At forklare alting

Indhold:

Indledning

En let brise rører i luften under baldakinen og bringer sparsom lindring til forskerne, der er forsamlet i dens skygge. En skade kalder hæst, sætter tegn i seminartalerens jævne stemme. "Jeg ønsker, at min firedimensionale kanoniske gravitation skal være et ved uendeligt," siger Renata Kallosh fra Stanford University, mens hun med kridt skriver ligninger på den improviserede tavle. Musiktoner fra en fjern koncert når et crescendo og stopper pludselig. Jeffrey A. Harvey fra University of Chicago stiller et spørgsmål:
    "Hvad betyder det, at dine sorte huller har nul masse? Bevæger de sig med lysets hastighed?"
    "Nej, de har ingenting, ingen bevægelsesmængde," Gary T. Horowitz fra University of California at Santa Barbara vender sig for at svare.
    "Åh, nonsens!" Det var Leonard Susskind fra Stanford.
    "De har ingen energi, ingen bevægelsesmængde - der er ingenting der!" protesterer Harvey.
    Den ophidsede debat skifter, uløst - en af mange, der sporadisk bryder ud blandt de teoretiske fysikere, der er samlet på Aspen Center for Physics i Colorado Rockies. En fornemmelse af knapt tilbageholdt spænding fylder luften. Teorien om alting eller TOE, tror teoretikerne, svæver lige rundt om hjørnet.
    Når den endelig er begrebet - er fantasien - vil TOE være enkel nok til at skrive ned som en enkelt ligning og at løse. Løsningen vil beskrive et univers, som umiskendeligt er vort: med tre rumlige dimensioner og en tidsdimension; med kvarker, elektroner og de andre partikler, der udgør stole, skader og stjerner; med gravitation, kernekræfter og elektromagnetisme til at holde det hele sammen; endog med big bang fra hvilket alting begyndte. Fysikkens vigtigste paradigmer - inkluderende kvantemekanik og Einsteins gravitation - vil blive afsløret som værende intimt forbundet. "Fysikbegreber, som vi kender dem i dag, vil blive fuldstændig forandret efterhånden, som fortællingen skrider frem," forudsiger Edward Witten fra Institute for Advanced Study i Princeton, N.J.
    Mægtige løfter blev også hørt for et årti siden, da "strengteori" vandt gunst som en TOE. Fysikerne udarbejdede teorien ud fra den ide, at det mest elementære objekt i universet er en streng, der er så lille, at man ikke kan forestille sig det. Man påstod, at sådanne strenges bølgebevægelser gav alle partikler og kræfter i universet. Disse ringe eller stykker af streng er omkring 10^-33 centimeter lange og vibrerer på mange forskellige måder, ligesom en violinstreng kan. Hver vibrationsmåde har en fast energi og man kan derfor, ifølge kvantemekanikkens love, tænke på den som en partikel. Men strengteorien løb snart ind i matematiske forhindringer: den blev spaltet til fem konkurrerende teorier. "Det er uæstetisk at have fem forenede teorier," kommenterer Andrew Strominger fra University of California at Santa Barbara skævt. Endnu værre var, at teorierne havde tusinder af løsninger, af hvilke de fleste slet ikke lignede vort univers. Da Sheldon L. Glashow fra Harvard University, kritiker gennem lang tid, i 1986 blev bedt om at opsummere TOE'en med højst syv ord, udbrød han med forstilt kval: "Oh, Herre, hvorfor har du forladt mig?"

MAN KAN få enhver streng til at vibrere på diverse måder. Kvantemekanikken tillader, at bølgerne kan tolkes som partikler. Hvis ringe af streng omkring 10-33 centimeter lange er fundamentale bestanddele af stof, så er deres vibrationsenergier masserne af elementarpartikler som elektroner, kvarker og fotoner. LAURIE GRACE

