En av huvudkandidaterna för en teori om allt är strängteori eller dess mer generaliserade version, M-teori. Men det gör en förutsägelse att vi knappast någonsin kommer att kunna verifiera - dolda, komprimerade dimensioner.
Stringteori försöker inte bara kombinera kvantmekanik med allmän relativitet, utan också förklara spektrumet av partiklar och krafter som observeras i naturen. I den senaste formuleringen av teorin - matristeori - finns 11 dimensioner. Dess förespråkare har ställts inför ett av de största problemen med strängteorier - förklara hur de extra dimensionerna är "komprimerade", vilket gör dem omöjliga att observera i vår fyrdimensionella värld. Komprimering klargör också teoriens mest intressanta egenskaper.
Stringteorin säger att världen består av otroligt små vibrerande strängar i tiodimensionell rymdtid. 1995, under den andra superstringrevolutionen, föreslog Edward Witten M-teori som kombinerade alla fem olika typer av strängteori. Detta är en 11-dimensionell teori som inkluderar supergravitet. Det finns inget enda svar bland forskare på vad "M" betyder i namnet, men många teoretiker är överens om att denna bokstav betyder "membran", eftersom teorin innehåller vibrerande ytor med flera olika dimensioner. M-teorin saknar exakta rörelseekvationer, men 1996 föreslog Tom Banks från Rutgers University och kollegor en beskrivning av den som en "matristeori" vars huvudvariabler är matriser.
Att komprimera denna 11-dimensionella teori till fyra förändringar var inte alls lätt. Att komprimera bokstavligen betyder att "rulla upp" de extra dimensionerna i en teori till mycket små dimensioner. Till exempel, för att fälla två dimensioner, ta en munk - eller en torus (det är en tvådimensionell yta) - och pressa den till en cirkel eller slinga med ett litet tvärsnitt och kläm sedan in den i öglan till en punkt. Utan en tillräckligt känslig sond som kan registrera "pressade" mätningar ser denna slinga en-dimensionell, medan en punkt är noll-dimensionell. I M-teorin antas det att vi talar om dimensioner i storleksordningen 10-33 centimeter, som i sin tur inte kan registreras med modern utrustning. Det visar sig att efter kompaktering av sju dimensioner ser världen runt oss fyrdimensionell ut.
Edward Witten / Quanta Magazine / Jean Sweep.
Men vad är en dimension i sig? Intuitivt kan det tyckas att varje dimension är en oberoende riktning där vi (eller något objekt) kan röra oss. Så det visar sig att vi lever i tre rumsliga dimensioner - "framåt-bakåt", "vänster-höger" och "upp-ner" - och en gång - "förfluten-framtid". I allmänhet är dessa fyra dimensioner. Men vår uppfattning av dimensioner är tätt bunden till skalor.
Föreställ dig att du tittar på ett fartyg som seglar på avstånd till hamnen. Till en början ser det ut som en nollpunkt i horisonten. Efter ett tag inser du att den har en mast som pekar mot himlen: nu ser det ut som en endimensionell linje. Då märker du dess segel - och objektet ser redan två-dimensionellt ut. När fartyget kommer närmare bryggan märker du äntligen att det har ett långt däck - den tredje dimensionen.
Det finns inget konstigt i detta, liksom i det faktum att en munk, reducerad till en otrolig storlek, verkar vara en noll-dimensionell punkt. Poängen är att vi inte kan bestämma mätningar från långa avstånd. Detta leder logiskt till vad som beskrivs ovan: det kan finnas andra dimensioner, men de är så små att vi inte uppfattar dem.
Kampanjvideo:
Låt oss gå tillbaka till komprimering av mätningar. Föreställ dig att du är en ekorre som bor på en oändligt lång trädstam. På ett eller annat sätt är en trädstam en cylinder. Du kan röra dig i två oberoende riktningar - "längs" och "runt". När du är uttråkad flyttar du till ett träd med en tunnare bagagerum, vars omkrets är mycket mindre. Nu är din "runt" -dimension mycket mindre än tidigare. Du behöver bara två steg för att helt förbi fatet. Du hoppar till ett ännu tunnare träd. Nu, i ett steg, lindar du fat hundra gånger! Dimensionen "runt" har blivit för liten för att du märker det. Ju tunnare trädstammarna blir, desto mer minskas dimensionerna i din värld till en.
Ju mindre trädet en ekorre hoppar på, desto mindre är dimensionen "runt" i vilken den kan röra sig och som den kan uppfattas / WhyStringTheory.com
Det här är exakt vad som händer i strängteori med sex (sju för M-teori) extra dimensioner. Varje gång du flyttar handen genom rymden vänder du dig om de dolda dimensionerna otroligt många gånger.
Som nämnts ovan är dimensionerna för de komprimerade mätningarna i storleksordningen 10-33 centimeter, vilket är jämförbart med Planck-längden (1,6x10-33 centimeter). Det bör noteras att det är osannolikt att vi inom en snar framtid kommer att ha möjlighet att direkt registrera dem experimentellt. Ändå hoppas forskare på några tester, vars resultat dock i stor utsträckning beror på en framgångsrik kombination av omständigheter.
Strängarnas form och storlek är oerhört viktigt för att simulera deras vibrationer och interaktioner. Du måste förstå hur de vrider sig runt de sex sammankopplade dimensionerna. Den exakta strukturen på ytan som bildas genom komprimering förändrar fysiken som drivs av strängarna.
Det finns flera sätt på vilka de extra dimensionerna kan vikas in i ett så litet utrymme. Det är emellertid ännu inte känt vilken av dessa metoder som slutligen leder till traditionell fysik.
Många försök har gjorts i det förflutna för att komprimera matristeori med en sexdimensionell toroid, men ingenting har kommit ut av det. Ingen trodde att det förment svårare komprimeringsproblemet med Calabi-Yau-grenrören skulle ge användbara lösningar för en arbetsteori. Komprimering av dimensioner med Calabi-Yau-förgreningar undviker några av komplikationerna av matristeorin.
Nuvarande forskning inom strängteori handlar mer om Calabi-Yau-grenrör. Detta är utan tvekan en lovande grupp av komprimeringar, men det finns fortfarande inget tydligt svar, och antalet upptäckta grenrör har redan ökat till 10 (till makten 500), som en av strängteoretikerna Brian Green nyligen påpekade i en podcast av Sean Carroll.
Sexdimensionella Calabi-grenrör - Yau / Vimeo / Graphene.
Stringteoretiker är fortfarande långt ifrån en tydlig och otvetydig förståelse av huruvida M-teorin faktiskt beskriver världen på de minsta skalorna. Men som Edward Witten noterade: "Det är fantastiskt hur du kan bygga en teori som inkluderar tyngdkraften, men som ursprungligen bara baserades på mätteori."
Stringteori är en komplex matematisk apparat. Som Clifford Johnson och Brian Greene påpekade i våra tidsintervjuer är det svårt att säga att denna teori faktiskt beskriver verkligheten. Men även om det visar sig att det inte har något att göra med verkligheten, kommer det definitivt att vara ett viktigt steg mot något större - mot en teori som beskriver universum mer exakt och mer elegant än allt vi visste förut.
Vladimir Guillen