thumb|Interactie in de subatomaire wereld: wereldlijnen van puntdeeltjes in het standaardmodel of een wereldblad uitgeveegd door gesloten snaren in de snaartheorie. De snaartheorie of stringtheorie is een theorie waarmee natuurkundigen pogen de vier fundamentele natuurkrachten in de natuurkunde (de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke kernkracht en de zwaartekracht) in één allesomvattende theorie onder te brengen. Ze is een kandidaat voor de zogenaamde unificatietheorie.
Omschrijving Een persbericht op de website van de Universiteit van Amsterdam, gepubliceerd naar aanleiding van de door Robbert Dijkgraaf gewonnen Spinozapremie, bevatte de volgende omschrijving van de theorieSnaartheorie Pieternel van Oers. Universiteit Utrecht (22 juli 2011) Geraadpleegd op 19 maart 2020: Snaartheorie is de extreemste vorm van theoretische fysica en de belangrijkste kandidaat voor een kwantummechanische beschrijving van de zwaartekracht. Dat is nodig omdat de huidige theorieën, in het bijzonder de relativiteitstheorie, onvolledig zijn. Snaartheorie werkt niet met elektronen of quarks maar met een soort mini-elastiekjes die op allerlei wijzen kunnen trillen. Alle verschillende elementaire deeltjes om ons heen zouden dan ontstaan als de trillingen van één enkele snaar, zoals de boventonen van een vioolsnaar. Op deze wijze is het mogelijk de zwaartekracht volgens de wetten van de kwantummechanica te beschrijven. Met dat uitgangspunt kan snaartheorie bijvoorbeeld extreem zware én erg kleine objecten beschrijven, zoals zwarte gaten en het universum vlak na de oerknal.
Geschiedenis In 1921 ontwikkelden Theodor Kaluza en Oskar Klein onafhankelijk van elkaar het idee dat elektromagnetisme in een verenigde krachtentheorie afgeleid kan worden van zwaartekracht als er vier in plaats van drie ruimtelijke dimensies zijn, en deze vierde opgerold is in een kleine cirkel. Deze theorie staat bekend onder de naam kaluza-klein-theorie.
De officiële geboorte van de snaartheorie gaat terug tot 1970, toen drie theoretici op het gebied van elementaire deeltjes (Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen en Leonard Susskind) zich realiseerden dat de beschrijving van de sterke kernkracht door Gabriele Veneziano uit 1968, ook voor de kwantummechanica van trillende snaren geldt.
Nambu veronderstelde dat de minuscule gespannen snaartjes afmetingen bezitten, van ongeveer met de huidige techniek kleinst meetbare omvang 10−15 meter, een biljoenste deel van een millimeter, de grootte van een proton of neutron. De eigenschappen van de deeltjes worden afgeleid van de verschillende trillingswijzen, vergelijkbaar met de verschillende tonen van een snaar.
Vijf jaar later kon het verklaringsmodel met quarks, de kwantumchromodynamica, meer experimentele successen boeken en werd het snaarmodel verlaten.
De snaartheorie kwam terug door bevindingen van J. Scherk en J. Schwarz: snaartheorie bevat Einsteins algemene relativiteitstheorie want ze vereist een massaloos deeltje met spin 2 en dat deeltje interageert op universele manier met alle andere materie. Alle deeltjes hebben een spin die gelijk is aan: 1/2 voor elektronen, protonen, en neutronen. 1 voor het foton of lichtkwantum, de drager van de elektromagnetische kracht. Deze heeft een rustmassa gelijk aan nul. Die rustmassa van nul is bijzonder: zij komt overeen met een kracht die over grote afstanden voelbaar blijft. 2 voor het graviton, vermoedelijke drager van de zwaartekracht, met eveneens een rustmassa nul. De spin 2 volgt uit de structuur van Einsteins theorie.
De snaartheorie maakte hierdoor rond 1974 een rentree, toen men zich realiseerde dat deeltjes met spin 2 massa 0 moeten hebben, hetgeen overeenkomt met wat we van het graviton verwachten. Hiermee had de snaartheorie zich gepositioneerd als een "theorie voor alles", dat wil zeggen een verenigde theorie voor vier elementaire krachten.