"Herren," forekommer det, har hørt. En ejendommelig ny symmetri, kaldet dualitet, får alle de forskellige strenge til at sno sig ind i hinanden. Faktisk omdefinerer dualitet det, som fysikere betragter som en fundamental partikel - eller streng. Elementære objekter synes nu at være lavet af selve de partikler, de skaber. Witten tror, at dualitet ikke kun vil føre til en TOE men også belyse, hvorfor universet er på den måde, det er. "Jeg tror, vi har retning mod en forklaring på kvantemekanik," forsikrer han. Få kritikere af teoriens nuværende påstande kan høres: strengteori er så kompleks, at den har efterladt størstedelen af fysikere og matematikere bagude.
    Samtidig bliver verden ifølge dualitet endnu mere bizar. Strenge muterer med lethed til sorte huller og omvendt; nye dimensioner sprænger frem i forskellige riger; og ikke kun strenge men bobler og andre membraner flimrer ned ad universets sideveje. Mangfoldigheden af forbindelser, tror forskerne, peger på en dybere entitet - antagelig TOE'en - det forklarer det hele. "Det er som aspetræer," foreslår Michael J. Duff fra Texas A&M University og vinker mod en nærliggende bevoksning. "Der er et rodsystem, som spreder sig under jorden. Man ser kun de små stumper, der stikker op over overfladen."

En ny symmetri

Ordet "dual" - som hurtigt erstatter "super" som det mest overbrugte ord i partikelteori - har mange forskellige bibetydninger for fysikere. Bredt udtrykt siges to teorier at være duale, hvis de tilsyneladende er uens men laver de samme fysiske forudsigelser. For eksempel, hvis alle de elektriske og magnetiske mængder i Maxwells ligninger for elektromagnetisme byttes rundt, får man nominelt en forskellig teori. Men hvis verden, foruden elektriske ladninger, antages at indeholde magnetiske ladninger (som den isolerede nordpol på en stangmagnet), så bliver de to teorier helt ens - eller duale.
    Mere specifikt, gør dualitet elementære og sammensatte objekter udskiftelige: hvorvidt en partikel eller anden entitet er ureducerbart fundamental eller selv er lavet af endnu mere fundamentale entiteter afhænger af ens synspunkt. Hvert perspektiv giver i sidste ende de samme fysiske resultater.
    De første tegn på dualitet dukkede op, mens fysikere arbejdede på kvantefeltteorier, teorier, der beskriver partikler som kvantemekaniske bølger spredt ud i rumtiden. I den feltteori, der kaldes kvantekromodynamik, eller QCD, er kvarker elementarpartikler, der har en slags ladning, meget som elektrisk ladning, kaldet farve. Farve får kvarker til at tiltrække hinanden meget stærkt og klumpe sig sammen i par og treheder, så de danner større, sammensatte partikler som protoner.
    Ligesom der i den velkendte verden ikke er nogen partikler med magnetisk ladning, er der ingen partikler med farve magnetisk ladning. Men i 1974 beskrev Gerard 't Hooft fra Utrecht University i Nederlandene og Alexander Polyakov, da på Landau Institute nær Moskva, hvordan felter, der udgør kvarker, kunne danne knuder til små bolde, som havde farve magnetisk ladning. Sådanne klumper - som fysikerne visualiserer som pindsvineagtige kugler oversået med pile, der repræsenterer vektorer - kaldes med en fællesbetegnelse for solitoner og opfører sig som partikler. Således kunne en teori om kvarker med farve ladning også betyde eksistensen af solitoner med farve magnetisk ladning, ellers kendt som monopoler. Monopolerne ville være sammensatte partikler, udledt fra mere elementære kvarkers felter.
    I 1977 spekulerede David Olive og Claus Montonen, der arbejdede på CERN nær Geneve, på, at feltteorier, der involverede farve, kunne være duale. Dvs., i stedet for at kvarker er elementære og monopoler sammensatte, kunne man måske tænke på monopolerne som værende elementære. Så kunne man begynde med en teori for vekselvirkende monopoler og finde, at den gav anledning til solitoner, der lignede kvarker. Kvark og monopol indfaldsvinklen til teorien burde give de samme fysiske resultater.
    De fleste teoretikere var skeptiske. Selv hvis dualitet fandtes, mente man, at det var umuligt at fastslå: QCDs matematik er ekstremt vanskelig og den ville være nødvendig til at beregne to sæt forudsigelser til sammenligning. "I fysik er det meget sjældent, at man kan beregne noget nøjagtigt," bemærker Nathan Seiberg fra Rutgers University. I februar 1994 viste Ashoke Sen fra Tata Institute i Bombay, Indien imidlertid, at ved visse lejligheder kunne dualitetens forudsigelser afprøves præcist - og havde ret.

