I forrige artikel forklarede jeg, at en teori skal understøttes af eksperimentelle målinger for at blive anerkendt.
Vi var forbi standardmodellen for partikelfysik samt den spekulative supersymmetri, som ligger udenfor den videnskabelige konsensus.
I denne artikel skal vi se på nogle endnu vildere teorier: strengteori, sløjfekvantegravitation og idéer om parallelle universer.
Både den forrige og denne artikel er del af en serie artikler her på Forskerzonen, hvor jeg forsøger at svare på spørgsmål om fysik efter bedste evne.
Svarene er udtryk for mine personlige overbevisninger, og andre fysikere ville måske svare anderledes.
\ Serie: Er det rigtigt, at ifølge fysikken…
I denne serie besvarer ph.d. i fysik Niels Jakob Søe Loft nogle af de basale spørgsmål om verden, universet og fysikkens love, han møder, når han er ude og holde foredrag om fysik.
Vi kommer bl.a. omkring parallelle universer, Newtons love, elektroners evne til at være to steder på én gang og meget mere.
Strid imellem teorierne for partikelfysik og tyngdekraft
Vores bedste teori for verdens mindste bestanddele – elementarpartiklerne såsom elektroner og kvarker – kaldes standardmodellen. Den redegør for alle kendte naturkræfter undtagen tyngdekraften, som alligevel er ubetydelig for de lette elementarpartikler.
Til gengæld er tyngdekraften den dominerende kraft mellem planeter, stjerner og galakser. Her giver Einsteins specielle relativitetsteori den bedste beskrivelse. Men Einsteins teori er ikke en kvantemekanisk teori, og redegør derfor ikke for fysikken på partikelniveau.
Begge teorier – standardmodellen og den generelle relativitetsteori – er bredt anerkendte og uhyre præcise indenfor deres respektive anvendelsesområde: vores verden på henholdsvis den mindste og største skala.
At teorierne ikke er konsistente med hinanden er normalt ikke et praktisk problem, fordi planeternes og partiklernes verdener er så langt fra hinanden.
Men kan man forestille sig en situation, hvor tyngdekraften blev vigtig for elementarpartiklerne?
Ja, for eksempel nær et sort hul.
Ifølge Einsteins teori er sorte huller objekter, der er så tunge, at alt indenfor dets såkaldte begivenhedshorisont bliver tiltrukket og opslugt af hullet.
Standardmodellen forudsiger, at der spontant kan opstå et par af to partikler ud af den blå luft. Hvis sådan et partikel-par opstår på begivenhedshorisonten af et sort hul, kan den ene partikel blive opslugt af det sorte hul, mens den anden undslipper som såkaldt Hawking-stråling.
Planck-længden: Hvor tyngdekraften atter bliver vigtig
Hawking-stråling lyder måske som et kuriøst eksempel på en situation, hvor partikelfysikken skal forholde sig til tyngdekraften. Men faktisk formoder fysikere, at tyngdekraften generelt spiller en vigtig rolle, når man zoomer helt ind på en længdeskala på ca. 10-35 meter.
Denne længde er kendt som Planck-længden og er givet ved at kombinere de fundamentale naturkonstanter fra kvantemekanik (Plancks reducerede konstant, ħ), speciel relativitetsteori (lysets fart, c) og tyngdekraft (gravitationskonstanten, G) til en længdeenhed: lP = √(ħG/c3) ≈ 10-35 meter.
På denne længdeskala, som er meget mindre end atomer og kvarker, forventer man, at alle naturkræfterne smelter sammen til én forenet naturkraft. Dette forener tyngdekraften med standardmodellens naturkræfter til en formodet teori for alting.
\ Læs mere
Forvirret? Det vigtigste at forstå lige nu er sådan set bare, at det er fysik på så lille en skala, at vi ikke har en jordisk chance for at se, hvad der foregår.
Sløjfekvantegravitation (engelsk: loop quantum gravity) og strengteori er eksempler på spekulative teorier for fysikken på denne længdeskala.
Teorien for sløjfekvantegravitation antager, at rumtiden er kvantiseret, det vil sige at tid og rum ikke er kontinuerte størrelser, men kommer i mindste udelelige klumper (kvanter) på størrelse med Planck-længden.
Strengteori postulerer, at alt består af vibrerende strenge, der er på størrelse med Planck-længden.
\ Forskerzonen
Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.
Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.
Kvantetyngdekraft: For småt til at blive set
Det grundlæggende problem med disse teorier er, at de beskæftiger sig med noget, der er 10-35 meter stort.
Du synes måske, at atomer er små, men i forhold til Planck-længden er atomer enorme. Faktisk 1025 gange større, eller 10 millioner milliarder milliarder!
