M-theorie

Om de M-theorie te begrijpen moet men eerst enige kennis hebben van de snaartheorie. Honderden jaren lang hebben wetenschappers gedacht dat de eenvoudigste objecten in het universum punten zijn, zoals stippen. De snaartheorie zegt dat dit onjuist is en dat de eenvoudigste objecten in het heelal de vorm hebben van stukjes snaar. Deze touwtjes zijn zo klein dat ze, zelfs als je ze van heel dichtbij bekijkt, op punten lijken. Elk basisdeeltje ontstaat doordat de touwtjes in verschillende patronen trillen. De reden waarom wetenschappers zo lang niet aan dit idee hebben gedacht, is dat snaren veel moeilijker te bewerken zijn dan punten. Ze lijken regels te breken als causaliteit en speciale relativiteit, die zegt dat informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid.

De snaartheorie is ontwikkeld vanwege een zeer belangrijk probleem dat al bijna 100 jaar bestaat. De theorie van Albert Einstein die het universum op zeer grote schaal beschrijft (algemene relativiteit), is het oneens met twee theorieën die dingen op zeer kleine schaal beschrijven (kwantummechanica en standaardmodel). Er zijn ook problemen met het standaardmodel: het omvat ongeveer 20 getallen die geen verklaring lijken te hebben; het heeft te veel basisdeeltjes - sommige wetenschappers vinden dat het er minder moeten hebben; en het omvat niet de zwaartekracht, die nodig is om gewicht te verklaren.

Veel van deze problemen kunnen worden opgelost door de basisdeeltjes te zien als snaren. Nu is er slechts één getal zonder verklaring, dat de grootte van de snaren aangeeft. De snaartheorie omvat deeltjes die zwaartekracht veroorzaken, gravitonen genaamd; de wetenschappers die zich met de snaartheorie bezighouden, waren hier erg blij mee. De snaartheorie brengt dus met succes Algemene Relativiteit en Quantum Mechanica samen.

Maar er zijn wat problemen met de snaartheorie. Normaal gesproken denken we dat het universum 4 dimensies heeft, of basisrichtingen. Drie van deze basisrichtingen kunnen worden gezien als "op/neer", "vooruit/achteruit" en "links/rechts". De andere richting is tijd. De snaartheorie heeft 10 basisrichtingen nodig.

Deze zes andere richtingen kunnen worden verklaard als ze "opgekruld" zijn, zodat ze veel te klein zijn om te zien. Door bijvoorbeeld het pad van een spiraal te volgen, is het mogelijk er een grote afstand langs te gaan zonder erg ver te bewegen. De 6 andere richtingen kunnen worden beschouwd als kleine spiralen - snaren kunnen er een grote afstand langs afleggen, maar lijken niet te bewegen. Dit kan gezien worden als een wiskundige truc - een truc die weinig te maken heeft met de echte wereld die gezien en aangeraakt kan worden. Zulke trucs zijn toegestaan als ze een theorie opleveren die ons beter kan vertellen hoe dingen werken.

Een ander probleem met de snaartheorie is dat er 5 verschillende versies van bestaan. Elke versie staat verschillende soorten snaren toe en zegt dat ze op verschillende manieren werken. De snaartheorie zou een theorie van alles moeten zijn, dus zou er maar één versie moeten zijn, niet 5. M-theorie lost dit probleem op.

In 1995 begon Edward Witten met wat wel de Tweede Superstring Revolutie wordt genoemd, door M-theorie aan de wereld voor te stellen. Deze theorie combineert de 5 verschillende snaartheorieën (samen met een eerder verlaten poging om Algemene Relativiteit en Quantum Mechanica te verenigen, genaamd 11D-Supergravity) in één theorie. Wat Witten eigenlijk deed was voorspellen dat het feit dat al deze verschillende theorieën met elkaar verbonden waren, een gevolg was van het bestaan van een onderliggende theorie waarvan ze allemaal benaderingen waren. Deze theorie is enigszins vaag van aard en is nog niet vastgesteld.

Bovendien bleek dat de vergelijkingen die vereisten dat de snaartheorie in 10 dimensies bestond, eigenlijk ook benaderingen waren. De voorgestelde M-theorie zou één extra dimensie nodig hebben en in plaats daarvan een theorie zijn die zich in 11 dimensies afspeelt. Witten heeft dit idee zelf eenvoudig vergeleken met een generaal die een positie inneemt op een heuveltop, de extra ruimte-coördinaat, om een beter zicht te krijgen op de twee andere dimensies van het slagveld.

De combinatie wordt tot stand gebracht door een web van relaties tussen elk van de snaartheorieën, dualiteiten genaamd (in het bijzonder S-dualiteit, T-dualiteit en U-dualiteit). Elk van deze dualiteiten biedt een manier om een van de snaartheorieën om te zetten in een andere. T-dualiteit is waarschijnlijk de gemakkelijkst verklaarbare van de dualiteiten. Het heeft te maken met de grootte, geschreven als R, van de gekrulde dimensies van de snaartheorieën. Men ontdekte dat als men een Type IIA-snaartheorie met een afmeting R neemt en de straal verandert in 1/R, het resultaat gelijk is aan een Type IIB-theorie met een afmeting R. Deze dualiteit, samen met de andere, creëert verbindingen tussen alle 5 (of 6, als men de superzwaartekracht meetelt) theorieën. Het feit dat deze dualiteiten bestonden was al bekend voordat Witten met het idee van M-theorie kwam.

Velen hebben zich ook vermaakt met het raden naar de betekenis van de M (mogelijkheden zijn Matrix, Magie, Muffin, Mysterie, Moeder en Membraan). Wat de M ook moge betekenen, M-theorie is een van de meest interessante en actieve onderzoeksgebieden in de huidige theoretische natuurkunde geworden.

Voor een meer technische uitleg, zie w:M-theorie (vereenvoudigde uitleg).

• Brian Greene heeft een boek geschreven dat snaartheorie en M-theorie uitlegt voor de leek: The Elegant Universe.
• De officiële website over snaartheorie heeft uitstekende referenties over snaartheorie voor leken en deskundigen.