De snaartheorie

De snaartheorie en de daarvan afgeleide M-theorie zijn hypothesen die proberen de 4 fundamentele natuurkrachten in de natuurkunde te weten de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke kernkracht en de zwaartekracht met één universele omvattende basistheorie te verklaren.

De kracht die elektrische geladen deeltjes voelen door elektromagnetische velden, heet de elektromagnetische kracht. Het is een van de vier fundamentele natuurkrachten, naast zwaartekracht, sterke kernkracht en zwakke kernkracht. Alle andere krachten zijn op de een of andere manier het gevolg van deze vier. De elektromagnetische kracht speelt naast de zwaartekracht een zeer grote rol in het dagelijkse leven. Deze kracht ligt aan de basis van de chemische eigenschappen van materie. Zo zullen de interacties tussen atomen en moleculen worden bepaald door de interagerende elektronen en zijn vaste stoffen vast door de elektrische en magnetische afstoting van de elektronen van de atomen en in de stof.

De sterke kernkracht of sterke wisselwerking is de sterkste van de vier fundamentele natuurkrachten uit de natuurkunde. De sterke kernkracht beïnvloedt alleen quarks en antiquarks en is verantwoordelijk voor het samenbinden van quarks zodat deze hadronen kunnen vormen zoals protonen en neutronen.
Residuële effecten (samengevat in de Yukawa-potentiaal) reiken tot buiten het hadron en binden de neutronen en protonen vervolgens tot de kern van het atoom. Zonder deze kracht zouden de positief geladen protonen elkaar afstoten en zou een atoomkern niet kunnen bestaan.
De sterke kernkracht ontstaat door het continu uitwisselen van krachtvoerende deeltjes tussen de quarks. Deze krachtdragende deeltjes heten gluonen (van het Engelse "glue" dat lijm betekent).
De werking wordt ook wel omschreven met de term "kleurkracht". Daarbij gaat men er vanuit dat quarks drie kleuren kunnen hebben (rood, blauw, groen) en anti-quarks ook (anti-rood, anti-blauw, anti-groen). Een gluon transporteert kleurlading van de ene naar de andere.

De zwakke kernkracht is één van de 4 fundamentele natuurkrachten. Aan de zwakke kernkracht wordt de oorzaak van beta-verval en het daarmee geassocieerde radioactiviteit toegeschreven. De zwakke kernkracht wordt overgebracht door W-bosonen (W+ en W-) en Z-bosonen (Z0) en beïnvloedt
• neutrino's
• geladen leptonen
• quarks
De zwakke kernkracht stelt leptonen en quarks (en hun antimaterie-tegenhangers) in staat energie, massa en lading tegen elkaar uit te wisselen. Met een veldsterkte die een factor 109 kleiner is dan de sterke kernkracht is de invloed van de zwakke kernkracht beperkt tot in de atoomkern. De kleine actieradius wordt verklaard door de relatief grote massa/energie van de zwakke deeltjes (80 GeV)
De zwaartekracht of gravitatie is de aantrekkende kracht die twee objecten op elkaar uitoefenen. De zwaartekracht is er de oorzaak van dat alles op aarde naar beneden valt. De zwaartekracht werkt ook op grote afstand, bijvoorbeeld tussen de aarde en de maan en tussen melkwegstelsels. De zwaartekracht die verantwoordelijk is voor het vallen van een appel zorgt er eveneens voor dat de maan of een satelliet in een baan om de aarde blijft. Op zeer grote schaal zorgt de zwaartekracht voor veranderingen in de uitdijing van het heelal.
Er bestaan momenteel drie vormen van mechanica: De klassieke of Newtoniaanse mechanica werkt goed in alledaagse situaties, de kwantummechanica is geschikt wanneer de afstanden erg klein worden, terwijl de relativiteitstheorie de natuur op grote afstanden, onder sterke gravitatie en bij hoge snelheden beschrijft.
Meestal hebben kwantummechanica, klassieke mechanica en relativiteitstheorie hun eigen toepassingsgebied, door het verschil in grootteschaal waar ze van toepassing zijn. In sommige toepassingen heeft echter meer dan één theorie invloed, bijvoorbeeld de gravitatie op kleine schaal bij zwarte gaten en in de eerste tijd na de oerknal. Er is nog steeds geen omvattende theorie voor gevallen waar zowel relativistische als kwantummechanische effecten een rol spelen. Er zijn vier verschillende krachten: de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Al lang probeert men deze krachten te verklaren met één universele theorie. Voor de eerste drie krachten lukte dat, maar niet met de zwaartekracht. Men veronderstelt een deeltje, het graviton, dat verantwoordelijk is voor de zwaartekracht (de vierde elementaire kracht), maar dat deeltje is nog niet aangetoond.
In de snaartheorie zijn niet puntdeeltjes, maar snaren, dat wil zeggen tweedimensionale objecten, de wezenlijke elementen. We zien de snaren niet als zodanig, omdat ze zijn samengetrokken tot formaten kleiner dan wij kunnen waarnemen, tussen de Plancklengte (10-35 meter) en de met de huidige techniek kleinst meetbare afstand 10-15 meter. De verschillende mogelijke trillingen van deze snaren vormen wat wij waarnemen als krachten en deeltjes. Zoals een snaar van een viool verschillende tonen kan voortbrengen door de lengte van de snaar te veranderen, kan een snaar verschillende basisdeeltjes vormen, zoals quarks of elektronen.

