Video

Transkription

Vad är universums sanna natur?

För att svara på den frågan konstruerar människor historier för att beskriva världen.

Vi prövar våra historier och lär oss vad vi skall behålla och vad vi skall kasta bort.

Men ju mer vi lär oss, desto mer komplicerade och konstiga blir våra historier.

Några så till den grad att det verkligen är svårt att förstå vad de egentligen handlar om.

Som strängteori.

En berömd, kontroversiell och ofta missförstådd berättelse om alltings grund.

Varför har vi formulerat den, och är den korrekt, eller bara en idé som vi borde göra oss av med?

För att förstå verklighetens sanna natur, tog vi en närmare titt på saker, och blev förundrade.

Underbara landskap i stoftet, zoon av bisarra varelser, invecklade proteinrobotar.

Alla bestående av molekylstrukturer, gjorda av otaliga ännu mindre saker: atomer.

Vi trodde att de var verklighetens slutgiltiga lager,

tills vi krockade ihop dem riktigt hårt, och upptäckte saker som inte kan delas mera:

elementarpartiklar.

Men nu fick vi ett problem: de är så små att vi inte längre kan titta på dem.

Vid närmare eftertanke: vad menas med att se?

För att se någonting behöver vi ljus - en elektromagnetisk våg.

Denna våg träffar sakens yta och reflekteras tillbaka från den och in i ditt öga

Vågen överför information från objektet, som din hjärna använder för att skapa en bild.

Så du kan inte se någonting utan att på något sätt interagera med det.

Att se är att röra, en aktiv process, inte ett passivt skeende.

Det här är inte ett problem med de flesta sakerna.

Men partiklar är mycket, mycket, mycket små.

Så små att de elektromagnetiska vågor vi använder för att se,

är för stora för att röra dem. Synligt ljus passerar bara förbi dem.

Vi kan försöka lösa det genom att skapa elektromagnetiska vågor

med fler och mycket kortare våglängder.

Men fler våglängder betyder mera energi.

Så när vi rör vid en partikel med en våg som har mycket energi, så påverkas den.

Genom att titta på en partikel, förändrar vi den. Så vi kan inte mäta elementarpartiklar exakt.

Fenomenet är så viktigt att det har ett namn:

Heisenbergs osäkerhetsprincip, en av hörnstenarna inom kvantmekaniken.

Så hur ser en partikel ut då? Vad är dess essens?

Vi vet inte.

Om vi ser efter väldigt noga kan vi se en diffus inflytelsesfär, men inte partiklarna själva.

Vi vet bara att de finns.

Men om det är så, hur kan vi då studera dem vetenskapligt?

Vi gjorde som vi brukar, och hittade på en ny historia, en matematisk fiktion:

berättelsen om punktpartikeln.

Vi bestämde oss för att låtsas att en partikel är en punkt i rymden.

Varje elektron är en punkt med en viss elektrisk laddning och en viss massa, alla omöjliga att skilja från varandra.

På det sättet kunde fysiker definiera dem, och beräkna alla deras interaktioner.

Det kallas kvantfältteori, och löste en mängd problem.

Partikelfysikens hela standardmodell bygger på den, och den förutsäger många fenomen väldigt bra.

Några av elektronens kvantegenskaper till exempel, har uppmätts och stämmer med en noggrannhet

på 0,0000000000002%

Så trots att partiklar inte egentligen är punkter, får vi en ganska bra bild av universum genom att betrakta dem som sådana.

Idén ledde inte bara till framsteg inom vetenskapen, utan också mycket verklig teknologi som vi använder dagligen.

Men det finns ett stort problem: gravitation.

Inom kvantmekaniken förmedlas alla fysikaliska krafter av vissa partiklar.

Men enligt Einsteins allmänna relativitetsteori

är gravitation inte en kraft som de andra i universum.

Om universum är en teaterpjäs, så är partiklarna skådespelare, men gravitationen är scenen.

Enkelt uttryckt är gravitationen en geometrisk teori.

Geometrin hos rumtiden själv,

och avstånd som vi måste ange med absolut precision.

Men eftersom det inte finns något sätt att mäta saker exakt i kvantvärlden

så kommer vår berättelse om gravitationen inte att fungera tillsammans med vår berättelse om kvantfysik.

När fysiker försökte införliva gravitation i berättelsen genom att uppfinna en ny partikel,

så kollapsade deras matematik, och det är ett stort problem.

Om vi kunde förena gravitation med kvantfysik och standardmodellen, så skulle vi ha en teori om allt.

Så, väldigt smarta människor konstruerade en ny berättelse. De undrade: vad är mer komplext än en punkt?

En linje - eller en sträng.

Strängteorin var född.

Det som gör strängteori så elegant

är att den beskriver många olika elementarpartiklar som olika tillstånd av vibration i strängen.

Precis som en fiolsträng som vibrerar på olika sätt, kan frambringa många olika noter, kan en sträng ge upphov till olika partiklar.

Inte minst viktigt, inklusive gravitation.

Strängteorin utlovade en unifiering av alla fundamentala krafter i universum.

Detta ledde till enorma förväntningar och hype. Strängteorin upphöjdes snabbt till en möjlig teori om allt.

Tyvärr har strängteorin många trådar att knyta samman.

Mycket av matematiken som gäller för en konsistent strängteori

fungerar inte i vårt universum, med sina tre spatiella dimensioner och en temporal.

Strängteori kräver tio dimensioner för att gå ihop, så strängteoretiker utförde beräkningar i modelluniversa.

Och försökte sedan bli av med de sex övriga dimensionerna och beskriva vårt eget universum.

Men ännu har ingen lyckats, och ingen förutsägelse från strängteorin har bekräftats av något experiment.

Så strängteorin uppenbarade inte vårt universums natur.

Man skulle kunna hävda att i den meningen är strängteorin helt oanvändbar.

Vetenskap handlar om experiment och förutsägelser.

Om vi inte kan göra dem, varför skall vi bry oss om strängar?

Det handlar egentligen bara om hur vi använder den?

Fysik bygger på matematik. 2 + 2 = 4

Det är sant oavsett om det känns rätt för dig. Och matematiken i strängteori är logiskt följdriktig.

Det är därför som strängteori fortfarande är användbar.

Tänk dig att du vill bygga ett kryssningsfartyg, men du har bara ritningarna för en liten roddbåt.

Det finns många olikheter: motorn, materialen, skalan.

Men båda företeelserna är fundamentalt de samma: saker som flyter.

Så genom att studera roddbåts-ritningarna, kan du kanske ändå till slut lära dig något om hur man bygger kryssningsfartyg.

Med strängteori kan vi försöka besvara några frågor om kvantgravitation

som har förbryllat fysiker i årtionden,

som hur svarta hål fungerar, eller informationsparadoxen.

Strängteori skulle kunna sätta oss på rätt spår.

Använd i den andan blir strängteori ett värdefullt verktyg för teoretiska fysiker

och hjälper dem upptäcka nya aspekter av kvantvärlden,

och en del vacker matematik.

Så kanske är berättelsen om strängteori inte teorin om allt.

Men precis som berättelsen om punktpartikeln, så kan den vara en extremt användbar berättelse.

Vi vet ännu inte vad verklighetens sanna natur är,

men vi kommer att fortsätta konstruera berättelser för att försöka komma underfund med det,

tills en dag, förhoppningsvis, vi vet.

Den här videon har sponsrats av Swiss National Science Foundation

och framställdes i vetenskapligt samråd med Alessandro Sfondrini.