Strängteorins böljande landskap

Vad som verkligen intresserar mig är huruvida Gud hade något val vid världens skapande, skrev Albert Einstein. Han drömde om att hitta naturlagar som går att härleda ur enkla principer. Strängteorin väckte – när den kom till för ungefär fyrtio år sedan – förhoppningar om att valmöjligheterna faktiskt var begränsade.

Många fysiker var övertygade om att strängteorin ur en enda beståndsdel, strängarna, skulle kunna härleda alla partiklar som finns i vår värld och kunna ange deras massor och laddningar. Även alla naturkonstanter skulle springa ur teorin. Deras värden, som i dag verkar ytterst godtyckliga, skulle på något sätt förklaras och framstå som de enda möjliga.

Så blev det inte riktigt. De senaste årens forskning tycks snarare visa att strängteori inte bara handlar om vårt universum, utan beskriver en ofantlig mängd parallella världar. Alla dessa tänkbara världar utgör tillsammans strängteorins landskap, med många ”berg och dalar”.

Varje dal i landskapet motsvarar ett nytt universum med egna fysikaliska lagar. Olika universum skiljer sig åt i materieinnehåll och styrs av egna naturkrafter. Gravitationen kan till exempel variera i styrka från dal till dal. Vissa dalgångar i stränglandskapet kan likna vårt eget kosmos med stjärnor och galaxer, och kanske till och med solar och planeter som vår. Andra världar utvecklar aldrig en sådan komplexitet.

Men var någonstans finns vår värld i detta vidsträckta landskap? Det är det ingen som vet i dag, men vi hoppas att bland alla de oräkneliga dalarna hitta en som beskriver vår värld.

Vi har i dag två välfungerande teorier som beskriver nästan allt i världen – kvantmekaniken och relativitetsteorin. Med kvantmekaniken kan vi förstå de små, lätta och snabba partiklarna i mikrokosmos. Einsteins relativitetsteori beskriver i stället de stora, tunga objekten i makrokosmos. Behöver vi då något mer? Ja, vårt universum innehåller också objekt som är både små och tunga. De mest extrema är svarta hål, där en enorm mängd materia trängs ihop i en mycket liten rymd. För att beskriva dem krävs en teori som tar hänsyn till både mikro- och makrokosmos. Strängteorin är just en sådan teori.

Idén bakom strängteorin är mycket enkel. I stället för att föreställa sig alla partiklar som punkter utan någon som helst utsträckning, beskrivs de som små vibrerande ”gummiband” – strängar. Olika vibrationsmönster hos en sträng ger upphov till olika partiklar, precis som olika svängningar hos en gitarrsträng ger upphov till olika toner.

Alla partiklar som forskningen hittills har hittat i världsalltet kan alltså beskrivas som en liten vibrerande sträng. Men strängarna ger också upphov till elementarpartiklar som vi ännu inte observerat. En av dessa är gravitonen som krävs för att beskriva gravitationen på ett kvantmekaniskt sätt. Med den partikeln förenas kvantfysiken med gravitationsteorin i en enda teori. Ur en enkel sträng får vi alltså fram de lagar som beskriver dynamiken hos hela universum.

En oväntad och intressant aspekt av strängteorin är att den förutsäger hur många dimensioner världen har. Tyvärr är detta inte bara intressant, utan också problematiskt. För att strängteorin ska vara matematiskt välfungerande, måste rumtiden vara tiodimensionell: nio rumsriktningar och en tidsriktning. Det är inte precis den värld vi känner till.

Vi ser bara tre riktningar i rummet: höjd, bredd och djup. Men vi rör oss också framåt med tiden, så vår värld betraktas av fysikerna som fyrdimensionell. Fler dimensioner kan vi knappt föreställa oss.

Med fysikens ut-veckling har vi dock ibland fått acceptera sådant som först verkade otänkbart, så vi bör därför inte dra några förhastade slutsatser. En tiodimensionell teori skulle faktiskt kunna beskriva vår värld, om de sex extra dimensionerna av någon anledning vore osynliga för oss. De kan till exempel ha rullats ihop och blivit mycket små.

Då kan världen uppfattas som fyrdimensionell, åtminstone så länge vi håller oss till relativt låga energier. Men vid höga energier kan de extra dimensionerna ge sig till känna.

Vi skulle till exempel kunna få syn på tunga partiklar som de dolda dimensionerna ger upphov till, tyngre varianter av var och en av de partiklar som vi hittills känner till. Partiklar får högre energi när de snurrar runt en hoprullad dimension. Vi som lever i den fyrdimensionella världen tolkar partikelns högre energi som en högre massa och tror därmed felaktigt att vi har hittat en ny sorts partikel i stället för att tolka upptäckten som ett tecken på de extra dimensionerna.