Voor de jaren 1990 waren snaartheoretici van mening dat er drie verschillende supersnaartheorieën zijn, het Type I, Type II A en Type II B en twee heterogene snaartheorieën (SO (32) en E8 × E8). Men dacht dat deze vijf theorieën tot slechts één theorie zouden leiden: de "theorie van alles". Deze theorie, waarbij de tien dimensies zouden kunnen herleid worden tot onze vier dimensies zou overeenkomen met de fysische waarnemingen in onze wereld, werd verondersteld de juiste te zijn.
Nu gaat men ervan uit dat de vijf supersnaartheorieën met elkaar zijn verbonden alsof ze elk een speciaal geval van een meer fundamentele theorie (de M-theorie) zijn. Deze theorieën zijn met elkaar verbonden door wat men noemt dualiteiten. Als twee theorieën met elkaar verbonden zijn door een dualiteitstransformatie, betekent dit dat beide theorieën door middel van een transformatie en een inverse transformatie in elkaar kunnen omgezet worden. Ze beschrijven hetzelfde op een verschillende manier.
Men heeft ook gemerkt dat gesloten snaren zich grotendeels gedragen als open snaren. Hierdoor kan men relatief eenvoudigere berekeningen doen op open snaren, die dan ook geldig zijn op gesloten snaren. Het is mogelijk dat alleen de snaren die verantwoordelijk zijn voor de zwaartekracht, gesloten snaren zijn.
Experimentele verifieerbaarheid Er zijn nog geen experimentele bewijzen die de theorie ondersteunen.Engelstalig interview met Brian Greene De snaartheorie heeft de reputatie complex te zijn. Het is al moeilijk genoeg om experimenteel toetsbare uitspraken te doen, maar een groot praktisch probleem is dat het energieniveau waarop bepaalde aspecten van de snaartheorie zichtbaar kunnen worden nog erg ver boven de capaciteit van de huidige generatie deeltjesversnellers ligt. Daarom is het voorlopig niet mogelijk deze theorie experimenteel in haar geheel te toetsen. In juni 2009 is een fysisch verschijnsel verklaard met behulp van de snaartheorie door FOM.Science Magazine juni 2009
Het is mogelijk dat bepaalde deelaspecten van de snaartheorie in de nabije toekomst experimenteel getoetst kunnen worden. De meest waarschijnlijk geachte plaats daarvoor is de nieuwe deeltjesversneller in het CERN te Genève, de LHC. De snaartheorie veronderstelt een tien- of elfdimensionale ruimte en supersymmetrie; misschien zou het bestaan van extra dimensies kunnen worden aangetoond: als er energie verdwijnt tijdens een experiment, zou deze energie zich moeten bevinden in een andere dimensie. De LHC zou ook supersymmetrie kunnen aantonen. Als de wereld waarin wij leven, inderdaad supersymmetrisch is (zoals vele theoretische fysici denken en hopen), betekent dit dat elk deeltje een supersymmetrische partner heeft. Zo is een squark de super-symmetrische partner van een quark. De supersymmetrische partners zijn echter veel zwaarder. Als die 'partnerdeeltjes' waargenomen worden, is dat dus een ondersteuning van het bestaan van supersymmetrie.
Echter, het bestaan van supersymmetrische partners of extra dimensies wordt ook in andere theorieën voorspeld en is dus geen bewijs voor de snaartheorie. Tevens is het mogelijk dat deze deeltjes pas ontdekt kunnen worden met veel sterkere deeltjesversnellers.
Er is een aantal problemen ten aanzien van de toetsbaarheid van de snaartheorie, maar er zijn ook aspecten die de theorie juist heel aantrekkelijk maken. Ten eerste is de snaartheorie in staat om kwantummechanica op een elegante manier met relativiteitstheorie te verenigen. Met andere woorden, ze legt uit hoe zwaartekracht op de allerkleinste lengteschalen eruitziet. Dit is een groot voordeel ten opzichte van de meeste andere theorieën. (Een uitzondering is de zogeheten loop-kwantumzwaartekracht.) Bovendien is de snaartheorie in staat om veel ogenschijnlijk verschillende theorieën te beschrijven als verschillende toestanden van één enkele theorie. Er zijn bijvoorbeeld 5 of 6 verschillende versies van de snaartheorie (namelijk, de vijf supersnaartheorieën en M-theorie). Men weet dat deze in wezen dezelfde theorie zijn, maar op een andere manier beschreven. Een eigenschap van de snaartheorie is dat deze gedrag van zwarte gaten op microscopische schaal kan beschrijven en verklaren.
