snaartheorie bestaat er echter maar één fundamenteel bestanddeel, namelijk de ultramicroscopische snaar. De grote verscheidenheid aan elementaire deeltjes die de kwantummechanische wereld kenmerkt iszou dan niets anders zijn dan het uitgebreide scala aan trillingspatronen die deze uiterst kleine snaar kan uitvoeren.

Dit is in zekere zin te vergelijken met wat er bij een echt [[w:strijkinstrument|strijkinstrument]] gebeurt, waar dezelfde snaar ook 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 weer 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 hetdeze thoerie de onverenigbaarheid tussen enerzijds de woeste kwantumfluctuaties op ultramicroscopische schaal die door het onzekerheidsprincipe worden voorspeld en anderzijds Einstein algemene relativiteitstheorie waarin de ruimtetijd als iets vlaks en egaals wordt gezien oplost door de meest elementaire deeltjes niet voor te stellen als punten, maar als snaren. Als een graviton werkelijk niets anders is dan een snaarhet dietrillingspatroon volgensvan een bepaalduiterst patroonkleine triltsnaar, wordt de grootte van de wild fluctuerende gravitatievelden hierdoor automatisch ingeperkt tot de Planck-lengte. Het onzekerheidsprincipe geldt dan niet langer voor afstanden die kleiner zijn dan de Planck-lengte, simpelweg omdat er over zo'n afstand helemaal niet te spreken valt. Het begrip "ruimte" verliest namelijk op deze manieren 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. Met deDe Planck-tijd wordtis in dit geval de tijd bedoeld die licht nodig heeft om de lengte van een ultramicroscopische snaar te overbruggen. Wiskundige berekeningen hebben aangetoond dat de strijdigheid tussen het idee van kwantumfluctuaties en de algemene relativiteitstheorie op deze manier volledig wordt opgeheven.

De snaartheorie is echter natuurlijk niet alleen nog 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 die op een gemiddeldeaangeslagen pianosnaar gemiddeld wordt uitgeoefend. Hieruit volgt dat alleen al één enkele snaartrilling al een naar verhouding reusachtige hoeveelheid energie oplevert. Volgens Einsteins bekende formule ''E = mC²'' leidt dit op zijn beurt ook tot een naar verhouding onvoorstelbaar grote massa, namelijk de [[w:Planck-massa|Planck-massa]]. In(eigenlijk is dit verband moet goed bedacht worden dat de Planck-massa (eigenlijk de massa die een zwart gat ter grootte van de Planck-lengte zou hebbenheeft). In dit verband moet goed bedacht worden dat de Planck-massa naar alledaagse maatstaven weliswaar klein is, maar nog altijd veel en veel groter is dan de massa van bijvoorbeeld een elektron, quark of W-deeltje (om precies te zijn: 10¹⁹ keer de massa van een proton, dat van zichzelf al veel zwaarder is dan een van voornoemde deeltjes). Wanneer een snaar meer dan één trilling uitvoert, levert dit uiteraard een veelvoud van de Planck-massa op. Een patroon van 2 trillingen levert 2x zoveel energie op en komt dus overeen met 2x de Planck-massa, 3 trillingen 3x zoveel energie en dus 3x de Planck-massa, enz.

Wanneer een snaar meer dan één trilling uitvoert, levert dit vanzelfsprekend een veelvoud van de Planck-massa op. Een patroon van 2 trillingen komt dus overeen met 2x de Planck-massa, 3 trillingen met 3x de Planck-massa, enz. In Op het eerste gezicht lijkt dit een onoverkomelijk bezwaar tegen de snaartheorie, maar het kan goeddeels worden weggenomen wanneer men bedenkt dat uit andere experimenten is gebleken dat zware elementaire deeltjes sterk de neiging hebben instabiel te zijn, m.a.w. snel uit elkaar vallen in lichtere deeltjes. De naar verhouding extreem zware deeltjes die uit de door de snaartheorie voorgestelde trillingspatronen voortkomen zouden dan dus tevens uiterst instabiel zijn en bijgevolg heel snel desintegreren. Het is dusdaarom goed mogelijk dat dergelijke zware deeltjes in de allervroegste stadia van het heelal daadwerkelijk zijn geproduceerd en toen veel talrijker waren dan nu, waarna ze al heel snel in kleinere en lichtere deeltjes (zoals fotonen) uiteen zijn gevallen. De hoeveelheid energie die in de huidige deeltjesversnellers kan worden geproduceerd is bij lange na ontoereikend om deze zware deeltjes te kunnen nabootsen. Er is dus ook geen sprake van enige strijdigheid met wat tot nu toe empirisch is waargenomen.

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 daadwerkelijk bestaan door- vanwege 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.

Het idee van het bestaan van extra ruimtelijke dimensies is echter bij nader inzien niet zo absurd als het lijkt, en evenmin is het trouwens echt iets nieuws. InAl in 1919 stuurde de Duitse wiskundige [[w:Theodor Kaluza|Theodor Kaluza]] een artikel naar Einstein, waarin hij voorstelde om een nieuwe ruimtelijke dimensie te introduceren naast de drie reeds bekende. Dit methad als doel de twee toen bekende hoofdkrachten in het heelal, - de zwaartekracht en het elektromagnetisme, - tot één geheel te kunnen verenigen. Einstein was hier zeer enthousiast over en Kaluza's model werd enkele jaren later verbeterd door de Zweed [[w:Oskar Klein|Oskar Klein]]. Het uiteindelijke resultaat van deze twee natuurkundigen is bekend geworden als de [[w:Kaluza-Klein-theorie|Kaluza-Klein-theorie]]. De vierde ruimtedimensie zou volgens Kaluza en Klein ongeveer zo groot moeten zijn als de Planck-lengte (hetgeen tot op heden met de meest geavanceerde apparatuur bij lange na niet zichtbaar kan worden gemaakt).