Snaartheorie
Stel je een wereld voor waarin je kunt teleporteren, tijdreizen en door muren heen kunt lopen. Klinkt bizar he? Dat is het ook. Voor nu is dat nog onmogelijk. Tóch zou het ooit mogelijk kunnen worden wanneer de snaartheorie wordt opgelost! Het zou de grootste doorbraak zijn in de natuurkundige wereld. Helaas is het een erg lastige theorie en valt hij niet zomaar op te lossen. In dit artikel leggen we je uit wat de snaartheorie precies inhoudt en wat het zo ingewikkeld maakt.
Wat is de snaartheorie?
De snaartheorie is de theorie die de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica verenigt tot één theorie. In de natuurkunde zijn er namelijk vier fundamentele natuurkrachten: de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke kernkracht en de zwaartekracht. De snaartheorie probeert deze krachten in één allesomvattende theorie onder te brengen. Hierdoor is het een kandidaat voor de theory of everything. Echter, de manier waarop deze theorie moet worden opgelost is voor de fysici nog altijd onduidelijk. De snaartheorie is dan ook nog altijd niet opgelost.
Wil je meer weten over de snaartheorie? Bekijk dan deze video:
Wat is de algemene relativiteitstheorie?
De algemene relativiteitstheorie stelt dat de zwaartekracht een gevolg is van de kromming in de ruimtetijd en niet van een kracht die (bijvoorbeeld) de aarde uitoefent. Denk hierbij aan een bowlingbal op een trampoline. Hoe meer energie en massa er aanwezig is, hoe meer de ruimtetijd wordt vervormd. Een bowlingbal zal de trampoline meer laten krommen dan een golfbal, door het verschil in gewicht.
De algemene relativiteitstheorie komt sterk overeen met de Newtoniaanse mechanica. Althans, alleen in de situatie wanneer zwaartekrachtsvelden zwak zijn. Wanneer het gaat om sterkere zwaartekrachtsvelden kan enkel worden gebruikgemaakt van de algemene relativiteitstheorie en voldoet de Newtoniaanse mechanica niet meer.
De Newtoniaanse mechanica ondervinden wij hier op aarde, een plek waar weinig kromming van de ruimtetijd is. Wanneer er meer kromming van de ruimtetijd is, ontstaat er meer vervorming. Hierdoor kan er geen gebruik worden gemaakt van de Newtoniaanse mechanica en moet je vertrouwen op de algemene relativiteitstheorie.
Daarnaast kun je in de Newtoniaanse wereld oneindig snel gaan wanneer er geen verandering is in de ruimtetijd. De relativiteitstheorie vertelt ons dat er niks sneller is dan het licht. Bij snelheden van het licht zal de kromming van de ruimtetijd veranderen. Daarom zal er gebruik moeten worden gemaakt van de algemene relativiteitstheorie.
Wat is kwantummechanica?
De theorie van de kwantummechanica stelt dat dat moleculen en atomen zowel eigenschappen hebben van deeltjes als van golven. Dit is de golf-deeltje-dualiteit. Dat is opmerkelijk, want golven en deeltjes zijn twee compleet verschillende dingen. Toch werkt deze beschrijving best goed.
Het bekendste experiment die dit bewijst is het tweespletenexperiment, waarbij licht in eerste instantie in deeltjes op een scherm wordt afgeschoten, waarna het licht een interferentiepatroon op het scherm vertoont. Een interferentiepatroon toont aan dat het licht zich gedraagt als golf. Moleculen en atomen gedragen zich dus soms als deeltje en soms als golf.
Het fenomeen dat deeltjes zich kunnen gedragen als punten of golven heeft gevolgen. Het is namelijk niet mogelijk om allebei de eigenschappen van een deeltje exact te meten. Dit staat ook wel bekend als de onzekerheidsrelatie van Heisenberg:
Deze relatie stelt: hoe meer je weet van de ene grootheid, des te meer onzekerheid je hebt over de andere grootheid.
Hoe werkt het principe van de snaartheorie?
De snaartheorie combineert de theorie van de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie. Het probeert grote krachten, zoals de zwaartekracht, te verklaren door ze te beschouwen als kleine deeltjes met een structuur.
Binnen de kwantummechanica worden deeltjes beschouwd als punten zonder afmetingen en structuur. De snaartheorie zegt daarentegen dat deze deeltjes op zeer kleine schaal snaartjes zijn, en dus wel degelijk een structuur hebben.
De manier waarop zo’n snaar trilt zegt veel over de deeltjeseigenschappen, zoals bijvoorbeeld de massa. Hoewel je op grote schaal weinig van deze snaareigenschappen merkt, is de structuur van het deeltje op kleine schaal wél belangrijk. Nadat fysici deze gedachten verder uitwerkten, bleken er twee opmerkelijke eigenschappen te zijn van dit model:
- Door dit model is er een deeltje bijgekomen: het zogenaamde graviton, wat precies de verwachte eigenschappen heeft van een zwaartekrachtdeeltje.