DUALITET, en type symmetri, gør det muligt at betragte sammensatte entiteter som ækvivalente til fundamentale partikler og omvendt. For eksempel, en kvark har en slags ladning kaldet farve (rød). Elektriske ladninger, der bevæger sig, frembringer magnetiske felter; på samme måde frembringer kvarker, der bevæger sig, farve magnetiske felter (blå). Sommetider kan mange kvarker filtre sig sammen til et sammensat objekt kaldet en monopol, der har en farve magnetisk ladning (øverst til højre). På grund af dualiteten er det imidlertid muligt, at tænke på en monopol som en fundamental partikel (nederst til højre). Monopoler kan også gå hen og klumpe sammen og danne kvarker - som nu er sammensatte objekter (nederst til venstre). Pilene (sorte) betegner egenskaber ved partiklerne, der er vektorer, som bevægelsesmængdemoment. LAURIE GRACE

Beregningen omvendte strengsamfundet. "Witten gik fra at fortælle enhver, at dette var spild af tid til at fortælle dem, at dette var det vigtigste at arbejde på," småler Harvey. Witten, som der ofte henvises til som "Paven" af dem, der taler nedsættende om strengteori, har igangsat mange udviklinger i partikelfysik i de sidste to årtier.
    I mellemtiden udviklede Seiberg en ekstremt nyttig beregningsmæssig genvej til at studere QCD. Hans arbejde var baseret på supersymmetri. Supersymmetri er ideen, at for hver slags partikel, som stoffet udgøres af, skulle der være en relateret partikel, som transmitterer kraft og omvendt. Man mangler endnu at finde symmetrien i naturen, men teoretikere påkalder sig hyppigt dens kræfter.
    Seiberg var i stand til at vise, ved at bruge supersymmetri til at begrænse vekselvirkningerne mellem partiklerne, hvordan nogle hidtil umulige beregninger i QCD kunne udføres. Han og Witten fortsatte med at demonstrere, at versioner af QCD, der inkluderer supersymmetri, er duale.
    Der er en øjeblikkelig, overraskende fordel. QCD er vanskelig at regne med, fordi kvarker vekselvirker, eller "kobler," stærkt. Men monopoler vekselvirker svagt og beregninger med disse er nemme. Dualitet ville tillade teoretikerne at behandle monopoler - og automatisk kende alle svarene til QCD. "Det er en slags magisk trick," siger Harvey. "Vi forstår endnu ikke, hvorfor det skulle virke." Bevæbnet med dualitet fortsatte Seiberg og Witten med i stor detalje at beregne, hvorfor frie kvarker aldrig observeres i naturen og bekræftede dermed en mekanisme, der var fremsat i 1970'erne af t' Hooft og Stanley Mandelstam fra University of California at Berkeley.
    Selvfølgelig står og falder gyldigheden af alt dette arbejde med antagelsen om, at supersymmetri findes. Alligevel håber Seiberg, at, dualiteten i sidste ende vil sejre, selv hvis supersymmetrien mangler, så de “kvalitative resultater vil være sande, selv om de kvantitative resultater afhænger af supersymmetri.”
    Dualitet er imidlertid meget mere end et beregningsværktøj: det er en ny måde at se på verden. “Noget man tænkte på som sammensat bliver fundamentalt,” peger Harvey på. Og omvendt. Selv den normalt konservative Seiberg har ikke kunnet modstå at spekulere på, at måske er kvarkerne solotoner, dualer af nogle andre sandt elementære partikler, der er endnu mindre.

