M-teori Strängteori Supersträngteori Einsteins Dröm Att förena gravitation och elektromagnetism i en (klassisk) teori Kaluza [1919], Klein [1922]: Allmän relativitetsteori i en extra dimension kanske ger elektromagnetism Behöver kvantmekanik, och alla krafter var då inte kända Kanske nu möjligt att realisera?
Mikrokosmos Krafter Materia Elektrosvag + materia: Standardmodellen Fyra naturkrafter Elektromagnetism Svag Stark Gravitation
Mikrokosmos: Standardmodellen EM, svag & stark kraft + materiepartiklar Kvantmekanik Speciell relativitetsteori +Oerhört framgångsrik -Förklarar inte allt: 19 (el. 29) fria parametrar Kvantfältteori Standardmodellen i formler
LEP experimentet vid CERN utanför Geneve verifierade Standardmodellen Gravitation R µν + (Λ 1 2 R)g µν = 8πGT µν Den allmäna relativitetsteorin [Einstein, 1915] + Oerhört framgångsrik - Inkompatibel med kvantmekanik (och därmed Standardmodellen)
Standardmodellen/Allmän relativitetsteori Beskriver alla fenomen vi hittills observerat 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? Finns det strängar? Ingen vet, 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? Förutsägelser som pekar mot att strängar finns: Supersymmetri Extra dimensioner 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 Strängteori t världslinje sluten världsyta öppen
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 Den andra strängrevolutio nen Maldacena [1998]: AdS/CFT
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 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
Relaterar Fermioner och Bosoner Varje partikel har en super-partner Supersymmetri 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 Supersträngar Alla lever i 10 dimensioner (9 +1)! Extra Dimensioner Konsistent med det vi observerar om de extra dimensionerna är hoprullade (kompakta) och små (urspr. idé Kaluza-Klein)
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 nästanstandardmodeller är en följd! + Strängteorin är den enda som lyckas med bedriften! - 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 observerade fenomen bättre än standardmodellen! Vad händer härnäst? LHC letar efter supersymmetri och extra dimensioner [2009] Största delen av strängteori/m-teori är okänd ytterligare forskning krävs i hur många år? Välkommet med experimentell input
Vad hade Einstein sagt?