Strengteoriens landskab

Teorien om strenge forudsiger, at universet kunne bebo en tilfældig "dal" ud af et i virkeligheden uendeligt udvalg af dale i et uhyre landskab af muligheder

Raphael Bousso & Joseph Polchinski*

Indhold:

Indledning
Kaluza-Klein teori og strenge

Box: Ekstra dimensioner
For mange løsninger?

Box: Strenglandskab
En sti gennem landskabet

Box: Multiverset
Vakuum energikrisen
Mere at udforske

Ifølge Albert Einsteins almene relativitetsteori opstår gravitationen af rummets og tidens geometri, som kombinerer og danner rumtiden. Ethvert massivt legeme efterlader et aftryk på rumtidens form, styret af en ligning Einstein formulerede i 1915. Jordens masse, f.eks., får tiden til at gå lidt hurtigere for et æble nær toppen af et træ end for en fysiker, der arbejder i dets skygge. Når æblet falder, reagerer det i virkeligheden på denne varpning af tiden. Rumtidens krumning holder jorden i sin bane omkring solen og driver fjerne galakser endnu længere fra hinanden. Denne forbavsende og smukke ide er blevet bekræftet af mange præcisionseksperimenter.
Givet succesen med at erstatte gravitationskraften med rummets og tidens dynamik hvorfor så ikke søge en geometrisk forklaring på de andre naturkræfter og selv for spektret af elementarpartikler? Faktisk beskæftigede denne søgen Einstein i det meste af hans liv. Han var særligt tiltrukket af arbejde af tyskeren Theodor Kaluza og svenskeren Oskar Klein, som foreslog, at hvor gravitation reflekterer formen af de fire velkendte rumtidsdimensioner, så opstår elektromagnetisme fra geometrien af en yderligere femte dimension, der er for lille til at se direkte (i det mindste indtil videre). Einsteins søgen efter en forenet teori huskes ofte som fejlslagen. Faktisk var den før sin tid: fysikerne måtte først forstå kernekræfterne og den afgørende rolle kvantefeltteorien havde ved beskrivelsen af fysik - en forståelse, der først blev opnået i 1970'erne.
Eftersøgningen af en forenet teori er en central aktivitet i teoretisk fysik i dag, og ligesom Einstein forudså det, spiller geometriske begreber en nøglerolle. Kaluza-Klein ideen er blevet kaldt til live igen og udvidet som en egenskab ved strengteori, et lovende skelet for foreningen af kvantemekanik, almen relativitet og partikelfysik. I både Kaluza-Klein gisningen og strengteori, er de fysiklove, vi ser, kontrolleret af formen og størrelsen af yderligere mikroskopiske dimensioner. Hvad bestemmer denne form? Nylige eksperimenter og teoretiske udviklinger antyder et slående og kontroversielt svar, der ændrer vort billede af universet meget.

Kaluza-Klein teori og strenge

Kaluza og Klein fremsatte deres begreb om en femte dimension tidligt i det 20. århundrede, da forskere kendte to kræfter - elektromagnetisme og gravitation. Begge falder omvendt proportionalt med kvadratet på afstanden fra deres kilde, så det var fristende at spekulere på, at de på en eller anden måde var forbundne. Kaluza og Klein bemærkede, at Einsteins geometriske teori om gravitation kunne give denne forbindelse, hvis der fandtes en yderligere rumlig dimension, så rumtiden ville være femdimensional.
Denne ide er ikke så vild som den forekommer. Hvis den ekstra rumlige dimension er krøllet sammen til en lille nok cirkel, vil den have undgået vore bedste mikroskoper - dvs., de kraftigste partikelacceleratorer. Desuden ved vi allerede fra almen relativitet, at rummet er fleksibelt. De tre dimensioner, vi ser, udvider sig og var engang meget mindre, så det er ikke så svært at forestille sig, at der er en anden dimension, som forbliver lille i dag.