At spænde strenge sammen

Dualitetsbegrebet er måske vokset frem af feltteorier, men som Sen ser det, “dualitet er meget mere naturlig i strengteori.” Den er også mere alsidig. Dualitet kan forene strenge af forskellige slags, som findes i forskellige dimensioner og i rumtider med forskellige former. Alle disse kunststykker tillader strengteori at overkomme sine begrænsninger og stige til en TOEs status.
    Tidligere i sin udvikling havde strengteori fejlet som en forenet teori på grund af de mange typer strenge, der blev påstået, såvel som den pinlige mangfoldighed af svar, den gav. Denne overflod har sin kilde i endnu en anden ejendommelighed ved strengteori - den er kun konsistent, hvis strenge oprindeligt bebor en 10-dimensional rumtid. Den virkelige verden har selvfølgelig fire dimensioner, tre af rum og en af tid. De ekstra seks dimensioner antages at krølle sammen så tæt, at de går udetekterede af store genstande som mennesker - eller selv kvarker. “Tænk på en haveslange,” foreslår Brian R. Greene fra Cornell University. “På afstand ser den endimensional ud, som en snor. Hvis man kommer tæt på ser man, at det faktisk er en todimensional overflade med én dimension krøllet tæt sammen.”

REDUCERING AF ET RUMS DIMENSIONER kan opnås ved at lime dets kanter sammen og krympe det. For eksempel, en todimensional flade af gummi krølles først til en cylinder og så krympes den krøllede dimension. Når den er tynd nok, ligner cylinderen en (endimensional) snor. Hvis man vrider dette stykke "slange" omkring og limer dets ender sammen, får man en doughnut form. Doughnut'ens radius kan krympes indtil den er lille nok til at tilnærme sig et punkt - et nuldimensionalt rum. Sådanne ændringer kunne forklare, hvorfor de ekstra rumtidsdimensioner, som strengteorien siger skal findes, er for små til at være detekterbare. LAURIE GRACE

Ulykkeligt for strengteoretikere kan de ekstra seks dimensioner krølle sammen på mange forskellige måder: “Titusindvis er den officielle vurdering,” siger Strominger spydigt. Hver af disse krøllede rum giver en forskellig løsning på strengteori, med sit eget billede af den firedimensionale verden - ikke lige, hvad man ønsker sig fra en TOE.
    En type dualitet, kaldet spejlsymmetri og fundet sent i 1980’erne, har hjulpet med at mindske dette problem ved at sammensmelte nogle af de alternative løsninger. Spejlsymmetri afslørede, at strenge i to forskellige krøllede rum sommetider giver de samme partikler. For eksempel, hvis en dimension bliver meget lille, kunne en streng vundet rundt omkring den dimension - som en elastik omkring en slange - skabe de samme partikler som en streng, der bevæger sig omkring en “fed” dimension.
    Størrelsen, en dimension krymper til i strengteori, er temmelig lig en anden parameter: styrken partikler vekselvirker med. I 1990 foreslog Anamaria Font, Luis E. Ibanez, Dieter Lust og Fernando Quevedo, som samarbejdede på CERN, at noget som spejlsymmetri også findes for koblingsstyrker. Ligesom store rum kan have den samme fysik som små, kunne en strengteori med stor kobling give de samme resultater som en anden, der har lille kobling.
    Denne gisning forbandt strengteorier på samme måde, som dualitet virkede for feltteori. Desuden gælder det, at på lang afstand ligner strenge partikler, så dualitet i strengteori betyder dualitet i feltteori og omvendt. Hver gang dualitet blev afprøvet i begge tilfælde, bestod den i fin form og hjalp til at trække de to riger nærmere sammen.
    I mellemtiden dukkede dualitet frem fra en fuldstændig forskellig kant - supergravitation. Denne forenede teori var et forsøg på at strække Einsteins gravitation til at inkludere supersymmetri. (I kontrast hertil prøvede strengteori at modificere partikelteori til at inkludere gravitation.) I 1986 kunne Duff, som da var på Imperial College, London, udlede et billede for supergravitation, som involverede vibrationer i en helt ny fundamental entitet: en boble. Hvor strenge snoede sig gennem 10 dimensioner, flød denne boble i 11.
    “Det store flertal af strengsamfundet var ikke det mindste interesseret,” husker Duff - mest sandsynligt fordi ingen vidste, hvordan man lavede beregninger med denne boble. Alligevel fortsatte han med at arbejde på forskellige teorier, der involverede lukkede membraner. Han fandt, at en femdimensional membran, eller en “fem-bran,” der bevægede sig gennem et 10-dimensionalt rum, kunne tjene som en alternativ beskrivelse af strengteori.
    Fem-branen kunne folde sig omkring et internt krøllet rum, som hinden på en pølse. Men hvis dette indre rum krympede til ingenting, ville boblen ende med at ligne en streng. Duff foreslog, at denne sammenrullede streng i virkeligheden var det samme som dem i strengteori og påstod dermed en “streng-streng” dualitet. Samtidig gættede Christopher M. Hull fra Queen Mary and Westfield College og Paul K. Townsend fra University of Cambridge på mange almindeliggørelser af dualitet i strengteori. “Ingen af grupperne lagde ret meget mærke til den andens papir,” siger Duff med et glimt i øjet.

