Superstrune, ili teorija superstruna, uzbudljivo je polje fizike koje se ponekad naziva Teorija svega. Mnogi smatraju da je to neuhvatljivo objedinjujuće objašnjenje koje je Einstein tražio i koje bi moglo objasniti sve poznate sile u svemiru.
Dok se nisu pojavile superstrune, znanstvenici su imali dvije suprotstavljene teorije o ponašanju zakona prirode: Einsteinovu opću teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku.
Opća teorija relativnosti objašnjava svijet kakvog ga poznajemo u prilično velikim razmjerima. Opisuje prostor-vrijeme kao tkaninu iskrivljenu masom koja uzima u obzir orbitalne sustave, galaksije i silu gravitacije. Ali ti se zakoni raspadaju na kvantnoj razini gdje se subatomska čestica ne može mjeriti u smislu njezina točnog položaja u prostoru u danom trenutku. Također je vjerojatno da će se kretati unatrag u vremenu kao i naprijed, a može se čak činiti da se nalazi na dva mjesta istovremeno. Svijet beskonačno malog toliko je bizaran da su znanstvenici skovali izraz “kvantna čudnost” kako bi ga opisali.
Problem za fizičare bio je smisliti teoriju koja bi ujedinila svijet koji poznajemo s kvantnim svijetom. Jedno objašnjenje za sve četiri poznate sile: gravitaciju, jake i slabe nuklearne sile i elektromagnetizam. Superstrune bi mogle biti taj odgovor.
Kroz matematičke jednadžbe postalo je očito da je način na koji smo prije smatrali česticama “točkama” ili “malim kuglicama” energije netočan. Ti sićušni komadići materije zapravo su se više ponašali kao vijugave, vibrirajuće žice. Žice su toliko male da Brian Greene, fizičar i zagovornik, objašnjava da kada bi jedan atom bio veličine našeg Sunčevog sustava, struna bi bila samo veličine stabla. Ipak, žice čine svu materiju od kvantne razine naviše.
Način na koji strune vibriraju određuju specifična svojstva svake čestice, uspoređujući svemir s kozmičkom simfonijom superstruna. Ali da bi se teorija matematičkih anomalija riješila, bilo je potrebno šest dodatnih dimenzija. Šest dodatnih dimenzija tvori malene, uvijene 6-D oblike na svakoj točki unutar našeg prostora. Unutar ovih 6-D oblika nalaze se nizovi teorije superstruna. Šest dodatnih dimenzija, plus naše tri, značilo je da stvarno postoji 9 dimenzija. Dodajte još jednu za vrijeme, a ukupno je bilo 10 dimenzija. Koliko god ovo bilo iznenađujuće, to nije bio kraj.
Godine 1995. različite teorije superstruna predstavljale su zagonetku sve dok ih M-teorija nije ujedinila. Jedina kvaka? M-teorija je matematički zahtijevala 11. dimenziju. To je predstavljalo novu sliku žica pri čemu se, uz dovoljno energije, struna može rastegnuti i postati iznimno velika plutajuća membrana, skraćeno nazvana brane. Brane mogu imati različita dimenzionalna svojstva i narasti kao svemir. Zapravo, prema teoriji, cijeli naš svemir postoji na plutajućoj brani – samo jednoj od nekoliko plutajućih brana od kojih svaka podržava svoj vlastiti paralelni svemir. Svaka brane predstavlja jednu krišku višedimenzionalnog prostora ili mase.
Iako je standardni model iz 1970-ih već ujedinio tri od četiri sile u jedinstvenu teoriju, gravitacija se nije mogla pomiriti s tri kvantne sile. Ali proboj u superstrune obuhvatio je neuhvatljivu silu gravitacije, šaputanje Svetog grala fizike. Ako hipotetska čestica bez mase odgovorna za prijenos gravitacije – graviton – postoji na kvantnoj razini kao zatvoreni niz, to bi predstavljalo izravnu gravitacijsku vezu s teorijom superstruna.
Teorija predviđa da nizovi mogu biti otvoreni ili zatvoreni. Otvorene žice ili žice koje nalikuju malim vlasivim dlačicama imaju barem jednu krajnju točku “pričvršćenu” na membranu kao što je kolica pričvršćena gornjim kabelom na električni vod. Žice se mogu kretati kroz branu, ali je ne mogu napustiti, objašnjavajući zašto fizički ne možemo vidjeti izvan naše dimenzije ili posegnuti iz nje. Atomi koji čine naša tijela sastavljeni su od otvorenih nizova koji imaju pričvršćene krajnje točke na našu 3-D membranu. Drugi način gledanja na to je razmatranje filmskog platna. Čini se da su ljudi na ekranu trodimenzionalni, ali zapravo ne mogu posegnuti s ekrana u naš 3-D svijet. Oni su zapeli u svom 2-D svijetu, kao što smo mi zapeli u našem 3-D svijetu i ne možemo doseći susjedne dimenzije. Znanstvenici to nazivaju stupnjevima slobode.
Ali graviton je drugačiji. Kao zatvoreni niz ili petlja bez spojenih krajnjih točaka teoretiziralo se da bi mogao pobjeći iz naše 3-D brane i prodrijeti u druge dimenzije. To bi objasnilo zašto je gravitacija mnogo puta slabija od ostalih sila.
Međutim, što ako je obrnuto istinito? Što ako je gravitacija na paralelnoj brani jaka kao i ostale sile, ali je ovdje slabija jer curi samo u našu dimenziju? Matematički gledano, teorija superstruna je ponovno dobro funkcionirala i konačno je iznijela uvjerljivo objašnjenje za slabost gravitacije dok ju je ujedinila s druge tri sile.
Ostala je samo jedna prepreka: teorija ujedinjenja također bi trebala biti u stanju objasniti Veliki prasak. Četiri fizičara koji su zajedno putovali u vlaku ležerno su se pozabavili ovom temom. Jedan od njih postavio je pitanje: Što bi se dogodilo da se dva brana sudare? Ispostavilo se da je uvjerljivi matematički odgovor Veliki prasak.
Krititelji teorije superstruna ukazuju na nedostatak dokaza i poteškoće u njihovom pružanju. Je li to samo lijepa matematička konstrukcija? Filozofija? Ili istinito objašnjenje našeg svijeta? Niti jedna druga teorija nije se približila matematičkom ujedinjenju sve četiri sile, a kamoli dodatnom objašnjenju Velikog praska. No, dokazivanje postojanja drugih dimenzija – plutajućih brana i paralelnih svemira – bilo je glavna prepreka.
Ipak, vjernici elegantne teorije željni su je vidjeti dokazanu, a znanstvenici su otad otkrili da bi mogli postojati vidljivi dokazi astronomski velikih struna. Dakle, teorija superstruna i dalje dobiva na snazi. Na kraju, ako uspiju, od 11 dimenzija do paralelnih svemira, od uskovitlanih galaksija do kvantne juhe, superstrune bi mogle biti samo Teorija svega.