- De snaartheorie kan alleen kloppen als er meer ruimtelijke dimensies zijn dan de 3 die we nu kennen (lengte, breedte, hoogte).
Deze twee punten leggen we hieronder verder uit.
Extra deeltje: graviton
De snaartheorie beschouwt de zwaartekracht als een deeltje, terwijl de algemene relativiteitstheorie de zwaartekracht beschrijft als een kracht waarbij de grootte wordt beïnvloed door de vervorming van de ruimtetijd.
Hierdoor kun je grote krachten die niet zichtbaar zijn (zoals de zwaartekracht) dus eigenlijk als een deeltje zien. Op die manier worden dit soort krachten tastbaarder. Daarom wordt ook wel gezegd dat de snaartheorie de algemene relativiteitstheorie (ruimtetijd) probeert te koppelen aan de kwantummechanica (deeltjes en golven). Kleine deeltjes worden dus gebruikt om grote (onzichtbare) krachten te verklaren.
Een goed voorbeeld van zo’n zwaartekracht-fenomeen is het zwaartekrachtdeeltje: het graviton.
Door op de kleinste deeltjes in te zoomen, verwachten fysici dat deze zullen bestaan uit vibrerende snaartjes. Met deze theorie zouden alle eigenschappen van materie kunnen worden beschreven. Alle elementaire deeltjes zouden dan ontstaan als de trillingen van één enkele snaar. Die trillingen zouden daarmee de zwaartekracht verklaren volgens de wetten van de kwantummechanica. Echter, volgens de huidige natuurwetten is dit nog niet mogelijk.
Het bijzondere van de snaartheorie is dat je dus zowel heel zware als heel kleine objecten kunt beschrijven, zoals zwarte gaten en ons universum vlak na de oerknal.
Meerdere ruimtelijke dimensies
De snaartheorie kan alleen kloppen als er meer dan 3 ruimtelijke dimensies (lengte, breedte, hoogte) zijn. Sterker nog, als de snaartheorie klopt, weten we dat er 9 ruimtelijke dimensies zijn. Toch is het onmogelijk om deze dimensies met het blote oog te zien. Dit zou namelijk alleen kunnen door heel ver in te zoomen op de structuur.
Voorbeeld
Stel, een acrobaat en een vlieg lopen beiden over een gespannen touw. De acrobaat kan alleen voor- en achteruit over het touw, maar de vlieg kan vooruit, achteruit en opzij. Hiermee heeft de acrobaat maar één dimensie, terwijl de vlieg er twee heeft. Het is voor de acrobaat onmogelijk om de tweede dimensie te ontdekken.
Wij kunnen onze waarneming van de wereld in een driedimensionaal perspectief opnemen. Er zijn immers maar 3 dimensies waarmee wij een plaats kunnen aangeven. Desondanks weten we dat er een 4e dimensie bestaat: tijd. Deze gedachte behoort tot de snaartheorie.
De dimensies die nog meer zouden bestaan volgens de snaartheorie kunnen wij niet zien. Bovendien zien ze er helemaal anders uit dan de voor ons vertrouwde dimensies. Een groot verschil is bijvoorbeeld dat de dimensies van de snaartheorie compact zijn en ergens ophouden, terwijl lengte, breedte en hoogte nergens ophouden. Voor zover wij weten is het heelal namelijk oneindig groot.
Wat maakt de snaartheorie zo ingewikkeld?
Het zijn voornamelijk de wiskundige modellen die de snaartheorie zo enorm complex maken. Bij elk wiskundig foutje komt er een groot aantal wiskundige formules tevoorschijn om die fout weg te werken. Vele fysici zeggen dan ook dat het een soort ui is met miljoenen laagjes die gepeld moet worden. Anderen zijn daarentegen van mening dat de oplossing om de hoek ligt.
De snaartheorie veroorzaakt gigantische discussies in de natuurkundige wereld. Sommige fysici durven zich er niet aan te wagen. Dat is jammer, want wellicht ligt het antwoord wel klaar achter de volgende gepelde schil.
Gelukkig komen er steeds meer innovatieve mogelijkheden tot de beschikking om de snaartheorie te bewijzen. Wie weet verschijnt er in de toekomst op het nieuws: “The theory of everything has been solved”.
Wat gebeurt er als de snaartheorie wordt opgelost?
Als de snaartheorie wordt opgelost is er eindelijk één formule die alles kan beschrijven. Iedere natuurkundige zal op dat moment een gat in de lucht springen van geluk. Alles wat onderzoekers zouden willen weten van het universum kan hiermee worden bepaald. Dit betekent dat de wildste dromen werkelijkheid kunnen worden. Denk aan teleportatie, tijdreizen, wormholes en zelfs door muren heen lopen. Met deze theorie kan dan letterlijk alles!
Het zal overigens niet het einde van de natuurkunde betekenen. Een volgende stap is om door middel van snaartheorie naar parallelle universums te reizen waar andere wetten van de natuurkunde gelden.
Video
Wil je meer achtergrond weten over de snaartheorie? Bekijk dan onderstaande video van de bekende natuurkundige Michio Kaku:
