Superstrings tai superstring -teoria on jännittävä fysiikan ala, jota joskus kutsutaan Theory of Everythingiksi. Monien mielestä se on Einsteinin etsimä vaikeasti yhdistävä selitys, joka voisi ottaa huomioon kaikki maailmankaikkeuden tunnetut voimat.
Ennen kuin superstrings tuli, tiedemiehillä oli kaksi vastakkaista teoriaa luonnonlakien käyttäytymisestä: Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka.
Yleinen suhteellisuusteoria selittää maailman sellaisena kuin me sen tunnemme melko laajassa mittakaavassa. Se kuvaa avaruusaikaa kudoksena, joka on vääntynyt kiertoradan järjestelmien, galaksien ja painovoiman avulla. Mutta nämä lait rikkoutuvat kvanttitasolla, jossa subatomisia hiukkasia ei voida mitata sen tarkan sijainnin perusteella avaruudessa tiettynä ajankohtana. Se myös liikkuu ajassa taaksepäin kuin eteenpäin, ja voi jopa näyttää olevan kahdessa paikassa samanaikaisesti. Äärettömän pienen maailma on niin outo, tiedemiehet keksivät sen kuvaamiseksi termin “kvantti -outuus”.
Fyysikoiden ongelma oli keksiä teoria, joka yhdistäisi tuntemamme maailman kvanttimaailmaan. Yksi selitys kaikkien neljän tunnetun voiman huomioon ottamiseksi: painovoima, vahvat ja heikot ydinvoimat sekä sähkömagnetismi. Superstrings voi olla se vastaus.
Matemaattisten yhtälöiden kautta kävi selväksi, että tapa, jolla olimme aiemmin pitäneet hiukkasia energian “pisteinä” tai “pieninä palloina”, oli epätarkka. Nämä pienet ainepalat käyttäytyivät enemmän kuin heiluvat, värisevät jouset. Jouset ovat niin pieniä, että fyysikko ja kannattaja Brian Greene selittää, että jos yksi atomi olisi aurinkokuntamme kokoinen, merkkijono olisi vain puun kokoinen. Silti merkkijonot muodostavat kaiken aineen kvanttitasolta ylöspäin.
Jousien värähtelytapa määrittää jokaisen hiukkasen erityisominaisuudet, verraten maailmankaikkeutta kosmeettiseen superstring -sinfoniaan. Mutta matemaattisten poikkeavuuksien teorian poistamiseksi tarvittiin kuusi ylimääräistä ulottuvuutta. Kuusi ylimääräistä ulottuvuutta muodostavat pieniä, käpristyneitä 6-D-muotoja kaikissa tiloissamme. Näiden 6-D-muotojen sisällä on superstring-teoria. Kuusi ylimääräistä ulottuvuutta ja meidän kolme tarkoittivat, että ulottuvuuksia oli todella 9. Lisää vielä yksi aikaa, ja kokonaismäärä oli 10 ulottuvuutta. Niin yllättävää kuin tämä oli, se ei ollut loppu.
Vuonna 1995 erilaiset superstring-teoriat esittivät hämmennyksen, kunnes M-teoria yhdisti ne. Ainoa saalis? M-teoria vaati matemaattisesti 11. ulottuvuuden. Tämä esitti uuden kuvan merkkijonoista, joissa merkkijono voi riittävän energian ansiosta venyä erittäin suureksi kelluvaksi kalvoksi, jota lyhyesti kutsutaan braneksi. Nosturilla voi olla erilaisia ulottuvuusominaisuuksia ja ne voivat kasvaa yhtä suuria kuin maailmankaikkeus. Itse asiassa teorian mukaan koko maailmankaikkeutemme on kelluvalla braneella – vain yksi monista kelluvista leseistä, jotka kukin tukevat omaa rinnakkaisuniversumia. Jokainen brane edustaa yhtä siivua korkeamman ulottuvuuden avaruudesta tai irtotavarasta.
Vaikka 1970 -luvun vakiomalli yhdisti jo kolme neljästä voimasta yhtenäiseen teoriaan, painovoimaa ei voitu sovittaa yhteen kolmen kvanttivoiman kanssa. Mutta läpimurto superstringsissä sisälsi vaikeasti painettavan voiman, joka kuiskasi fysiikan Pyhän Graalin. Jos massaton hypoteettinen hiukkanen, joka on vastuussa painovoiman välittämisestä – gravitoni – on kvanttitasolla suljettuna merkkijonona, tämä antaisi suoran gravitaatiolinkin superstring -teoriaan.
Teoria ennustaa, että merkkijonot voivat olla auki tai kiinni. Avoimilla tai pieniä heiluvia hiuksia muistuttavilla naruilla on ainakin yksi päätepiste “kiinnitetty” kalvoon, kuten vaunuvaunu on kiinnitetty yläkaapelilla sähköjohtoon. Jouset voivat liikkua branen läpi, mutta eivät voi jättää sitä pois, selittäen, miksi emme voi fyysisesti nähdä ulottuvuuttamme tai ulottua ulottuvuudestamme. Kehomme muodostavat atomit koostuvat avoimista merkkijonoista, joihin on liitetty päätepisteet 3D-kalvoomme. Toinen tapa katsoa sitä on harkita elokuvanäyttöä. Ihmiset näytöllä näyttävät olevan kolmiulotteisia, mutta he eivät voi itse päästä näytön ulkopuolelta kolmiulotteiseen maailmaan. He ovat juuttuneet 3-D-maailmaansa, aivan kuten me olemme jumissa kolmiulotteisessa maailmassa, emmekä voi ulottua viereisiin ulottuvuuksiin. Tutkijat kutsuvat tätä vapauden asteiksi.
Mutta gravitoni on erilainen. Suljetuna merkkijonona tai silmukana ilman kiinnitettyjä päätepisteitä teoreettisesti oletettiin, että se voisi paeta kolmiulotteista braneamme ja päästä muihin ulottuvuuksiin. Tämä selittäisi, miksi painovoima on monta kertaa heikompi kuin muut voimat.
Entä jos päinvastainen olisi kuitenkin totta? Entä jos painovoima rinnakkaiskalvolla on yhtä voimakas kuin muut voimat, mutta on heikompi täällä, koska se vuotaa vain ulottuvuuteemme? Matemaattisesti superstring -teoria toimi jälleen kauniisti ja lopulta esitti uskottavan selityksen painovoiman heikkoudelle yhdistäen sen muiden kolmen voiman kanssa.
Jäljellä oli vain yksi este: yhdistävän teorian pitäisi pystyä myös selittämään alkuräjähdys. Neljä fyysikkoa, jotka matkustivat yhdessä junassa, käsittelivät satunnaisesti tätä aihetta. Yksi heistä esitti kysymyksen: Mitä tapahtuisi, jos kaksi haaraa törmäisi? Uskottava matemaattinen vastaus osoittautui alkuräjähdykseksi.
Superstring -teorian vastustajat viittaavat todisteiden puuttumiseen ja sen esittämisen vaikeuteen. Onko se vain kaunis matemaattinen rakenne? Filosofiaa? Tai todellinen selitys maailmastamme? Mikään muu teoria ei ole tullut lähelle kaikkien neljän voiman yhdistämistä matemaattisesti, vielä vähemmän selityksen antamista alkuräjähdykselle. Mutta muiden ulottuvuuksien – kelluvien haarojen ja rinnakkaisten maailmankaikkeuksien – todistaminen on ollut suuri piste.
Siitä huolimatta tyylikkään teorian uskovat haluavat nähdä sen todistettuna, ja tiedemiehet ovat sittemmin havainneet, että tähtitieteellisesti suuria merkkijonoja voi olla havaittavissa. Näin ollen superstrings -teoria saa edelleen valtaa. Lopulta, jos menestys onnistuu, 11 ulottuvuudesta rinnakkaiseen universumiin, pyörivistä galakseista kvanttikeittoon, superstringit voivat olla todella kaiken teoria.