Eksplosion af dualiteter

Dvs. indtil marts 1995, da tingene blev taget op på en konference på University of Southern California. Witten gav dagens første tale og sammenfattede vidnesbyrd om dualitet fra diverse riger. Han erkendte, at Hull, Townsend og Duff alle talte om den samme ide og fortsatte med at gisne om, at Duffs bobler i 11 dimensioner var solotoner af en særlig streng i 10 dimensioner. Efter Witten talte Seiberg. “Natte [Seiberg] var så imponeret af Wittens tale,” ler John H. Schwarz fra California Institute of Technology. “Han sagde, ‘Jeg burde blive lastbilchauffør.’” Men Seiberg fremlagde også mange nye resultater, hvilket fik Schwartz - en af grundlæggerne af strengteori - til at begynde sin tale med, “Jeg vil få mig en trehjulet cykel.”
    En eksplosion af aktivitet fulgte og er fortsat uformindsket. Hver dag logger forskere på det elektroniske preprint bibliotek på Los Alamos National Laboratory og finder omkring 10 nye papirer på feltet. “Det er det første man gør hver morgen,” bemærker Anna Ceresole fra Polytechnic of Turin. “Som at læse avisen.” Spredte og besynderlige vidnesbyrd for dualitet dukker op, som relaterer strenge og bobler til solotoner af alle slags og former.
    En soliton, der minder om en håret kålorm med vektorpile stikkende ud langs en linie, viste sig at være dual med en fundamental streng. (Den ligner også en kosmisk streng, en grille i kosmologi, som blev startet af Witten for et årti siden.) Forskellige slags strenge, der blev presset ind i den virkelige verden - fire dimensioner - viste sig også duale. Ting sker af forskellige årsager, alligevel passer de sammen,” bemærker Seiberg. “Det føles som magi.”
    Der er en metode bag den gale jagt på dualiteter. “Mange strengteorier er ikke realistiske,” peger Sen på. “Vi har behov for at forstå dem alle sammen for at finde den virkelige.” Dualitet tjener til at forbinde, og derfor til at reducere, antallet af valgmuligheder. Witten tror, at de fem strengteorier, som involverer 10 dimensioner, der nu hersker, alle vil vise sig at være afspejlinger af en endelig, højeste kvantestreng. Duff har endda foreslået en “dualiteternes dualitet” - dualiteten mellem rum, og den mellem elementære og sammensatte objekter, kunne vise sig at være forbundne. Blandt de mest ejendommelige forudsigelser af sådanne ideer er, at et krøllet rums størrelse influerer på styrken med hvilken, partiklerne vekselvirker og omvendt. Så hvis en indre dimension er stor, kunne koblingen mellem partiklerne også være stor.
    Desuden, forklarer Susskind, “Når man går fra sted til sted, kan størrelsen af den interne dimension variere.” Hvis en krøllet dimension eksploderer i et eller andet fjernt hjørne af universet, erhverver rumtiden sig en ny, femte dimension. Hvor den presses tæt, som i vort øjeblikkelige miljø, dukker kvantevirkninger op. Faktisk er den fundamentale skala, der er associeret med kvanteteori, kaldet Plancks konstant, intimt sammenflettet med dualitet: den relaterer, for eksempel, massen af en partikel eller streng med den, dens dual har. “For mig er det det mest overbevisende vidnesbyrd om, at strengteori kunne lære os om kvantemekanik.” bemærker Stephen H. Shenker fra Rutgers.
    “Pludselig ændrer dimensionerne sig, fundamentale objekters dimensioner ændrer sig, folder sig omkring, alt kan ske,” Duff ryster sit hoved i undren. Et yderligere forslag fra Townsend er en slags “demokrati” - de membraner, der dukker op som strengteoriens solotoner, kunne alle være fundamentale objekter, der har samme status som strenge. Den ide mangler endnu at blive populær hos amerikanerne, som peger på, at beregninger med membraner stadig ikke ser fornuftige ud. Som Cumrun Vafa fra Harvard University tvivlsomt noterer, “Det kommer på en måde ind sidelæns. Man ved aldrig.”