Snaartheorie in de natuurkunde
De vier fundamentele natuurkrachten in de natuurkunde (de elektromagnetische kracht, de sterke en zwakke kernkracht en de zwaartekracht) worden beschreven in twee theorieën:
De relativiteitstheorie is een beschrijving van de natuur op grote afstanden en bij hoge snelheden, daarmee een macroscopische beschrijving van de gravitatie. (Bij lage snelheden en lage massa's kan men zwaartekracht ook beschrijven met Newtons gravitatietheorie.) De kwantummechanica is een beschrijving van het gedrag van de materie op zeer kleine schaal, met andere woorden hoe fundamentele deeltjes op elkaar inwerken. De sterke, zwakke en elektromagnetische krachten moeten dus beschreven worden met een kwantumtheorie. Deze theorie werd gevonden in de tweede helft van de twintigste eeuw en men noemt deze nu het Standaardmodel van de deeltjesfysica.
In 'alledaagse' situaties waarin geen sprake is van zeer grote snelheden of massa's, waarin het gedrag van de materie op zeer kleine schaal te verwaarlozen is, worden de bovenstaande theorieën herleid tot klassieke of newtoniaanse mechanica en de meer vertrouwde wereld van vloeistoffen, gassen en vaste stoffen. Dit geeft dan aanleiding tot de beter bekende takken van de fysica, zoals de fysica die in het secundair onderwijs geleerd wordt.
Meestal hebben kwantummechanica, klassieke mechanica en relativiteitstheorie hun eigen toepassingsgebied, door het schaalverschil waar ze van toepassing zijn. (Het is bijvoorbeeld duidelijk dat men geen kwantummechanica nodig heeft om het macroscopische gedrag van een gas te beschrijven. Ook heeft men geen relativiteitstheorie nodig om de baan van een naar de aarde toe vallend voorwerp te berekenen: in deze situatie is de gravitatietheorie van Newton goed genoeg voor een nauwkeurige beschrijving.)
Er zijn echter toepassingen waarbij zowel met kwantummechanica als met relativiteitstheorie rekening moet worden gehouden, bijvoorbeeld de gravitatie op kleine schaal bij zwarte gaten ook als men de tijd vlak na de oerknal wil bestuderen. Deze situaties zijn heel interessant voor een dieper inzicht in ons universum. Het is problematisch dat er nog steeds geen omvattende theorie bekend is die tegelijkertijd relativistische als kwantummechanische effecten kan beschrijven. Reeds lang zoekt men één universele theorie, die dit wél kan, de zogenaamde unificatietheorie.
Het feit dat snaartheorie zowel relativiteitstheorie als kwantummechanica omvat, maakt haar een goede kandidaat voor de unificatietheorie (ook wel Theorie van alles). Dit is de reden waarom de snaartheorie nijver wordt bestudeerd.
Snaren en extra dimensies Hierboven werd uitgelegd dat snaartheorie erin slaagt Einsteins algemene relativiteitstheorie te combineren met kwantummechanica. Men zegt ook wel dat snaartheorie een consistente kwantumgravitatie-theorie is. De snaartheorie veronderstelt dat deeltjes in werkelijkheid kleine, trillende, eendimensionale snaren zijn. Verschillende trillingswijzen van een snaar worden dan waargenomen als verschillende deeltjes. Zoals een snaar van een viool verschillende tonen kan voortbrengen door de lengte van de snaar te veranderen, kan een snaar verschillende basisdeeltjes vormen, zoals quarks of elektronen. Er is dus nog een extra unificerend aspect aan de snaartheorie: alle verschillende deeltjessoorten worden op een elegante manier verenigd in één enkel fundamenteel geheel. Zoals in de inleiding staat, zijn deze snaren (als ze bestaan) wel erg moeilijk om waar te nemen: ze zouden afmetingen hebben, om en nabij de plancklengte (10−35 meter), terwijl met de huidige techniek de kleinst meetbare afstand 10−15 meter is.