Ekstra dimensioner

Skønt vi ikke kan se den direkte, ville en lille ekstra dimension have vigtige indirekte virkninger, som kunne observeres. Almen relativitet ville så beskrive en femdimensional rumtidsgeometri. Vi kan opdele denne geometri i tre elementer: formen af de fire store rumtidsdimensioner, vinklen mellem den lille dimension og de andre, og omkredsen af den lille dimension. Den store rumtid opfører sig ifølge almindelig firedimensional almen relativitet. På hvert sted inde i den har vinklen og omkredsen en eller anden værdi, ligesom to felter der gennemtrænger rumtiden og indtager visse værdier på hvert sted. Forbavsende nok viser det sig, at vinkelfeltet efterligner et elektromagnetisk felt, der lever i den firedimensionale verden. Dvs., de ligninger, der styrer dets adfærd, er identiske med elektromagnetismens. Omkredsen bestemmer den relative styrke af de elektromagnetiske og gravitationelle kræfter. Således opnår vi, ud fra en teori om gravitation alene i fem dimensioner, en teori om både gravitation og elektromagnetisme i fire dimensioner.
    Muligheden for ekstra dimensioner er også kommet til at spille en vigtig rolle i at forene almen relativitet og kvantemekanik. I strengteori, en førende indfaldsvinkel til den forening, er partikler i virkeligheden endimensionale genstande, små vibrerende ringe eller strenge. Den typiske størrelse af en streng er nær Planck længden eller 10^-33 centimeter (mindre end en milliarddel af en milliarddel størrelsen af en atomkerne). Som konsekvens heraf ligner en streng et punkt under alt mindre end Planck forstørrelse.
    For at teoriens ligninger skal være matematisk konsistente, skal en streng vibrere i 10 rumtidsdimensioner, hvilket betyder, at der findes seks ekstra dimensioner, som er for små til at være blevet detekteret endnu. Sammen med strengene kan flader kendt som "braner" (afledt af "membraner") af forskellige dimensioner være nedsænket i rumtiden. I den originale Kaluza-Klein ide, ville almindelige partiklers kvante bølgefunktioner fylde den ekstra dimension, selve partiklerne ville være smurt henover den ekstra dimension. I kontrast hertil kan strenge begrænses til at ligge på en bran. Strengteori indeholder også fluxer eller kræfter, der kan repræsenteres af feltlinier, meget som kræfter repræsenteres i klassisk (ikke-kvante) elektromagnetisme.
    Alt i alt ser strengbilledet mere kompliceret ud end Kaluza-Klein teori, men den underliggende matematiske struktur er i virkeligheden mere forenet og komplet. Det centrale tema i Kaluza-Klein teori forbliver: de fysiske love, som vi ser, afhænger af skjulte ekstra dimensioners geometri.

For mange løsninger

Nøglespørgsmålet er, Hvad bestemmer denne geometri? Svaret fra almen relativitet er, at rumtiden skal tilfredsstille Einsteins ligninger - med ordene af John Wheeler fra Princeton University, stof fortæller rumtiden, hvordan den skal krumme og rumtiden fortæller stof, hvordan det skal bevæge sig. Men løsningen til ligningerne er ikke unik, så mange forskellige geometrier er tilladt. Tilfældet med femdimensional Kaluza-Klein geometri giver et enkelt eksempel på den ikke-unikhed. Omkredsen af den lille dimension kan tage alle mulige størrelser: i fraværet af stof løser fire store flade dimensioner plus en omkreds af enhver størrelse Einsteins ligninger. (Lignende mangfoldige løsninger eksisterer også, når stof er tilstede.)
I strengteori har vi adskillige ekstra dimensioner, hvilket resulterer i mange flere justerbare parametre. En ekstra dimension kan kun pakkes sammen i en cirkel. Når der findes mere end én ekstra dimension, kan bundtet af ekstra dimensioner have mange forskellige former (teknisk, "topologier"), som en kugle, en doughnut, to doughnuts samlet og så videre. Hver doughnut ring (et "håndtag") har en længde og en omkreds, resulterende i et enormt udvalg af mulige geometrier for de små dimensioner. Foruden håndtagene svarer yderligere parametre til placeringen af braner og de forskellige mængder flux, der er viklet omkring hver ring.

Det skjulte rum. Enhver given løsning til strengteoriens ligninger repræsenterer en særlig konfiguration af rum og tid. Især angiver den indretningen af de små dimensioner sammen med deres tilknyttede braner (grønne) og kraftlinier kendt som fluxlinier (orange). Vor verden har seks ekstra dimensioner, så hvert punkt i vort velkendte tredimensionale rum skjuler et tilknyttet lille seksdimensionalt rum, eller manifold – en seksdimensional analog til cirklen omkring røret i ovenstående box. Fysikken, der observeres i de tre store dimensioner, afhænger af manifoldens størrelse og struktur: hvor mange doughnutlignende ”håndtag” den har, hvert håndtags længde og omkreds, antallet og placeringen af dens braner og antallet af fluxlinier, der er foldet omkring hver doughnut.