Sorte huller

Som om det ikke var nok, dukkede der i april en forbindelse mellem strenge og sorte huller op - som gav løfte om at overvinde den anden større forlegenhed i strengteori. Strominger, Greene og David R. Morrison fra Duke University fandt, at sorte huller hjælper med at forbinde måske tusind af de titusinde løsninger på strengteori i et kompliceret spin. Forbindelserne gør problemet med at finde den “rette” løsning på strengteori - der beskriver vort univers - meget lettere.
    I en forstand har sorte huller luret ved strengteoriens kanter hele tiden. Hvis nok masse samler sig på et sted, kollapser det under sit eget gravitationstræk for at danne et sort hul. Men som Stephen W. Hawking fra University of Cambridge har argumenteret, kan et sort hul - som sædvanligvis absorberer alting, selv lys - også udstråle partikler og langsomt miste sin masse og krympe. Hvis den oprindelige masse var lavet af strenge, ville henfaldet i sidste ende føre til en genstand af nul størrelse - et “yderliggående” sort hul, som faktisk snarere ligner en partikel.
    Susskind protesterer, at disse små sorte huller slet ikke er som de kollapsede stjerner, som astrofysikerne leder efter: “Andys [Strominger] arbejde er mægtigt, men at kalde disse ting for sorte huller, tror jeg, er en smule opblæst reklame.” (Susskinds eget sidste papir har titlen “Verden som et hologram.”) Faktisk er yderliggående sorte huller - eller sorte bobler eller sorte flader - simpelthen klumper af strengfelter, ellers kendt som solitoner.
    Strominger undersøgte, hvordan yderliggående sorte huller opfører sig, når en rumtidsdimension krøller sig meget tæt sammen. Tænk på at tage en uendeligt lang slange, vikle den rundt og lime enderne sammen, så den minder om en doughnut. På denne måde kan begge dimensioner af slangens overflade krympes og derved skabe et meget mindre rum (der stadig ikke har nogen grænser). Antag nu, at doughnut’en bliver meget tynd på et punkt. Efterhånden som den klemmer ind, fandt Strominger, at nogle sorte huller, der er lavet af membraner, som er foldet omkring den knuste dimension, bliver masseløse. Han besluttede at inkludere disse objekter i sine beregninger som kvantemekaniske bølger.
    Der skete to mirakuløse ting. Tidligere beregninger i strengteori var altid slået fejl, når slangen blev tynd som en snor, men de kvantemekaniske sorte huller fik matematikken til at virke fint, selv i dette ekstreme tilfælde. Den virkelige frelser, forklarer Horowitz, er kvantefysik: “I klassisk fysik giver en elektron, der falder ind i en protons punktladning, uendeligheder. Kun når man tilføjer kvantemekanik ser man, at elektronen går i kredsløb.” En anden konsekvens var, at store antal af de masseløse sorte huller dukkede frem: systemet gennemgik en faseovergang, meget som damp, der kondenserer til vand.
    Faseovergangen afspejlede en ændring i selve doughnut’en. Den splittedes åben på det tyndeste sted - vold, som fysikere og matematikere altid er veget tilbage fra - og omformedes til en kugle, en alternativ måde at krølle en todimensional flade sammen på. Således var to meget forskellige krøllede rum i strengteori forbundet. “Matematikere kan ikke lide det, fordi det involverer opsplitning,” indrømmer Strominger. “Men kvantevirkninger jævner det ud.”
    Forskellige slags opsplitning kan i sidste ende vise sig at relatere tusinder af løsninger til strengteori. Med de interne rum forbundet på den måde kan strenge finde den “specielle” ved at bevæge sig rundt blandt dem. Ligesom vand fryser i Arktis og fordamper i Sahara, kan strenge vælge en konfiguration, der er passende til deres miljø. At finde den rigtige løsning bliver så et dynamisk problem.
    Et eller andet sted i universet, spekulerer Strominger, kunne der være en lille dråbe i hvilken, strenge har fundet et anderledes internt rum. Idet de kommer ind i dråben, ville sorte huller blive til strenge. Og strenge ville blive til sorte huller. I vore umiddelbare omgivelser kunne sådanne dråber dukke op flygtigt som virtuelle universer, der eksisterer i mikroskopiske brøkdele af tid og dør ud før de bliver indlysende.

