Veel mensen staan er niet bij stil, dat we niet in een drie- maar in een vierdimensionale wereld leven. Een wereld met drie ruimtedimensies en een tijddimensie. Stel dat je afspreekt met iemand, dan moet je niet alleen de lengte en breedte (kantoorgebouw X op plaats Y) maar ook de hoogte (derde verdieping) en het tijdstip (13.30) afleggen. Als ook maar één van deze vier coördinaten afwijkt, dan missen jullie elkaar.
Er zijn nogal wat verschillen tussen een ‘ruimteachtige’ dimensie en een ’tijdachtige’ dimensie. Het duidelijkst komt dit tot uiting in de speciale relativiteitstheorie. Hoe sneller je in de ruimte beweegt, hoe langzamer de tijd lijkt te lopen. Hoe zou een wereld er uitzien waarin er twee tijddimensies zouden bestaan? En als we ook de tijddimensie als een ruimteachtige dimensie zouden beschouwen, leven we dan in een statisch vierdimensionaal heelal waarin alles vastgelegd is? of is de werkelijkheid rijker en complexer dan dat?
Met de ontdekking van het Higgsdeeltje wil het, alle mediaheisa ten spijt, nog niet bepaald opschieten. Wel blijken er in de enorme hoeveelheid data die het CERN vrij heeft gegeven, heel wat interessante metingen te zitten die niet met het Standaardmodel te verklaren zijn. Nieuwe natuurkunde op komst dus. Enkele theorieën zijn al gesneuveld, maar één voorspelt deze waarnemingen precies…
Dual use
Toen de staf van de LHC wereldkundig maakten dat ze sporen van het Higgdeeltje leken te hebben ontdekt, stelden ze al hun meetdata voor download ter beschikking aan natuurkundigen over de hele wereld. De bedoeling hiervan was om de conclusies van het LHC, dat er een mogelijk Higgsdeeltje met een massa tussen de 124 en 126 GeV/c2 gevonden was, na te rekenen. Er zijn echter heel wat natuurkundige theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel. Geen wonder dat veel theoretisch natuurkundigen de gelegenheid te baat namen om hun lievelingstheorie – of die van hun concullega’s – te beproeven aan de hand van de geopenbaarde LHC-gegevens.
Zou Lisa Randalls radion werkelijk bestaan? Zo ja, dan zou ze wel eens de derde vrouwelijke Nobelprijswinnaar natuurkunde kunnen worden.
Higgsdeeltje verandert vervalwijze deeltjes
Een bijproduct van de pogingen om de massa van het Higgdeeltje te bepalen, is een grote hoeveelheid statistiek en modelleren van botsingen. Niet alleen produceren deze botsingen grote hoeveelheden van verschillende deeltjes, maar deze deeltjes vallen weer uiteen in andere deeltjes die op hun beurt met elkaar wisselwerken. Welke deeltjes precies ontstaan en hoe ze wisselwerken is niet vooraf te voorspellen; wel kan de kansverdeling worden voorspeld. Deze kansverdeling wordt bepaald door de omstandigheden van de botsing.
De detector kan niet de instabiele tussendeeltjes, zoals W-bosonen en pionen, rechtstreeks detecteren. In feite kunnen alleen elektronen, positronen (anti-elektronen), de zwaardere muonen en straling, die vbrijkomen als de instabiele tussenproducten uit elkaar vallen, worden gedetecteerd. Uit de waargenomen vervalpaden moeten dan de deeltjes worden afgeleid. Sommige vervalpaden komen vaker voor dan andere. Als er een Higgsdeeltje bestaat, heeft dat invloed op de verhouding waarin de verschillende vervalpaden voorkomen. Het Standaardmodel geeft aan hoe.
Goede massa, verkeerde vervalpad-verhouding
De – waarschijnlijke – massa van het “Higgsdeeltje” komt vrij goed overeen met wat – na het nodige gepruts – het Standaardmodel voorspelt, maar de door het LHC-team waargenomen vervalpadverhoudingen zijn heel anders dan voorspeld. Volgens Kingman Cheung en Tzu-Chiang Yuan, beide verbonden aan Taiwanese universiteiten, is dat lastig in te passen in het Standaardmodel. Overigens is de betrouwbaarheid van de data (deze berust immers op veel, heel veel botsingen), nu nog niet groot genoeg om al met zekerheid te kunnen zeggen dat het Standaardmodel niet meer deugt.