Dog er den store samling løsninger ikke alle ens: hver konfiguration har en potentiel energi, hvortil bidragene kommer fra fluxer, braner og selve krumningen af de opkrøllede dimensioner. Denne energi kaldes vakuum energien, fordi den er rumtidens energi, når de store fire dimensioner er fuldstændig blottet for stof eller felter. De små dimensioners geometri vil prøve at justere for at minimere denne energi, ligesom en bold placeret på en skråning vil begynde at rulle ned ad bakke til en lavere position.
For at forstå hvilke konsekvenser der følger af denne minimering, så fokuser først på en enkelt parameter: det skjulte rums totale størrelse. Vi kan tegne en kurve, der viser, hvordan vakuum energien ændrer sig, når denne parameter varierer. Ved meget små størrelser er energien høj, så kurven starter højt til venstre. Så, fra venstre mod højre, dypper den ned i tre dale, som hver er lavere end den foregående. Til sidst, til højre, efter at være klatret ud af den sidste dal, trækker den sig ned ad en flad skråning til en konstant værdi. Bunden af den venstre dal er over nul energi; den midterste er eksakt på nul; og den højre er under nul.
Hvordan det skjulte rum opfører sig afhænger af startforholdene - hvor "bolden", der repræsenterer det, starter på kurven. Hvis konfigurationen begynder til højre for den sidste top, vil bolden rulle afsted til uendeligheden og størrelsen af det skjulte rum vil vokse uden grænse (det vil ophøre med at være skjult). Ellers vil den falde til hvile i bunden af en af bølgedalene - størrelsen af det skjulte rum justeres for at minimere energien. Disse tre lokale minima adskiller sig fra hinanden ved, om den resulterende vakuum energi er positiv, negativ eller nul. I vort univers ændrer den skjulte dimensions størrelse sig ikke med tiden: hvis den gjorde, ville vi se naturkonstanterne ændre sig. Således må vi sidde ved et minimum. Især synes vi at sidde ved et minimum med en lidt positiv vakuum energi.

Strenglandskab

Fordi der er mere end en parameter, burde vi faktisk tænke på denne vakuum energi kurve som en skive gennem en kompleks, mangedimensional bjergkæde, som Leonard Susskind fra Stanford University har beskrevet som strengteoriens landskab. Dette mangedimensionale landskabs minima - bunden af sænkninger hvor en bold kunne komme til hvile - svarer til rumtidens stabile konfigurationer (inkluderende braner og fluxer), som kaldes stabile vakua.
    Et virkeligt landskab tillader kun to uafhængige retninger (nord-syd og øst-vest) og dette er alt vi kan tegne. Men strengteoriens landskab er meget mere kompliceret med hundreder af uafhængige retninger. Landskabets dimensioner bør ikke forveksles med verdens virkelige rumlige dimensioner; hver akse måler ikke en position i fysisk rum men en eller anden side af geometrien, som størrelsen af et håndtag eller positionen af en bran.
    Strengteoriens landskab er langt fra at være fuldt kortlagt. At beregne en vakuumtilstands energi er en vanskelig opgave og afhænger sædvanligvis af at finde passende tilnærmelser. Forskere har gjort stadige fremskridt fornylig, mest bemærkelsesværdigt i 2003, da Shamit Kachru, Renata Kallosh og Andrei Linde, alle på Stanford, og Sandip Trivedi fra Tara Institute of Fundamental Research i Mumbai, Indien, fandt stærke vidnesbyrd om, at landskabet har minima, hvor et univers kan sætte sig fast.
    Vi kan ikke være sikre på, hvor mange stabile vakua der er - dvs., hvor mange punkter hvor en bold kunne hvile. Men antallet kunne meget vel være enormt. Nogen forskning antyder, at der er løsninger med op til 500 håndtag, men ikke mange flere. Vi kan pakke forskellige antal fluxlinier omkring hvert håndtag, men ikke for mange fordi de ville gøre rummet ustabilt som den højre del af kurven. Hvis vi antager, at hvert håndtag kan have fra nul til ni fluxlinier (10 mulige værdier), så ville der være 10⁵⁰⁰ mulige konfigurationer. Selv hvis hvert håndtag kun kunne have nul eller en fluxenhed, er der 2500, eller omkring 10¹⁵⁰, muligheder.
    Ligesom de påvirker vakuum energien, vil hver af de mange løsninger fremmane forskellige fænomener i den firedimensionale makroskopiske verden ved at definere, hvilke slags partikler og kræfter der er tilstede og hvilke masser og vekselvirkningsstyrker de har. Strengteori kan give os et unikt sæt fundamentale love, men de fysiklove, vi ser i den makroskopiske verden, vil afhænge af de ekstra dimensioners geometri.
    Mange fysikere håber, at fysikken til sidst vil forklare, hvorfor universet har de specielle love, det har. Men hvis det håb skal blive til virkelighed, skal mange dybe spørgsmål om strengteori landskabet besvares. Hvilket stabilt vakuum beskriver den fysiske verden vi oplever? Hvorfor har naturen valgt dette særlige vakuum og ikke ethvert andet? Er alle andre løsninger blevet degraderet til blot matematiske muligheder, som aldrig bliver til virkelighed? Hvis strengteorien er korrekt ville den være det endelige fejlslagne demokrati; rigt befolket med mulige verdener men giver kun virkelighedens privilegium til en af sine mange borgere.
    I stedet for at reducere landskabet til et enkelt udvalgt vakuum foreslog vi i 2000 et meget anderledes billede baseret på to vigtige ideer. Den første er, at verden ikke behøver at blive hængende i en konfiguration af de små dimensioner for evigt, fordi en sjælden kvanteproces tillader, at de små dimensioner springer fra en konfiguration til en anden. Den anden er, at Einsteins almene relativitet, som er en del af strengteori, indebærer, at universet kan vokse så hurtigt, at forskellige konfigurationer vil sameksistere side ved side i forskellige underuniverser, som hver er store nok til at være uvidende om de andre. Således er mysteriet om hvorfor vort særlige vakuum skulle være det eneste der findes elimineret. Desuden foreslog vi, at vor ide løser en af de største gåder i naturen.