Teorien

Til trods for disse fantasifulde forestillinger kommer fysikerne ned på jorden længe nok til at advare om, at den endelige teori stadig er langt væk. Selv optimisten Vafa, som har væddet en skefuld flødeis med Witten om, at strengteori vil være løst ved århundredets slutning, tror, at det vil tage årtier for en sand forståelse at dukke frem. “Ved den tid, hvor vi finder en smuk formulering, kaldes den måske ikke strengteori mere,” grubler Schwarz. Måske vil vi blot kalde den ‘Teorien.’” (Påstande om at have fundet TOE mødte så megen latterliggørelse i 1980’erne, at strengteoretikere nu er allergiske overfor det øgenavn.)
    Ikke alle er overbevist om, at Teorien er rundt om hjørnet. “Da de kommer fra strengteori klanen, er rapporterne som sædvanlig fyldt med overdrivelser,” svarer ’t Hooft skarpt. Det er et umådeligt problem, at der måske aldrig bliver nogen eksperimentale afprøvninger af strenge. Ingen kan bare tænke på en afprøvning af noget så småt: moderne udstyr kan ikke undersøge noget mindre end 10^-16 centimeter. Teoretikere beder til, at når Large Hadron Collider begynder at arbejde i 2005, vil supersymmetri, i det mindste, blive opdaget. “Det vil være en af de mest elskværdige måder naturen kan vælge at være venlig på,” siger Witten (som ekko af Einsteins tro på at Gud ikke er ondskabsfuld).
    Men selv om supersymmetri viser sig, vil et andet plagende problem restere. I den virkelige verden er den velkendte firedimensionale rumtid flad; den form for uperfekt supersymmetri, som teoretikere tilskriver naturen, får imidlertid rumtiden til at krølle sammen umuligt tæt i alle dimensioner.
    Witten har en fantasi om at komme omkring denne blindgyde, som støtter sig til dualitet mellem teorier i forskellige dimensioner. Måske kan man begynde med et univers i hvilket kun tre dimensioner til at begynde med er flade - en af de fire, vi kender, er stadig krøllet sammen. Sådanne rumtider har ejendommelige, men behagelige, egenskaber, som tillader, at problemerne med supersymmetri kan klares. Til sidst kunne man få den fjerde dimension til at udvide sig, hvilket ville føre til en verden, som den vi kender. “Wittens forslag er temmelig vildt,” griner Schwarz, “men han kunne have ret.”
    Gravitationens ejendommelighed rejser også mange vanskelige spørgsmål. Einstein fandt, at gravitation opstår fra rumtidens krumning. At kvantisere gravitation er derfor at kvantisere rum og tid. Hvis det er tilfældet, argumenterer Horowitz, “er der måske ingen mening med rum og tid og måske dukker disse op som en slags tilnærmet struktur på store afstande.”
    Strengteori er langt fra at leve op til sådanne forventninger. Desuden vil Teorien skulle beskrive de mest ekstreme omstændigheder som universets skabelse eller miljøet inde i et sort hul. “Strengteoretikere har tendens til at stole blindt på deres teori og hævde, at den kan behandle alt,” erklærer ’t Hooft som en endelig afgørelse. “I virkeligheden forstår de ikke gravitationskollaps bedre end alle andre.”
    Men strengteoretikerne, som er blændet af de matematiske rigdomme, der glimter indenfor rækkevidde, synes ikke at være afskrækket af nogen kritik. Pierre M. Ramond fra University of Florida prøver at forklare: “Det er som om, man vandrer i en konges dal, skubber en klippe til side og finder en fortryllet trappe. Vi er lige begyndt at børste trinene.” Hvor trinene fører hen er ukendt - så eventyret er endnu mere spændende.
    Aftenen falder på i Aspen. Mens den nedgående sol oplyser træstammerne og bladene i klart gult, fortsætter fysikerne en diskussion de har begyndt under middagen. Denne gang er det om universets bølgefunktion, et direkte forsøg på at beskrive universet som et kvantemekanisk objekt. “Ifølge mit eget påståelige, udannede, ignorante synspunkt, er det en masse nonsens,” udtaler Susskind. Horowitz, som sammen med andre har konstrueret sådanne bølgefunktioner, ler højt. Luften begynder at blive kølig og de gammeldags gadelamper gløder lysere i det tiltagende mørke. Men fysikerne synes ikke at have travlt med at trække sig tilbage.