De wiskundige voorstelling van de snaartheorie maakt een meerdimensionale ruimte nodig. In onze huidige wereld kennen we drie tastbare dimensies. Deze dimensies staan loodrecht op elkaar. In de moderne natuurkunde, in het bijzonder in de relativiteitstheorie, beschouwt men de tijd als de vierde dimensie.
De snaartheorie gaat er van uit dat op zeer kleine schaal de ruimte niet vier-, maar tien-, of zelfs elfdimensionaal is. De zes 'extra' dimensies zijn 'opgerold', en daardoor niet waarneembaar. Omdat we ze ook met onze deeltjesversnellers nog niet gevonden hebben, moeten ze kleiner zijn dan het formaat dat overeenkomt met de energie van deze versnellers, ongeveer 10-15 meter.
n de kwantummechanica kan een theorie van open snaren geformuleerd worden, welke massaloze deeltjes veronderstelt. Massaloze deeltjes kenden we reeds in het standaardmodel van de kwantummechanica. De formulering van de theorie van de open snaren in de kwantummechanica bevat dus een van de basisdelen van het standaardmodel.
De theorie van gesloten snaren in de kwantummechanica veronderstelt eveneens vele massaloze deeltjes. Een van deze is een massaloos deeltje met spin 2. Dit komt overeen met het deeltje dat nodig is om de algemene relativiteitstheorie te beschrijven.
Een mogelijkheid is dat alle snaren, muv die van de gravitons, open zijn, en de uiteinden zitten 'vastgeplakt' aan een dimensie. Zwaartekracht-deeltjes zijn gesloten, waardoor ze niet langer aan een dimensie vastzitten. Ze kunnen dus onze dimensies verlaten, wat zou verklaren waarom de zwaartekracht zoals wij deze waarnemen relatief erg zwak is t.o.v. de andere drie krachten.
Er zijn verschillende snaartheorieën, waarvan er vijf werken met supersnaren. Deze vijf supersnaar theorieën zijn met elkaar verwant, alsof ze de werkelijkheid vanuit een verschillend standpunt belichten. Men is momenteel bezig een theorie te ontwerpen die een samenvattende formulering is van deze vijf snaartheorieën: dit noemt men de M-theorie. M kan staat voor membraan, magie, mysterie, matrix of misschien zelfs moeder: M-theorie als moeder van alle theorieën.
In 1921 ontwikkelden Theodor Kaluza en Oskar Klein onafhankelijk van elkaar het idee dat elektromagnetisme in een verenigde krachtentheorie afgeleid kan worden van zwaartekracht als er vier in plaats van drie ruimtelijke dimensies zijn, en deze vierde opgerold is in een kleine cirkel.
De officiële geboorte van de snaartheorie gaat terug tot 1970, toen drie theoretici op het gebied van elementaire deeltjes zich realiseerden dat tweeledige theorieën die in 1968 ontwikkeld zijn, ook de kwantummechanica van trillende snaren beschrijven. Na een jaar of vijf werd deze theorie vergeten, omdat de quarks meer konden verklaren.
De snaartheorie maakte rond 1974 een rentree, toen men zich realiseerde dat deeltjes met spin 2 massa 0 moeten hebben, wat overeenkomt met wat we van het graviton verwachten. Hiermee had de snaartheorie zich gepositioneerd als een "theorie voor alles", dat wil zeggen een verenigde theorie voor de vier elementaire krachten.

Sommige natuurkundigen geloven dat de snaartheorie in de niet zo verre toekomst tot een universele theorie zou kunnen leiden, andere natuurkundigen verzetten zich ertegen. Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow heeft haar met middeleeuwse theologie vergeleken, meer op geloof en gedachtespinnerij gebaseerd dan op waarnemingen en proefnemingen, en een andere Nobelprijswinnaar, Richard Feynman, deed ze botweg af als 'onzin'.
Op de website van de Universiteit van Amsterdam stond een soort persbericht n.a.v. de Spinozapremie, gewonnen door Robbert Dijkgraaf:
"Snaartheorie is de extreemste vorm van theoretische fysica en de belangrijkste kandidaat voor een kwantummechanische beschrijving van de zwaartekracht. Dat is nodig omdat de huidige theorieën, in het bijzonder de relativiteitstheorie, onvolledig zijn. Snaartheorie werkt niet met elektronen of quarks maar met een soort mini-elastiekjes die op allerlei wijzen kunnen trillen. Alle verschillende elementaire deeltjes om ons heen zouden dan ontstaan als de trillingen van een enkele snaar, zoals de boventonen van een vioolsnaar. Op deze wijze is het mogelijk ook de zwaartekracht volgens de wetten van de kwantummechanica te beschrijven. Met dat uitgangspunt kan snaartheorie bijvoorbeeld extreem zware én erg kleine objecten beschrijven, zoals zwarte gaten en het heelal vlak na de oerknal."