Hur universum skulle kunna ha fler dimensioner

String theory är en påstådd teori om allt som fysiker hoppas kommer en dag att förklara … allt.

alla krafter, alla partiklar, alla konstanter, alla saker under ett enda teoretiskt tak, där allt vi ser är resultatet av små, vibrerande strängar. Teoretiker har arbetat med idén sedan 1960-talet, och en av de första sakerna de insåg är att för teorin att fungera måste det finnas fler dimensioner än de fyra vi är vana vid.,

men den tanken är inte så galen som det låter.

relaterat: alternativ till Big Bang Theory explained (infographic)

Dimensional disaster

i strängteori uppträder små slingor av vibrerande stringiness (i teorin är de det grundläggande föremålet för verkligheten) som de olika partiklarna (elektroner, kvarkar, neutriner etc.) och som kraftbärare av naturen (fotoner, gluoner, gravitoner etc.). Hur de gör detta är genom sina vibrationer., Varje sträng är så liten att det verkar för oss som inget annat än en punktliknande partikel, men varje sträng kan vibrera med olika lägen, på samma sätt som du kan få olika anteckningar ur en gitarrsträng.

varje vibrationsläge tros relatera till en annan typ av partikel. Så alla strängar som vibrerar på ett sätt ser ut som elektroner, alla strängar som vibrerar på ett annat sätt ser ut som fotoner, och så vidare. Vad vi ser som partikelkollisioner är, i strängteorivyn,en massa strängar som slås samman och splittras.,

men för att matematiken ska fungera måste det finnas mer än fyra dimensioner i vårt universum. Detta beror på att vår vanliga rymdtid inte ger strängarna tillräckligt ” rum ” för att vibrera på alla sätt de behöver för att fullt ut uttrycka sig som alla sorter av partiklar i världen. De är för begränsade.

med andra ord vickar strängarna inte bara, de vickar hyperdimensionellt.

aktuella versioner av strängteori kräver totalt 10 dimensioner, medan en ännu mer hypotetisk übersträngsteori som kallas M-teori kräver 11., Men när vi tittar runt i universum ser vi bara de vanliga tre rumsliga dimensionerna plus tidens dimension. Vi är ganska säkra på att om universum hade mer än fyra dimensioner, skulle vi ha märkt det nu.

hur kan strängteorins krav på extra dimensioner möjligen förenas med våra vardagliga upplevelser i universum?

böjt och kompakt

Tack och lov kunde string teoretiker peka på en historisk antecedent för detta till synes radikala begrepp.,

tillbaka 1919, strax efter att Albert Einstein publicerade sin teori om allmän relativitet, lekte matematikern och fysikern Theodor Kaluza med ekvationerna, bara för skojs skull. Och han hittade något särskilt intressant när han lade till en femte dimension till ekvationerna – ingenting hände. Relativitetens ekvationer bryr sig inte riktigt om antalet dimensioner; det är något du måste lägga till för att göra teorin tillämplig på vårt universum.,

men sedan lade Kaluza till en speciell vridning till den femte dimensionen, vilket gör att den lindas runt sig själv i vad han kallade ”cylinderförhållandet.”Detta krav gjorde något nytt pop out: Kaluza återhämtade de vanliga ekvationerna av allmän relativitet i de vanliga fyra dimensionerna, plus en ny ekvation som replikerade uttrycken för elektromagnetism.

det såg ut som att lägga till dimensioner skulle kunna förena fysik.

i efterhand var detta lite av en röd sill.,

ett par decennier senare försökte en annan fysiker, Oskar Klein, ge Kaluzas idé en tolkning när det gäller kvantmekanik. Han fann att om denna femte dimension existerade och på något sätt var ansvarig för elektromagnetism, måste den dimensionen skruvas ner och vikas tillbaka runt sig själv (precis som i Kaluzas ursprungliga idé), men mycket mindre, ner till en bare 10^-35 meter.

de många grenrören av strängteori

om en extra dimension (eller dimensioner) verkligen är så liten skulle vi inte ha märkt det nu., Det är så litet att vi inte kunde hoppas på att direkt sondera det med våra högenergiexperiment. Och om dessa dimensioner är insvept på sig själva, då varje gång du flyttar runt i fyrdimensionellt utrymme, du verkligen circumnavigating dessa extra dimensioner miljarder på miljarder gånger.

och de är dimensionerna där strängteoriens strängar lever.,

med ytterligare matematisk insikt fann man att de extra sex rumsdimensioner som behövs i strängteori måste förpackas i en viss uppsättning konfigurationer, kända som Calabi-Yao manifolds efter två framstående fysiker. Men det finns inte en unik grenrör som tillåts av sting teori.

det finns cirka 10^200,000.

det visar sig att när du behöver sex dimensioner att krypa upp på sig själva, och ge dem nästan alla möjliga sätt att göra det, Det … lägger upp.

det är många olika sätt att sätta in de extra dimensionerna på sig själva., Och varje möjlig konfiguration kommer att påverka hur strängarna inuti dem vibrerar. Eftersom de sätt som strängar vibrerar bestämmer hur de beter sig här i den makroskopiska världen, leder varje val av manifold till ett distinkt universum med sin egen uppsättning fysik.

så bara ett grenrör kan ge upphov till världen när vi upplever det. Men vilken?

strängteorin kan tyvärr inte ge oss ett svar, åtminstone inte ännu., Problemet är att strängteori inte är klar – vi har bara olika approximationsmetoder som vi hoppas komma nära den äkta varan, men just nu har vi ingen aning om hur rätt vi är. Så vi har ingen matematisk teknik för att följa kedjan, från specifik grenrör till specifik strängvibration till universums fysik.

svaret från strängteoretiker är något som kallas landskapet, ett multiversum av alla möjliga universum som förutspås av de olika grenrören, med vårt universum som bara en punkt bland många.,

och det är där strängteorin sitter idag, någonstans på landskapet.

• Einsteins relativitetsteori förklarade (infographic)
• bilder: Peering tillbaka till Big Bang& tidigt universum
• vad är nästa för kosmologi efter landmark gravitational wave discovery?

Paul M. Sutter är en astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institutet, mottagande av ställ en Spaceman och Utrymme för Radio och författare av Din Plats i Universum.

Följ oss på Twitter @Spacedotcom och på Facebook.,