Strängteori
Einsteins Dröm
• Att förena gravitation och
elektromagnetism i en (klassisk) teori
• Kaluza [1919]
• Klein [1922]
• Behöver kvantmekanik, och alla krafter var då inte kända
• Kanske nu möjligt att realisera?
Fyra naturkrafter
• Elektromagnetism
• Svag
• Stark
• Gravitation
Elektrosvag
+ materia:
Standardmodellen
Mikrokosmos: Standardmodellen
• EM, svag & stark kraft + materiepartiklar
– Kvantmekanik
– Speciell relativitetsteori
• +Oerhört framgångsrik
• -Förklarar inte allt: 19 (el. 29) fria parametrar
Kvantfältteori
Gravitation
• Den allmäna relativitetsteorin [Einstein, 1915]
• + Oerhört framgångsrik
• - Inkompatibel med kvantmekanik (och därmed standardmodellen)!!!
Standardmodellen/Allmän relativitetsteori
• Beskriver alla fenomen vi hittills obsererat
• Är själva inte fullständiga
• Gravitation och mikroskopisk fysik (kvantmekanik) är inkompatibla
• Kan vi hitta mer grundläggande teori som förenar gravitationsteorin med
kvantmekanik och standardmodellen?
Strängteori: Förening?
• Vad är strängteori?
Ingen vet exakt, men:
• Hypotes om minsta beståndsdelar
• Förening av
Gravitation och
mikroskopisk fysik, speciellt förening av Gravitation och
kvantmekanik!!
• Ingen experimentell input: ledande princip är matematisk konsistens
• Teorin tillåter att man ställer väldigt fundamentala frågor, t.ex. hur många dimensioner lever vi i?
• (Med stor sannolikhet) förutsägelser:
– Supersymmetri
– Extra dimensioner
Strängteori
• Ersätt partiklar med utsträckta objekt, strängar
• Olika ”övertoner” ger olika egenskaper (dvs olika partiklar)
• Kan vara öppen eller sluten
• Spänner en världsyta när den rör sig framåt
i tiden världslinje världsyta
t
öppen sluten
Beräkningar i partikelfysik:
Feynmandiagram
Till varje diagram associeras ett
matematiskt uttryck
Summera över alla möjligheter
• Strängteori, ”Working definition”:
generalisera Feynmandiagram
Sluten
Öppen
Historik
• Veneziano [1968]: Duala amplituder för stark växelverkan
• Nielsen, Susskind [1970]: Duala amplituder beskriver strängar
• Scherk & Schwarz [1973]: Strängar beskriver gravitation!
• Green, Schwarz & Brink [1982]: Supersträngteorin
• Green & Schwarz [1984]: Supersträngteorin är matematiskt invändningsfri (”Den första strängrevolutionen”)
• Ca 1992
• Hull & Townsend [1994], Witten [1995]: M-teori
• Polchinski [1995]: D-bran
• Strominger & Vafa [1996]: D-bransrealisering av svarta hål
• Maldacena [1998]: AdS/CFT
”Den andra sträng- revolutio nen”
Hadroner och den Starka Kraften
• För mesoner gäller:
• Veneziano [1968]: skrev ner formel
• Nambu, Nielsen,
Susskind [1970]: formeln beskriver en öppen
sträng
• En meson: två kvarkar
förbundna med en sträng (kvarkinstängning)
_
Inte stark, men gravitation
• Strängmodellen ej bra för hadroner
• Scherk, Schwarz, Yoneya [1974]: En kvantmekanisk sträng beskriver
automatiskt gravitation (kvantgravitation)
• Problem: En partikel med imaginär massa, Tachyon
• Lösning: Supersymmetri och supersträng (Neveu, Ramond, Green, Schwarz, Brink [1974-198?])
Supersymmetri
• Relaterar Fermioner och Bosoner
• Varje partikel har en super-partner
• elektron – selektron, neutrino – sneutrino, kvark – skvark,
foton – fotino, gluon – gluino,
graviton - gravitino
Green & Schwarz [1984]: Supersträngteorin är fri från anomalier
1985: Fem olika strängteorier
• Typ I
• Typ IIA
• Typ IIB
• Heterotisk SO(32)
• Heterotisk E8xE8
• Alla lever i 10 dimensioner (9 +1)!
Supersträngar
Extra Dimensioner
Konsistent med det vi observerar om de extra dimensionerna är
”hoprullade” (kompakta) och små
• Varje punkt är ett litet 6-
dimensionellt rum!
• Geometrin på rummet
bestämmer mikroskopisk fysik … ger en
”standardmodell”
• Väldigt speciella rum…
Calabi-Yau
Den andra strängrevolutionen ca 1992-1998
• Alla fem supersträngteorier är relaterade via dualiteter!
• Även högredimensionella objekt behövs (finns redan där automatiskt) – D-bran!
(strängar = 1-bran, membran = 2-bran, o s v)
• De fem är även duala till en teori i 11 dimensioner!
M-teori [Witten 1995]
D-bran [Polchinski, 1995]
Öppna strängar kan sitta fast i D-bran:
Dynamiska objekt
Sammanfattat:
• Partiklar ersätts med strängar
• + Kvantiserad gravitation och ”nästan- standardmodeller” är en följd!
• + Strängteori är unik!
• - Endast begränsad kunskap om vad strängteori verkligen är
Det finns problem
• Svårt att testa hypotesen experimentellt, antagligen bara möjligt indirekt
• Verkar finnas abnormt många olika
Universa med ”nästan-standardmodeller”
(~10^(500), Landskap av strängvakum)
• Har funnits i 33 år utan större kontakt med experiment eller fenomenologi
Så, varför jobbas det så mycket på strängteori?
• Fysiker obenägna att tro på enormt osannolika sammanträffanden
• Förenar kvantmekanik och gravitation
• Gör ”teoretiska förutsägelser”: Entropin hos svarta hål!!
• Svårt hitta likvärdiga alternativ
Informationsparadoxen
• Entropi mått på informationsmängd
• Kvantmekanik: Information är bevarad
• Kasta in ”information” i ett svart hål:
endast information om massa och elektrisk laddning finns kvar (”black holes have no hair”)!
Informationsparadoxen
• Kvantmekaniska svarta hål avger
svartkroppsstrålning (innehåller ingen information) [Hawking, 1974]
• När all materia i det svarta hålet har strålat bort så är all information
förstörd
Hawkingstrålning
D-bransrealisering av svarta hål Strominger & Vafa [1996]
• Vissa konfigurationer av D-bran beskriver svarta hål
• Går att från första principer beräkna
”informationsinnehållet” och Hawkingstrålning i ett svart hål
• Resultat:
– Entropin är exakt den som slängs in
– Hawkingstrålningen får korrektioner som innehåller information
Maldacena-Dualitet
• Strängteori i ett krökt rum med negativ
kosmologisk konstant beskrivs fullständigt av en teori på ”randen” [Maldacena, 1998]
• Ny bild av strängteori/starka kraften
• Har lyckats beskriva vissa observerade fenomen bättre än standardmodellen!
(viskositet i kvark-gluon vätska)
Vad händer härnäst?
• LHC letar efter supersymmetri och extra dimensioner [2010-]
• Största delen av strängteori/M-teori är
okänd…ytterligare forskning krävs i …hur många år?
• Välkommet med experimentell input