En sti gennem landskabet

Som skitseret ovenfor er hvert stabilt vakuum kendetegnet ved dets antal håndtag, braner og fluxkvanta. Men nu tager vi hensyn til, at hvert af disse elementer kan skabes og ødelægges, så at efter perioder med stabilitet, kan verden bryde ind i en forskellig konfiguration. I landskabsbilledet er en fluxlinies forsvinden eller en anden ændring af topologien et kvantespring over en bjergkam ned i en lavere dal.
Som konsekvens kan forskellige vakua, som tiden går, komme til eksistens. Antag, at hvert af de 500 håndtag i vort tidlige eksempel begynder med ni fluxenheder. En efter en vil de 4.500 fluxenheder henfalde i en eller anden rækkefølge styret af kvanteteoriens sandsynlighedsforudsigelser, indtil al energien, der er indeholdt i fluxerne, er opbrugt. Vi starter i en høj bjergdal og springer tilfældigt over de tilgrænsende kamme og besøger 4.500 lavere dale efter hinanden. Vi føres gennem et varieret landskab, men vi passerer kun en ganske lille brøkdel af de 10⁵⁰⁰ mulige løsninger. Det forekommer, at de fleste vakua aldrig får deres 15 minutters berømmelse.
Endnu overser vi en nøgledel af historien: vakuum energiens påvirkning af hvordan universet udvikler sig. Almindelige genstande, som stjerner og galakser, har tendens til at bremse et ekspanderende univers og kan endda få det til at kollapse igen. Positiv vakuum energi virker imidlertid som antigravitation: ifølge Einsteins ligning forårsager det, at de tre dimensioner, vi ser, vokser hurtigere og hurtigere. Denne hurtige udvidelse har en vigtig og overraskende virkning, når de skjulte dimensioner tunnelerer til en ny konfiguration.

