De snaartheorie is al decennialang een veelgenoemde kandidaat om quantummechanica te combineren met Einsteins relativiteitstheorie. Maar door gebrek aan experimenteel bewijs zijn niet alle natuurkundigen ervan overtuigd dat alles om ons heen uit minuscule snaartjes bestaat. Natuurkundigen van onder meer de Radboud Universiteit in Nijmegen hebben nu aangetoond dat de snaartheorie niet de enige manier is om de twee belangrijke theorieën te verenigen.
Volgens de snaartheorie, die vijftig jaar geleden het licht zag, zijn niet puntvormige deeltjes maar minuscule snaren de kleinste bouwstenen van alles om ons heen. Deze snaartjes kun je zien als trillende mini-elastiekjes. Alle verschillende elementaire deeltjes (zoals quarks en elektronen) zijn volgens deze theorie snaren die op verschillende manieren trillen.
Elegante theorie
De snaartheorie werd in de jaren tachtig en negentig populair onder fysici. Het maakt het namelijk mogelijk om twee grootste fysische theorieën te combineren: Einsteins algemene relativiteitstheorie en quantummechanica. Beide hebben hun kracht herhaaldelijk bewezen. De eerste beschrijft extreem nauwkeurig hoe de zwaartekracht werkt. De tweede voorspelt het gedrag van elementaire deeltjes op de allerkleinste schaal. Het combineren van de twee is echter erg lastig. De snaartheorie zou dat kunstje mogelijk kunnen klaren.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Bovendien is de snaartheorie elegant. ‘Het is wiskundig een mooie theorie die veel kan verklaren op basis van enkele wiskundig nette formules’, zegt theoretisch natuurkundige Frank Saueressig van de Radboud Universiteit.
Sommige fysici dachten dat de deeltjesversneller LHC van CERN, in Genève, zou aantonen dat de snaartheorie klopt. Volgens de snaartheorie zouden er namelijk zogeheten supersymmetrische deeltjes kunnen bestaan. Die lijken op de deeltjes die we kennen, zoals elektronen, maar zijn veel zwaarder. De LHC zou die hypothetische deeltjes kunnen vinden.
‘Maar dat is nog niet gebeurd’, vervolgt Saueressig. ‘Er is geen bewijs gevonden voor supersymmetrische deeltjes of extra dimensies, twee dingen die hadden kunnen duiden op de snaartheorie.’
Daarnaast blijkt het lastig om met de snaartheorie de wereld om ons heen te beschrijven. Als je eraan rekent komen er deeltjes, krachten of natuurconstanten uit voort die we niet om ons heen waarnemen. Dat betekent niet dat het onmogelijk is om onze wereld met snaartheorie te beschrijven. Misschien is de juiste manier gewoon nog niet gevonden.
Alternatief
Maar de snaartheorie is niet de enige manier om de algemene relativiteitstheorie en de quantummechanica te verenigen. ‘In ons artikel hebben we gekeken naar een alternatieve theorie die bijna even lang bestaat als de snaartheorie. Dat alternatief heeft geen supersymmetrische deeltjes nodig’, zegt Saueressig. ‘Maar het is wiskundig absoluut niet elegant. Het vereist lastige berekeningen waar nieuwe wiskundige technieken voor ontwikkeld moeten worden. De gebruikelijke wiskundige trukendoos werkt niet.’
In hun artikel hebben de fysici aangetoond dat deze alternatieve theorie in principe even goed werkt als de snaartheorie om de algemene relativiteitstheorie en quantummechanica te combineren.
‘Dat we dit hebben kunnen aantonen is te danken aan het jarenlang opbouwen van wiskundige technieken’, zegt Saueressig. De doorbraak kwam tijdens de coronacrisis. ‘In die tijd hadden we een sterke samenwerking waarbij we elkaar ‘s avonds online spraken. Tijdens die gesprekken viel alles samen. Het was een kwestie van het juiste moment en de juiste mensen samen in een chatroom hebben.’
Om de alternatieve theorie te testen, zou je kunnen kijken of het correct voorspelt wat er gebeurt bij botsingen van deeltjes bij extreem hoge energieën. Helaas is zo’n experiment de komende decennia niet mogelijk hier op aarde. Er zijn namelijk energieën voor nodig die biljoenen keren hoger zijn dan wat de LHC nu voor elkaar kan boksen. De onderzoekers zoeken daarom naar andere voorspellingen die mogelijk eerder te testen zijn. Ook onderzoeken ze wat er volgens de theorie gebeurt als deeltjes in een zwart gat vallen.
Elegant universum
Saueressig wil de snaartheorie niet afschrijven. ‘Ik respecteer heel erg wat snaartheoretici doen en hoe ver de theorie is ontwikkeld. Er is ook veel interessante mathematische fysica uit voortgekomen. We stellen in ons artikel een alternatief voor en tonen daarmee aan dat snaartheorie niet de enige manier is om de algemene relativiteitstheorie en quantummechanica te verenigen.’
Betekent dat dat het universum misschien niet zo elegant als de snaartheorie doet voorkomen? Saueressig: ‘Ik zou zeggen dat het universum mogelijk op een andere manier elegant is.’