melkweg

De wetenschap is al bijna een eeuw op zoek naar een theorie die het hele universum uit kan leggen, één formule die precies verklaart hoe het universum in elkaar steekt. De snaartheorie is al een aantal decennia de gedoodverfde favoriet voor zo’n ‘Theorie van Alles’. Maar kan deze favoriet het waarmaken?

Als er een theorie is die de kwantumfysica en de relativiteitstheorie samen moet kunnen koppelen, dan is snaartheorie al jaren de grootste kandidaat. Toch spelen er altijd weer nieuwe problemen op. De vraag is: houden de problemen ooit op? Kunnen we de snaartheorie ooit omarmen als een Theorie van Alles?

Materie (1) is volgens de snaartheorie te ontleden in moleculen (2), atomen (3), elektronen (4), quarks (5) en snaren (6). Afbeelding: MissMJ (via Wikimedia Commons).

Materie (1) is volgens de snaartheorie te ontleden in moleculen (2), atomen (3), elektronen (4), quarks (5) en snaren (6). Afbeelding: MissMJ (via Wikimedia Commons).

Planck en Einstein
Max Planck kwam rond het jaar 1900 met de kwantumfysica, de natuurwetten die de allerkleinste deeltjes beschrijven. Albert Einstein volgde zo’n vijftien jaar later met zijn beroemde relativiteitstheorie, een uitleg van het allergrootste. Beide theorieën zijn op het eigen grondgebied voor alle examens geslaagd. Het probleem: ze kunnen niet samenkomen. De kwantumwetten falen wanneer toegepast op de grootste schalen, de relativiteit faalt juist op de kleine. Dat is waar snaartheorie om de hoek komt kijken. Het oorspronkelijke idee stamt uit het eind van de jaren zestig. Het houdt in dat alle fundamentele deeltjes (quarks, fotonen, elektronen) in principe trillende, één-dimensionale energiesnaartjes zijn. Ze hebben dus alleen een lengtemaat. De manier waarop zo’n snaar trilt, bepaalt vervolgens welk deeltje het voorstelt en welke eigenschappen het heeft. Het grote voordeel van zo’n model is dat alle deeltjes in principe hetzelfde zijn; trillende energiesnaren. Op die manier verbindt de snaartheorie alles met elkaar. Het is een puur wiskundig model, wat problemen met zich meebrengt wanneer u de natuur probeert te beschrijven. Zo stelt de theorie dat we in een 11-dimensionaal universum leven. Sommige versies van de theorie geven zelfs nog veel meer dimensies. Maar we zien maar drie ruimtelijke dimensies en merken daarnaast de tijddimensie, dus waar zijn die andere zeven? Die extra dimensies zijn volgens de theorie zo klein in elkaar opgekruld dat we ze niet zien. Dit is voor het menselijk brein enorm moeilijk om ruimtelijk voor te stellen, maar dat is waar de wiskunde de oplossing biedt. Snaartheorie bestaat tegenwoordig niet alleen meer uit snaren. De theorie gaat nu vooral over membranen, of beter gezegd: p-branen. Dat zijn branen met p-aantal dimensies. Een snaar is dan een ééndimensionale braan. Zo’n snaar staat dan nog steeds voor een deeltje, maar dat zit weer gekoppeld aan een 2-braan, een membraan met een lengte én een breedtemaat. Zo bestaan er branen in elk aantal dimensies. Volgt u het nog een beetje?

Nieuwe deeltjes
Begin jaren zeventig had de snaartheorie een enorm succes. Een bepaalde trilling zou voor een deeltje zorgen dat zwaartekracht overbrengt: het graviton. Het graviton is een enorm raadsel in de deeltjesfysica. Het is de grootste missing-link in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dit was het lange tijd samen met het Higgs-boson, het deeltje dat alles massa geeft, maar dat is inmiddels gevonden. Het feit dat het graviton zo’n natuurlijk deel uitmaakt van de snaartheorie, maakt het een goede kandidaat voor een Theorie van Alles. Het legt de weg open naar kwantumzwaartekracht, de samenkomst van de kwantumfysica en de relativiteit.
Maar het graviton is niet het enige extra deeltje in de snaartheorie. De theorie voorspelt namelijk dat elk fundamenteel deeltje een superpartner heeft. Dat is het concept van de supersymmetrie. Deeltjes zijn te onderscheiden als fermionen (deeltjes van materie zoals quarks, elektronen en neutrino’s) en bosonen (energieoverbrengende deeltjes zoals fotonen). Elk fermion zou een tegenhangende boson hebben, en andersom. Aangezien de bekende deeltjes geen superpartners van elkaar zijn, betekent dat dat er een hele horde nieuwe fundamentele deeltjes zou zijn die we nog niet hebben waargenomen. Maar waar zijn die deeltjes dan?