Multiverset

Husk, at i hvert punkt i vort tredimensionale rum sidder der et lille seksdimensionalt rum, som lever i et eller andet punkt på landskabet. Når dette lille rum springer til en ny konfiguration, sker springet ikke i samme øjeblik overalt. Tunneleringen sker først et sted i det tredimensionale univers og så ekspanderer en boble af den nye lav-energi konfiguration hurtigt. Hvis de tre store dimensioner ikke udvidede sig, ville denne voksende boble med tiden sprede sig over hvert punkt i universet. Men det gamle område udvider sig også og denne udvidelse kan let være hurtigere end den ny bobles udvidelse.
    Alle vinder: både de gamle og de nye områder vokser i størrelse. De nye udsletter aldrig de gamle fuldstændigt. Det, der gør dette resultat muligt, er Einsteins dynamiske geometri. Almen relativitet er ikke et nul-sum spil - strækningen af det rumlige klæde tillader at nyt rumfang skabes for både de gamle og nye vakua. Dette trick vil også virke efterhånden, som det nye vakuum ældes. Når det bliver dets tur til at henfalde, vil det ikke helt forsvinde; det vil snarere spire en voksende boble, som indtages af et vakuum med endnu lavere energi.
    Fordi den oprindelige konfiguration bliver ved med at vokse, vil den til sidst igen henfalde på en anden placering, til et andet nærliggende minimum i landskabet. Processen vil fortsætte uendeligt mange gange med henfald, der sker på alle mulige måder og med vidt adskilte områder, der mister fluxer fra forskellige håndtag. På denne måde vil hver boble være vært for mange nye løsninger. I stedet for en enkelt rækkefølge af flux henfald oplever universet således alle mulige rækkefølger, der resulterer i et hierarki af indsatte bobler, eller underuniverser. Resultatet er meget lig det evig inflation sceneri, der blev foreslået af Alan Guth fra Massachusetts Institute of Technology, Alexander Vilenkin fra Tufts University og Linde [se "The Self-Reproducing Inflationary Universe," af Andrei Linde; Scientific American, november 1994][Det selv-reproducerende inflatoriske univers].
    Vort sceneri er analogt til et uendeligt antal opdagelsesrejsende, der indlader sig på alle mulige stier gennem hvert minimum i landskabet. Hver opdagelsesrejsende repræsenterer en placering i universet langt væk fra alle de andre. Stien taget af den opdagelsesrejsende er rækkefølgen af vakua oplevet på hans placering i universet. Så længe de opdagelsesrejsendes udgangspunkt i landskabet er højt oppe i gletscherne, vil praktisk taget alle minima blive besøgt. Faktisk vil hvert eneste blive nået uendelig mange gange af hver mulig sti nedenfor de højere minima. Kaskaden stopper først, når den falder under havoverfladen - ind i negativ energi. Den karakteristiske geometri, der er associeret med negativ vakuum energi, tillader ikke spillet med evig udvidelse og bobledannelse at fortsætte. I stedet sker der et lokalt "stort knas", meget som i det indre af et sort hul.
    I hver boble vil en observatør, der udfører eksperimenter ved lave energier (som vi gør) se et specifikt firedimensionalt univers med sine egne karakteristiske fysiklove. Information udenfor boblen kan ikke nå os fordi det mellemliggende rum udvider sig for hurtigt til at lyset kan overhale det. Vi ser kun et sæt love, dem der svarer til vort lokale vakuum, simpelthen fordi vi ikke ser særligt langt. I vort sceneri var det, vi tænker på som big bang der startede vort univers ikke andet end det seneste spring til en ny strengkonfiguration på denne placering, som nu har spredt sig over mange milliarder lysår. En dag (sandsynligvis for fjern til at bekymre sig om) kan denne del af verden opleve endnu en sådan overgang.