En viktig poäng är att det går att rulla ihop fler än en dimension på oändligt många olika sätt. Två kompakta dimensioner kan till exempel formas till något som liknar en badboll eller en badring eller packas ihop till någon annan form.

Formen påverkar i sin tur egenskaper hos den värld de extra dimensionerna beskriver, eftersom de banor som partiklarna följer inte blir likadan kring en boll och en badring (eller deras flerdimensionella motsvarigheter). Därmed blir också energierna för de snurrande partiklarna olika. Bollens eller ringens exakta form och storlek bestämmer hur den resulterande fyrdimensionella världen ser ut.

Ur denna insikt kommer idén om strängteorins landskap. I tio dimensioner är teorin unik, men när de extra dimensionerna rullas ihop uppenbaras många möjliga världar.

För att den fyrdimensionella världen över huvud taget ska likna vårt universum måste den kompakta geometrin hos de dolda dimensionerna hållas stabil. Stabiliteten i strängteorin upprätthålls av så kallade bran och flöden, vilka man kan uppfatta som ett slags gummiband som lindas runt de kompakta dimensionerna och håller dem på plats.

De extra dimensionerna vrider och vänder på sig för att uppnå lägsta möjliga energi, precis som en kula i en skål rullar ner till bottnen där dess potentiella energi är lägst. Vi kan tänka oss en bild av den potentiella energin hos olika världar som just strängteorins landskap med många berg och dalar.

Strängteorin tycks alltså beskriva en stor mängd tänkbara världar, och det verkar därför svårt att använda teorin för att få en slutgiltig och entydig förklaring till varför vårt universum ser ut som det gör. Det finns än så länge inte någon princip som leder oss till den dal som beskriver just vårt universum. Snarare verkar det som att de flesta världarna skulle vara möjliga. Kanske måste vi acceptera att det är av en slump som vårt universum ser ut som det gör och har fått de naturlagar det har.

De olika dalarna i landskapet motsvarar olika världar som skiljs åt av bergskedjor, potentialbarriärer, som måste passeras för att man ska ta sig från en dal till en annan. Att ta sig över ett berg innebär för en värld att den övergår i en annan. Men man behöver faktiskt inte gå över berget, utan det räcker att tunnla igenom barriären.

Tunnling är ett välkänt kvantmekaniskt fenomen, som innebär att det finns en liten sannolikhet för ett system att ta sig igenom en barriär trots att systemets energi egentligen är för liten. Det finns alltså en liten chans (eller risk) att ett universum som finns i en dal i strängteorilandskapet tunnlar genom ett bergsmassiv och rullar ut i en annan dal, där den fyrdimensionella fysiken ser annorlunda ut.

Men att flytta från en värld till en annan innebär ödesdigra följder. De partiklar som vi består av existerar knappast i den andra världen. Så om vårt universum tunnlar in i ett annat kommer vi obönhörligen att upplösas. Våra kroppar övergår då i ett partikelmoln som består av den nya världens materia.

Hur kan då en sådan tunnlingsprocess se ut? Hur stor är sannolikheten för att den alls äger rum? Beräkningar visar att ett helt universum inte kan tunnla över till ett annat på en gång. I stället skulle bara en liten bubbla av det nya universumet bildas någonstans. Om bubblan utvidgar sig skapas ett helt nytt universum, samtidigt som allt som står i vägen slukas av den växande bubblan. Men den behöver inte fylla och helt ta över sitt moderuniversum. Det beror på expansionstakten.

Många av dalarna i landskapet liknar vårt expanderande universum. Är expansionen snabbare än takten för nya bubblor att bildas, kommer de två världarna att existera sida vid sida. Fler och fler bubblor bildas då, utvidgas till helt nya världar och lever i en evigt pågående inflation. Vissa av dessa bubbelvärldar fylls kanske med tiden med stjärnor och galaxer, och måhända även med planeter där liv kan uppstå.

Det är fullt möjligt att vår värld blev till just ur en tunnlande bubbla, som började utvidga sig och gör så än i dag. I så fall liknar själva tunnlingsprocessen den stora smällen, big bang. Eftersom strängteorin ger oss verktyg att beskriva denna process kan vi hoppas att kunna se längre tillbaka i tiden än vad någon tidigare vågat drömma om. Därmed kan studier av strängteorins landskap inte bara beskriva detaljerna i vårt universums födelse, utan kanske till och med avslöja vad som hände före big bang.