Eindelijk dan toch nieuwe natuurkunde?
De meeste natuurkundigen snakken naar experimentele data die afwijken van het Standaardmodel. Tot nu toe heeft de LHC namelijk nog niets nieuws opgeleverd. Er zijn al tientallen uitbreidingen voorbij het Standaardmodel bedacht, alle met als doel het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en de twee kwantumveldtheorieën die de rest van de natuurkunde beschrijven, op te lossen.
De vraag is uiteraard welke theorie klopt. De eenvoudigste variant van de populaire supersymmetrie klopt in ieder geval niet. De voorspelde superpartners van bekende deeltjes, blijken namelijk niet voor te komen in de LHC-metingen. In andere varianten van supersymmetrie zijn deze veel zwaarder, boven het vermogen van de LHC.
Darwinistische theorie-selectie
Elke nieuwe waarneming betekent daarmee dat er theorieën worden uitgeschakeld terwijl de kansen voor andere theorieën juist groter worden. Eén van deze theorieën is een soort supersymmetrie waarbij er één extra dimensie voorkomt en daarnaast een grote hoeveelheid nieuwe, zwaardere deeltjes. De productie van één van de deeltjes uit deze theorie, het zogeheten Randall-Sundrum radion (M. Gabella, 2006), vergroot inderdaad het aantal van precies één bepaalde aftakking en vermindert het aantal van twee andere, zoals waargenomen door het LHC. Volgens de bijbehorende theorie is er een vijfde dimensie (de vierde is de tijd), die opgerold is. Om die reden merken wij hiervan bij lage energieën niets.
Nog veel meetonzekerheid
Wel is de foutenmarge nog te groot om to een definitieve conclusie te komen en zal dat ook in de loop van dit jaar zo blijven. Zelfs als de LHC het Higgsdeeltje vaststelt op 125 GeV/c2 (wat inderdaad precies overeeenkomt met de laagste resonantiewaarde in het artikel van Gabella).
Nog steeds geen definitief bewijs voor een bepaalde theorie voorbij het Standaardmodel dus, maar als de experimenten maar lang genoeg worden voortgezet, zal op een gegeven moment een afwijking worden gevonden met voldoende meetnauwkeurigheid om één van de theorieën tot winnaar uit te roepen. Eeuwige roem zal de geluksvogel die deze theorie bedacht, dan ten deel vallen.
Wat gebeurt er met een voorwerp als je het roteert in vier dimensies tegelijkertijd? In deze video gebeurt precies dat. Een kijkje op de bizarre verschijnselen die extra dimensies met zich meebrengen.
Tot slot een bizarre vier-dimensionale fractal, een mandelbulb, die over de x-y as roteert. Let op de spookachtige vormveranderingen.
Hoe zou de wereld er uit zien als het heelal een dimensie meer zou hebben dan de drie ruimtedimensies en tijddimensie die het volgens de relativiteitstheorie heeft? Volgens sommige theorieën zijn er in totaal vijf dimensies: vier ruimtedimensies en een tijddimensie. Deze korte video van iets meer dan zes minuten doet de voornaamste geheimen van de vierdimensionale ruimte uit de doeken.
Sommigen denken dat we door in een vierde ruimtedimensie te reizen, in een heel ander heelal terecht komen dat parallel aan het onze ligt, maar waar de natuurwetten en de geschiedenis anders zijn dan hier. Een mogelijkheid is dat het om een parallel heelal gaat, zoals voorspeld door de Veel Werelden Interpretatie van de kwantummechanica. In een buurheelal zijn dan bijvoorbeeld de Neanderthalers niet uitgestorven, maar de mens (dat scheelde overigens maar weinig). Het is ook mogelijk dat de natuurconstanten heel iets afwijken van de waardes in dit heelal. Sterren zouden dan bijvoorbeeld veel kleiner of veel groter zijn, afhankelijk van de verhouding tussen de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht.
Hoe zou een vierdimensionale kubus er uit zien in 3D? Deze animatie geeft antwoord.
Zoals een vierkant wordt begrensd door vier lijnen, een kubus door zes vlakken, wordt een hyperkubus begrensd door acht kubussen. je kan je dit het beste voorstellen als een kubus, die van links, rechts, voor, achter, boven, beneden en in het verleden/in de toekomst wordt begrensd door een kubus. Een interessant denkexperiment om te proberen te ontsnappen aan de beperkingen van onze 3D leefwereld.