Vakuum energikrisen

Det billede, vi har beskrevet, forklarer, hvordan alle de forskellige stabile vakua i strenglandskabet kommer til eksistens på forskellige placeringer i universet og således danner utallige underuniverser. Dette resultat kan løse et af de vigtigste og langvarige problemer i teoretisk fysik - et, der er relateret til vakuum energien. For Einstein var det, vi nu tænker på som vakuum energi, et tilfældigt matematisk led - en "kosmologisk konstant" - der kunne føjes til hans ligning fra almen relativitet for at gøre den konsistent med hans overbevisning om, at universet var statisk [se "A Cosmic Conundrum," af Lawrence M. Krauss og Michaels S. Turner, på side 52][En kosmisk gåde]. For at opnå et statisk univers foreslog han, at denne konstant antager en positiv værdi, men han forlod ideen efter, at observationer beviste, at universet udvidede sig.
    Med fremkomsten af kvantefeltteori blev det tomme rum - vakuet - et travlt sted, fuldt af virtuelle partikler og felter, der knaldede ind og ud af eksistens og hver partikel og felt bærer nogen positiv eller negativ energi. Ifølge de simpleste udregninger baseret på denne teori burde disse energier beløbe sig til en mægtig tæthed på omkring 10⁹⁴ gram pr. kubikcentimeter eller en Planck masse pr. kubik Planck længde. Vi betegner den værdi _p. Teoretisk fysik snublede således ind i en større krise.
    At forstå oprindelsen til denne store uoverensstemmelse har været et af den teoretiske fysiks centrale mål i mere end tre årtier, men ingen af de talrige forslag til en løsning har opnået bred accept. Man antog ofte, at vakuum energien er nøjagtig nul - et rimeligt gæt på et tal der vides at have mindst 120 nuller efter decimalkommaet. Så den tilsyneladende opgave var at forklare, hvordan fysikken kunne frembringe værdien nul. Mange forsøg koncentrerede sig om ideen, at vakuum energien kan justere sig til nul, men der var ingen overbevisende forklaringer på, hvordan denne justering skulle finde sted eller hvorfor slutresultatet skulle være noget nær nul.
    I vort papir fra 2000 kombinerede vi rigdommen på strengteori løsninger og deres kosmologiske dynamik med en indsigt fra 1987 af Steven Weinberg fra University of Texas at Austin for at give både et hvordan og et hvorfor.
    Overvej først rigdommen på løsninger. Vakuum energien er blot den lodrette højde af et punkt i landskabet. Denne højde strækker sig fra omkring +_p ved gletschertoppene til -_p ved bunden af oceanet. Hvis vi antager, at der er 10⁵⁰⁰ minima, vil deres højder ligge tilfældigt mellem disse to værdier. Hvis vi plotter alle disse højder på den lodrette akse, vil middelmellemrummene mellem dem være 10^-500_p. Mange, endskønt en meget lille brøkdel af totalen, vil derfor have værdier mellem nul og 10^-120_p. Dette resultat forklarer, hvordan så små værdier bliver til.
    Den almindelige ide er ikke ny. Andrei Sakharov, den afdøde russiske fysiker og dissident, foreslog så tidligt som 1984, at de skjulte dimensioners komplicerede geometrier kunne frembringe et spektrum for vakuum energi, der inkluderer værdier i det eksperimentale vindue. Andre forskere har lavet alternative forslag, som ikke synes at være virkeliggjort i strengteori.
    Vi har forklaret, hvordan kosmologi befolker de fleste af minima, resulterende i et kompliceret univers, der indeholder bobler med alle tænkelige værdier af vakuum energien. I hvilken af disse bobler vil vi finde os selv? Hvorfor skulle vores vakuum energi være så tæt på nul? Her kommer Weinbergs indsigt i spil. Der er bestemt et element af tilfældighed involveret. Men mange steder er så ugæstfri, at det ikke er noget under, at vi ikke lever der. Denne logik er velkendt på en mindre skala - vi blev ikke født i Antarktika, på bunden af Marianas Graven eller på månens lufttomme ørken. Snarere finder vi os i den lille brøkdel af solsystemet, der er gæstfrit overfor liv. På samme måde er kun en lille brøkdel af de stabile vakua gæstfri overfor liv. Områder i universet med stor positiv vakuum energi oplever udvidelser så ondartede, at en supernova eksplosion ville forekomme fredelig i sammenligning. Områder med stor negativ vakuum energi forsvinder hurtigt i et kosmisk knas. Hvis vakuum energien i vor boble havde været større end +10^-118_p eller mindre end -10^-120_p, ville vi ikke have levet her, ligesom vi ikke finder os selv ristende på Venus eller knust på Jupiter. Denne form for fornuftslutning kaldes antrop.
    Masser af minima vil være i den søde plet**, en hårsbredde over eller under vandlinien. Vi lever, hvor vi kan, så vi burde ikke være forbavsede over, at vakuum energien i vores boble er meget lille. Men vi burde heller ikke forvente, at den er præcis nul! Omkring 10³⁸⁰ vakua ligger i den søde plet, men højst en lille brøkdel af dem vil være præcis nul. Hvis vakua'ne er fuldstændig tilfældigt fordelt, vil 90 procent af dem være et sted i området 0,1 til 1,0 x 10^-118_p. Så hvis landskabsbilledet er rigtigt, burde man observere en ikke-nul vakuum energi, sandsynligvis ikke meget mindre end 10^-118_p.
    I en af de mest overvældende opdagelser i den eksperimentelle fysiks historie, har nylige observationer af fjerne supernovaer vist, at det synlige univers' udvidelse accelererer - det sigende tegn på positiv vakuum energi [se "Surveying Space-time with Supernovae," af Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner og Nicholas B. Suntzeff; Scientific American, januar 1999][Undersøgelse af rumtiden med supernovaer]. Ud fra accelerationens hastighed blev energiens værdi bestemt til at være omkring 10^-120_p, lige lille nok til at have undgået detektion i andre eksperimenter og stor nok til at den antrope forklaring er plausibel.
    Landskabsbilledet synes at løse vakuum energi krisen, men med nogle forvirrende konsekvenser. Einstein spurgte, om Gud havde et valg i, hvordan universet blev lavet eller om dets love er fuldstændig fastsatte af et eller andet fundamentalt princip. Som fysikere kunne vi håbe på det sidste. Strengteoriens underliggende love synes, skønt de stadig ikke er fuldstændig kendte, at være fuldstændig fastsatte og uundgåelige: matematikken tillader ikke nogen valg. Men de love, vi ser mest direkte, er ikke de underliggende love. Snarere afhænger vore love af formen af de skjulte dimensioner og for dette er valgene mange. Detaljerne ved det, vi ser i naturen, er ikke uundgåelige, men er en konsekvens af den særlige boble, som vi finder os selv i.
    Giver strenglandskabets billede andre forudsigelser, ud over den lille, men ikke-nul, værdi af vakuum energien? Besvarelse af dette spørgsmål vil kræve en meget større forståelse af spektret af vakua og er emnet for aktiv forskning på adskillige fronter. Især har vi endnu ikke stedfæstet et specifikt stabilt vakuum, der gengiver de kendte fysiklove i vor firedimensionale rumtid. Strenglandskabet er stort set ukortlagt territorium. Eksperimenter burde hjælpe. Vi kunne måske en dag se de højere-dimensionerede love direkte via strenge, sorte huller eller Kaluza-Klein partikler ved brug af acceleratorer. Eller vi kunne måske gøre direkte astronomiske observationer af strenge af kosmisk størrelse, som kunne være blevet frembragt i big bang og så udvidet sammen med resten af universet.
    Det billede, vi har præsenteret, er langt fra sikkert. Vi kender stadig ikke den præcise formulering af strengteori - ulig almen relativitet, hvor vi har en præcis ligning baseret på et godt forstået underliggende fysisk princip, strengteoriens eksakte ligninger er uklare og vigtige fysiske begreber mangler sandsynligvis at blive opdaget. Disse kan måske fuldstændig ændre eller fjerne streng vakua'ernes landskab eller kaskaden af bobler, der befolker landskabet. På den eksperimentelle side synes eksistensen af ikke-nul vakuum energi nu en næsten uundgåelig konklusion ud fra observationer, men kosmologiske data er notorisk ubestandige og overraskelser er stadig mulige.
    Det er alt for tidligt at holde op med at søge konkurrerende forklaringer på vakuum energiens eksistens og dens meget lille størrelse. Men det ville være lige så dumt at afvise den mulighed, at vi er dukket op i et af de blidere hjørner af et univers, der er mere forskelligartet end alle landskaberne på Jorden.