For at måle noget på størrelse med Planck-længden som strenge eller rum-klumper kræver det en partikelaccelerator, der kan levere kollisioner med en energi, der er 1015 gange større end verdens største partikelaccelerator, LHC på Cern. Sådanne eksperimenter kommer vi sandsynligvis aldrig til at kunne lave.
Da vi ikke kan se fysikken på Planck-skalaen direkte, er den eneste mulighed for at teste teorierne om kvantetyngdekraft gennem indirekte forudsigelser.
Desværre har de endnu ikke forudsagt noget, der kan testes eksperimentelt. Det er yderst tvivlsomt, om de nogensinde vil det.
Sammenkrøllede ekstra dimensioner
En forudsigelse, som strengteori dog giver, er eksistensen af ekstra dimensioner ud over de tre rumlige og den ene tidslige dimension, som vi kender. De ekstra dimensioner er nødvendige for at gøre strengteori konsistent med den specielle relativitetsteori.
Hvis der er ekstra dimensioner, hvorfor oplever vi dem så ikke?
Ifølge strengteoretikerne er de ekstra dimensioner 'krøllet sammen' til nærmest ingenting, så vi ikke ser dem.
Sammenkrølningen kan ske på et utal af måder, og her gentager historien fra supersymmetri sig. Strengteori er altså ikke blot en enkelt teori, men et helt landskab af forskellige modeller.
Lidt spydigt kan man sige, at strengteoris eneste forudsigelse – ekstra dimensioner – er åbenlys forkert og skal krølles sammen og fejes ind under gulvtæppet.
Parallelle universer: Spekulation snarere end videnskab
Nogle af de mest spekulative teorier går ud på, at vores univers blot er ét af mange.
Denne idé manifesterer sig på forskellige måder, og det er svært at skære dem over én kam.
Et eksempel er mangeverden-fortolkningen er kvantemekanikken. I kvantemekanikken er målinger ikke deterministiske, men probabilistiske.
Det vil sige, at man slår med terninger om resultatet af en måling af for eksempel et atoms energi eller en elektrons position. Måske slår man en 1’er. Man kunne også have slået en 5’er. Men vi observerer kun ét af udfaldene.
Sædvanligvis siger vi, at systemet kollapser og 'vælger' et tilfældigt resultat af de mulige udfald. Terningen falder med en tilfældig side op, for eksempel med fem øjne, og alle andre svar dør ud.
I mangeverden-fortolkningen siger man derimod, at terningen lander med hver side opad – i hvert sit univers! Vi befinder os (tilfældigvis) i det univers, hvor vi får en 5’er, mens der sidder tro kopier af os i parallelle universer og får en 1’er, 2’er osv.
Alle parallel-universerne er dog afskåret fra hinanden, og jeg har ingen mulighed for at kommunikere med mine dobbeltgængere i terningspillet. Derfor er der heller ingen mulighed for at bekræfte eller afkræfte idéen eksperimentelt. Snarere er der tale om, hvordan man fortolker ligningerne i kvantemekanikken.
Personligt er jeg ikke tilhænger af idéen. Jeg synes den konstante eksplosion af opsplittende universer i evig sameksistens komplicerer fysikken unødigt. Andre mener derimod, at det forsimpler fysikken, fordi man slipper af med tilfældigheden i de kvantemekaniske målinger. Da forudsigelseskraften er den samme, er det et spørgsmål om smag.
Parallelle universer giver kun umiddelbar tilfredsstillelse
I kosmologien, som beskæftiger sig med universets fødsel og udvikling, har idéen om parallelle universer i et samlet 'multivers' vundet frem i nyere tid.
Ét forslag er, at multiverset består af en masse boble-universer, der opstår, vokser og kollapser uafhængigt af hinanden. Nogle mener endda, at de fysiske love kunne være anderledes i de andre bobler end i vores eget.
Forestillingen om parallelle universer kan virke tiltrækkende, fordi vi føler, vi får svar på vores dybeste spørgsmål: Hvorfor er verden, som den er? Hvorfor er værdierne af naturkonstanterne, som de er?
Alle andre mulige værdier eksisterer i andre universer! Hvorfor slog jeg en 5’er og ikke en 6’er? Det gjorde du også – i et andet univers!
Men parallelle universer tilbyder kun umiddelbar tilfredsstillelse. Uden vekselvirkning universerne imellem kan man ikke udføre et eksperiment i vores univers, der kan verificere eksistensen af de øvrige universer. Vi er fanget på vores egen ø uden at kunne se de hypotetiske øer bag horisonten.
Den nu afdøde Stephen Hawkings erklærede mål var en fuldstændig forståelse af universet, hvilket førte ham til multiverset med blandede følelser. Han var udmærket klar over de videnskabelige problemer med idéen.
For kan man overhovedet sige, at noget eksisterer, hvis det ikke kan detekteres?