De midaldrende

Genoplivningen af strengteori er unik i én henseende - de involverede forskeres alder. Fysikere, som mode modeller, har tendens til at mene, at de er over bakken ved 25. “Det siges ofte, at matematik og fysik er unge mænds emner,” noterer Michael J. Duff fra Texas A&M University (med ubevidst kønsdiskrimation). Men ulig tidligere revolutioner i fysik ledes denne spurt i partikelfysik af forskere, der er sidst i tredverne og begyndelsen af fyrrene. En grund kan være den enorme række emner foruden strengteori - feltteori, supersymmetri, gravitation, solotoner og topologi - som forskerne har behov for at have ved fingerspidserne. “Det er svært for unge mennesker at mestre alle disse felter hurtigt nok til at give et bidrag,” siger Jeffrey A. Harvey fra University of Chicago. De fleste af lederne af denne genoplivning er dem, der gjorde strengteori fremstående i 1980’erne - og de er nu 10 år ældre.     De fik også deres ansættelse i fakultetsstillinger for 10 år siden. Men få af de studerende, som da blev trænet i strengteori, har klaret sig gennem systemet. “Feltet var overstimuleret og der var et tilbageslag,” forklarer Duff. Og bevillingerne til videnskaben faldt brat, så størstedelen af de yngre fysikere var ikke i stand til at finde jobs.     De, som lykkedes med at hænge på, var under et enormt pres for at publicere. Det kostede i kreativitet. “Det er ikke nemt for unge mennesker at slå fra sig alene i nogle få år,” rapporterer Harvey. “Hvis de ikke udfører noget, som nogen bliver interesseret i, kan de ikke få endnu et job.” Leonard Susskind fra Stanford University er enig: “Postdoc systemet giver lidt tid til eftertanke.” Og der var få nye studerende - ingen så feltet som havende en fremtid. Samtidig synes en helt forskellig generation af fysikere - de gamle, berømte mænd - at være blevet skubbet ud af billedet. Sidney R. Coleman fra Harvard University, for eksempel, afslog at kommentere de nye udviklinger: “I min alder har man tendens til at udsende en masse gas, “ protesterede han. “Jeg vil helst ikke.” Hans Harvard kollega Sheldon L. Glashow, hvis skæg stadig nager nogle strengteoretikere, var helt uvidende om, at noget havde ændret sig.     Susskind, som med en alder på 55 falder mellem generationerne, indtager et optimistisk syn på denne omvæltning: “Det er et godt tegn, at der er en generation, der er i gang med at give op. Det betyder, at feltet bevæger sig i retninger, som ældre folk ikke kan følge.” Han klager imidlertid over, at dem på 40 år, selv om de uden tvivl er strålende, er for normale til at være interessante. Ja, de venlige, godt tilpassede individer på et strengteori værksted i Aspen, Colo. synes langt fra de arrogante, excentriske genier fra fortiden, eksempelvis Richard P. Feynman.     Men når de kvikke unge fra en ny generation kommer ind, forudsiger Nathan Seiberg fra Rutgers University, “er vi nødt til at blive presset ud. De vil tage over.” Ligegyldigt hvad der ændrer sig, synes troen på ungdommens magi bestemt til ikke at blive udfordret. FOTOGRAFIER AF MADHUSREE MUKERJEE

* Madhusree Mukerjee, stabsskribent.

Fra Explaining Everything, Scientific American, januar, 1996, ss.72-78.