Volgens een omstreden theorie van Dejan Stojkovic had ons heelal vlak na de Big Bang meer weg van een lijn dan van een ruimte zoals wij die nu kennen. Stojkovic en collega Jonas Mureika hebben nu een test bedacht om aan te tonen of hun theorie klopt of niet: de afwezigheid van zwaartekrachtsgolven uit het vroege heelal. En er is nog meer. Misschien dat grote stukken heelal al vierdimensionaal zijn geworden. Zou dit die merkwaardige kosmische lege ruimtes tussen de melkwegstelsels en de versnelde uitzetting van het heelal verklaren?
Animatie van een hyperkubus, een vierdimensionale kubus.
Vorming tweede en derde dimensie in plaats van inflatie
Stojkovic’ theorie, waar we al een eerder artikel aan hebben gewijd, komt er op neer dat het heelal vlak na de oerknal ééndimensionaal was. Toen het heelal verder afkoelde, ontstonden de tweede en uiteindelijk de derde dimensie. Het aannemen van een tijdperk van extreemsnelle inflatie, op dit moment het grote paradigma in de kosmologie, is hiermee niet meer nodig, stelt Stojkovic. Wat er gebeurde was domweg het ontstaan van de tweede respectievelijk derde dimensie waardoor het aantal bewegingsmogelijkheden (dat we waarnemen als ruimte) explosief groeide. Dit zou betekenen, dat de kosmologie die we nu kennen sterk vereenvoudigd zou worden. Het is niet meer nodig om een mythische inflatoire kracht, uiteenvallend vals vacuüm en andere woeste bedenksels te hanteren.
Algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica komen in harmonie
De speciale relativiteit kloppend krijgen met kwantummechanica lukt nog wel, denk aan de relativistische Dirac-vergelijking, maar bij de algemene relativiteitstheorie is dat hopeloos. Als het aantal dimensies op de allerkleinste schaal (in de buurt van de extreem korte Plancklengte, vele ordes van grootte kleiner dan een proton) wordt teruggebracht, verdwijnen de wiskundige nachtmerries, die alle pogingen om kwantummechanica met de algemene relativiteitstheorie in overeenstemming te brengen, frustreren.
Massa Higgsdeeltje hoeft niet aangepast te worden
We weten nog steeds niet waar elementaire deeltjes als elektronen en quarks hun massa vandaan halen. Het Standaardmodel introduceert hiervoor het zogeheten Higgsdeeltje, dat aan deeltjes waar we massa van waarnemen, kleeft als een soort stroop en zo traag en zwaar maakt. Alle pogingen om dit Higgsdeeltje te vinden zijn tot nu toe mislukt. Met dit Higgsdeeltje is er nog een probleem: bestaande theorieën voorspellen een veel te hoge massa, wat in strijd zou zijn met het standaardmodel. Dit moet dus kunstmatig aangepast worden. Dat hoeft niet meer in Stojkovic’ theorie.
Extra dimensie verklaart versnelde uitzetting
Het meest hallucinerende gevolg van Stojkovic’s theorie is wel het ontstaan van een extra dimensie in het hier en nu. Ongeveer tien jaar geleden werd een ontdekking gedaan die de bekende kosmologie behoorlijk overhoop gooide. Het heelal zet steeds sneller uit. Zelfs Einsteins verfoeide kosmologische constante, ooit door hem de grootste vergissing van zijn leven genoemd, werd weer van stal gehaald om dit te verklaren. In kosmologische modellen wordt uitgegaan van zogeheten donkere energie die dit op zijn geweten heeft. Onzin, stelt Stojkovic. Steeds grotere delen van het heelal gaan over naar de vierde dimensie, wat wij waarnemen als uitzetting. Wanneer zijn wij aan de beurt?
Experimentele bewijzen?
Waarnemingen aan extreem energierijke kosmische straling lijkt te wijzen op het reduceren van het aantal dimensies bij energieën, hoger dan een tera-elektronvolt. Deze energieschaal is ook waarneembaar bij botsingen in de enorme Large Hadron Collider van het CERN onder het meer van Genève. Klopt Stojkovic’ theorie, dan merken we dat dus de komende jaren, als er meer hoge-energie botsingen zijn geregistreerd. En kunnen er heel wat natuurkundeboekjes herschreven worden…
