Theorie van alles
De theorie van alles of unificatietheorie is een (nog niet bestaande) theorie die de verschillende fundamentele theorieën in de natuurkunde met elkaar verenigt. Zo'n theorie zou alle elementaire deeltjes en de fundamentele natuurkrachten in één model samenbrengen. Dit model zou dan hebben gegolden in de allereerste minieme fractie van een seconde na de oerknal. Hoewel Einstein als een van de eersten poogde zijn algemene relativiteitstheorie te verzoenen met de kwantummechanica in één enkele veldentheorie, wat hem overigens niet gelukt is, heeft hij de term "theorie van alles" nooit gebruikt.
Inhoud |
[bewerken] Problemen bij unificatie
In de natuurkunde worden de deeltjes en de krachten daartussen beschreven door middel van velden. Een unificatietheorie probeert de vier fundamentele krachten (of velden) van de natuur te verenigen:
- Sterke kernkracht: kracht die quarks samenhoudt in neutronen en protonen, en die neutronen en protonen samenhoudt in de atoomkern. Het uitwisseldeeltje voor deze kracht is het gluon.
- Elektromagnetische kracht: de kracht die op elektrisch geladen deeltjes inwerkt. Het foton is het uitwisseldeeltje voor deze kracht.
- Zwakke kernkracht: verantwoordelijk voor radioactiviteit, een afstotende interactie op korte afstand tussen elektronen, neutrino's en quarks. Wordt geregeld door de W-bosonen en het Z-boson.
- Zwaartekracht: een aantrekkingskracht op zowel korte als lange afstand, die op alle deeltjes werkt, maar tevens op het niveau van de microwereld veel en veel zwakker is dan de andere krachten. Doordat deze kracht echter evenredig toeneemt met de massa, wordt hij toch belangrijk op het niveau van wat voor ons gewone, alledaagse objecten zijn, en is het tevens de kracht die ervoor zorgt dat er niets zomaar van de aarde afvliegt en dat manen, planeten en sterren in hun baan door de ruimte blijven. De vooralsnog hypothetische uitwisseldeeltjes worden gravitonen genoemd.
De eerste drie krachten worden beschreven door het standaardmodel, een kwantummechanische veldentheorie. De zwaartekracht is onderdeel van de algemene relativiteitstheorie. Een conflict tussen de beide modellen ontstaat in situaties waarin ze allebei zouden moeten worden toegepast: sterke zwaartekrachtsvelden op kleine schaal, bijvoorbeeld bij een zwart gat of tijdens de oerknal. In dat soort gevallen blijkt dat de combinatie geen zinvolle uitkomsten geeft. Er komen bijvoorbeeld oneindig grote getallen uit. Dat betekent dat er iets niet klopt. Het wachten is dus op een theorie van alles, die de twee wereldbeelden (in licht aangepaste vorm) in zich verenigt.
[bewerken] Geschiedenis
In de geschiedenis van de fysica hebben er verschillende verenigingen plaatsgevonden, die ogenschijnlijk verschillende fenomenen in een groter kader plaatsen. In chronologische volgorde:
- Aan het eind van de 18e eeuw kende men drie krachten: zwaartekracht, elektrische kracht en magnetische kracht. Door (onder andere) het werk van Hans Christian Ørsted, die ontdekte dat elektrische en magnetische fenomenen gerelateerd zijn, begon men te zoeken naar één enkele achterliggende theorie. Naar aanleiding van het werk van Gauss, Faraday en Ampère, slaagde James Clerk Maxwell er in om alle wetten van elektriciteit en magnetisme samen te vatten in slechts vier vergelijkingen. De Wetten van Maxwell worden tot op vandaag gezien als een bijzonder elegante en bondige vereniging van de talloze elektromagnetische fenomenen die onze werkelijkheid voor een groot deel maakt tot wat ze is. Het is ook omwille van dit inzicht dat men over 'elektromagnetisme' is beginnen spreken, in de plaats van 'elektriciteit en magnetisme'.
- In het begin van de 20e eeuw besefte men, naar aanleiding van de ontdekking van radioactiviteit, dat er nog een kracht werkzaam moet zijn in ons heelal. Deze kracht doopte men de zwakke kernkracht. De lange weg tot het beter begrijpen van deze kracht mondde uit in het succesvol beschrijven van deze kracht, en uiteindelijk het inzicht dat deze kracht eigenlijk in een groter kader te beschrijven is, tezamen met de elektromagnetische kracht. Voor de bijdragen aan de unificatie van de zwakke en de elektromagnetische wisselwerking in een enkele theorie van de zogenaamde Elektrozwakke wisselwerking, ontvingen Abdus Salam, Sheldon Glashow en Steven Weinberg in 1979 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
- Maar naast de zwakke kernkracht, besefte men dat voor het verklaren van de stabiliteit van atoomkernen nog een andere kracht moet invoeren. Deze kracht werd Sterke kernkracht gedoopt. Na vele experimenten vanaf 1950, slaagden Gell-Mann, Ne'eman en Zweig er in deze kracht op een goede manier te beschrijven. De theorie werd Kwantumchromodynamica genaamd. Omdat deze theorie gelijkaardig geformuleerd is als de theorie van de elektrozwakke interactie, is het vrij natuurlijk om beiden samen te voegen. Deze theorie noemt men het Standaardmodel. Deze theorie is (voor zover we weten) in staat om alle bekende fenomenen (behalve zwaartekracht) te beschrijven. De theorie verklaart waarom kernen bij elkaar blijven, waarom sommige kernen radioactief zijn, hoe chemische bindingen werken, ... . Tot op vandaag wordt de theorie gezien als de mooiste vereniging van natuurkrachten in de geschiedenis van de fysica.