“Bij elke fout kwam er weer meer nieuwe wiskunde aan te pas om dat weg te werken. Het is inmiddels voor iemand zonder wiskundige achtergrond haast onmogelijk om grip op de theorie te krijgen”

Problemen
Het enige wat in de geschiedenis van snaartheorie constant is gebleven, is de opkomst van problemen. In het begin voorspelde de theorie onder meer 25 dimensies en het bestaan van deeltjes met negatieve massa. De supersymmetrie wist dit weg te werken. Dat bracht dan weer oneindige parameters met zich mee, iets wat onmogelijk lijkt in de natuur. Dit werd weer opgelost door gesloten snaren, waarbij de twee uiteindes van de snaar aan elkaar vastzitten. Hierna ontstonden er vijf verschillende snaartheorieën, die allemaal weer net niet klopten. Deze vijf theorieën werden half jaren ’90 samengevoegd in de M-theorie, wat dan eindelijk de Theorie van Alles moest zijn. Maar nee, ook de M-theorie kende zijn zwakke kanten. Er ontstonden weer meer en meer versies. Het werd ingewikkelder en ingewikkelder. Ondertussen is het nog steeds een puur wiskundig model. Bij elke fout kwam er weer meer nieuwe wiskunde aan te pas om dat weg te werken. Het is inmiddels voor iemand zonder wiskundige achtergrond haast onmogelijk om grip op de theorie te krijgen. De vraag is dan of zo’n extreem ingewikkeld concept nog gebruikt kan worden als een Theorie van Alles. Maar wie heeft ooit gezegd dat die theorie simpel moest zijn?

Natuurkundig onderzoek
Terug naar de supersymmetrie. Het brengt ook weer een voordeel met zich mee. Het maakt het mogelijk om natuurkundige experimenten te bedenken om de snaartheorie te onderzoeken. Want als deeltjes zoals squarks, neutralino’s en fotino’s bestaan, zouden ze ook te vinden moeten zijn. Alleen heeft u daar een enorme hoeveelheid energie voor nodig. Daar kwam in 2008 de oplossing voor: de Large Hadron Collider (LHC) in Genève. De enorme deeltjesversneller zou in staat moeten zijn sporen te vinden van de superpartners. In de twintig kilometer lange versneller worden fundamentele deeltjes met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar aan geslingerd. In 2012 had de LHC hiermee zijn grootste succes tot nu toe: het Higgs-boson werd gevonden. Voor de snaartheorie had hij echter minder succes. Sterker nog: nul resultaat. Geen enkel van de voorgestelde superpartners is tot op heden gevonden. Voor velen is dit reden om supersymmetrie, en daarmee de hele snaartheorie, te verwerpen. Toch stellen anderen dat er gewoon meer tijd en meer onderzoek nodig is om ze te vinden.

De Large Hadron Collider. Afbeelding: Maximilien Brice / CERN.

De Large Hadron Collider. Afbeelding: Maximilien Brice / CERN.

Zoeken naar superpartners
Sinds begin vorig jaar ligt de LHC stil voor een groot onderhoud. In 2015 moet hij weer gaan draaien, met twee keer zo veel energie als voorheen. Ondertussen is de wetenschap druk bezig met experimenten bedenken voor de versterkte deeltjesversneller. Bovendien wordt de enorme hoeveelheid data die de LHC de afgelopen jaren verzameld heeft constant doorgespit, op zoek naar sporen van de superpartners. Vanaf 2015 zal iedereen weer in spanning afwachten of er iets gevonden wordt. Waar wordt nou precies naar gezocht? Het is mogelijk dat de superpartners zich verschuilen in de opgekrulde dimensies die wij niet waarnemen. Misschien dat als je deeltjes met een belachelijke energie op elkaar knalt, zo’n superpartner heel eventjes in onze zichtbare dimensies terecht komt. De voorspelling is dat dit heel af en toe zou moeten kunnen gebeuren, en dat is wat men hoopt waar te nemen.

Of we ooit een Theorie van Alles vinden, zal alleen de toekomst uitmaken. Het zou zowel de grootste overwinning als de grootste nederlaag van de theoretische natuurkunde zijn. Wanneer we alles weten, is er niks meer te onderzoeken. Het is vaak veel interessanter als de resultaten een theorie tegenspreken, dan wanneer ze de theorie bevestigen. De zoektocht naar het antwoord is voor velen uiteindelijk veel interessanter dan het antwoord zelf. Al meer dan veertig jaar heeft men het gevoel heel dichtbij het antwoord te zijn, dus wie weet hebben we nog zeker veertig jaar spannend onderzoek te gaan.

Dit artikel is geschreven door Erik van Gemert (1991). Erik studeert journalistiek aan de Hogeschool Utrecht en heeft een passie voor wetenschap.