Mere at udforske

The Elegant Universe. Brian Greene. W.W. Norton, 1999.

A First Course in String Theory. Barton Zwiebach. Cambridge University Press, 2004.

The Cosmological Constant Problem. Thomas Banks i Physics Today, Vol. 57, No. 3, siderne 46-51; marts 2004.

Den officielle strengteori Web side er på www.superstringtheory.com/

* Raphael Bousso og Joseph Polchinskis arbejde sammen begyndte på en workshop om streng dualitet i Santa Barbara. Det voksede ud af synergien mellem Boussos baggrund i kvantegravitation og inflationskosmologi og Polchinskis baggrund i strengteori. Bousso er assisterende professor i fysik på University of California, Berkeley. Hans forskning inkluderer en almen formulering af det holografiske princip, som relaterer rumtidens geometri til dens informationsindhold. Polchinski er professor på Kavli Institute for Theoretical Physics på University of California, Santa Barbara. Hans bidrag til strengteori inkluderer den kreative ide, at braner udgør en betydningsfuld egenskab ved teorien.

** Søde plet (Sweet spot): området omkring massecentret på et bat, en ketcher eller hovedet på en golfkølle, der er den mest effektive del at ramme en bold med

Oversat fra The String Theory Landscape, Scientific American, september, 2004, ss.60-69.

9. februar, 2006.

Indhold
Rumtidens skjulte dimensioner
Index