Ondanks al deze unificaties, is er nog een puzzel die tot op vandaag niet opgelost is. Het is immers nog een groot vraagstuk hoe men het bovengenoemde Standaardmodel kan samenvoegen met de theorie van Zwaartekracht. Hoewel dat op het eerste gezicht niet zo moeilijk lijkt, zijn er fundamentele problemen. Het Standaardmodel is immers een kwantum-theorie. De beste beschrijving die we hebben van zwaartekracht (relativiteitstheorie) is echter een "klassieke theorie", niet kwantummechanisch dus. Veel fysici zijn het erover eens dat de uiteindelijke samenvoeging van de theorie van Zwaartekracht en het Standaardmodel vereist dat we een kwantummechanische versie van zwaartekracht kunnen formuleren. Het is dus al verschillende decennia lang het hoogste doel van de theoretische fysica om een consistente theorie van kwantumzwaartekracht (ook wel 'kwantumgravitatie' genaamd) te formuleren.
Als dat lukt, kunnen we alle bekende natuurwetten in één enkel kader beschrijven. Zoiets zouden we dan de "Theorie van alles" noemen.
Deze uitleg wordt mooi samengevat in de volgende figuur:
|
|
|
|
|
Theorie van alles |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Zwaartekracht |
|
|
|
|
Standaardmodel |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Sterke kracht SU(3) |
|
|
|
|
|
Elektrozwakke wisselwerking SU(2)xU(1) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zwakke kernkracht SU(2) |
|
|
|
|
Elektromagnetisme U(1) |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Elektrische kracht |
|
|
|
|
Magnetische kracht |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
De aanduidingen SU(3), SU(2) en U(1) zijn de wiskundige aanduiding van de theorie. Meer technisch: het zijn de ijkgroepen van de overeenkomstige Kwantumveldentheorie.
[bewerken] Kandidaten voor een theorie van alles
De meest beloftevolle poging tot volledige unificatie is tot nu toe de snaartheorie. Deze theorie is wiskundig erg elegant, en heeft veel goede eigenschappen. Het is immers een goede kwantumgravitatietheorie, maar heeft een probleem. Er zijn enkele verschillende versies van de theorie, en het is ook niet duidelijk of er een versie is die exact overeenkomt met onze werkelijkheid. Zelfs als die er al is, blijft dan nog de moeilijkheid om aan te duiden welke versie dan de juiste is. Een van de problemen is dat de trillingspatronen die door de snaartheorie worden voorgesteld volgens de formule E=mc2 van Einstein een hoeveelheid energie (en daarmee massa) produceren die vele malen groter is dan de Planck-massa. Dit is in tegenspraak met het feit dat de massa's die elementaire deeltjes zoals quarks en neutrino's hebben zeer dicht bij 0 ligt. Deze ogenschijnlijke inconsistentie hoeft echter niet het einde voor de supersnaartheorie te betekenen, omdat ook bekend is dat dergelijke deeltjes al snel de neiging hebben instabiel te zijn, dat wil zeggen uit elkaar te vallen. Het volgende doel is daarom te bewijzen dat de trillingspatronen die door de snaartheorie worden voorgesteld de geringe massa van de elementaire deeltjes exact kunnen verklaren [1].
Er zijn ook andere theorieën, zoals Loop-kwantumzwaartekracht, en andere minder bekende pogingen, maar ook daar zijn er nog geen succesvolle kandidaten die echt in aanmerking komen om een theorie van kwantumzwaartekracht te zijn, die onze werkelijkheid beschrijft.
[bewerken] Anekdote
Einstein trachtte in zijn laatste levensjaren al een unificatie van alle natuurwetten te bereiken. Het is hem (of zijn leerlingen Theodor Kaluza en Oscar Klein) wel gelukt een model te formuleren dat elektromagnetisme en zwaartekracht in één model verenigt. Hoewel erg interessant, is deze theorie geen kwantum-theorie van gravitatie, maar een klassieke vereniging van beide theorieën. Het was wel een eerste voorbeeld van een fysische theorie die het bestaan van extra dimensies aannam. Deze visie is later nog veel teruggekomen. In de snaartheorie is het bijvoorbeeld strikt noodzakelijk dat er veel meer dimensies zijn dan de voor ons bekende ruimtetijdsdimensies. Verklaren hoe het komt dat we die extra dimensies niet zien is een van de grote uitdagingen voor de snaartheorie[1].
