Endelig er en samlet teori, der kombinerer tyngdekraften med de andre grundlæggende kræfter – elektromagnetisme og de stærke og svage nukleare kræfter – inden for rækkevidde. At bringe tyngdekraften ind i folden har været målet for generationer af fysikere, der har kæmpet for at forene uforeneligheden af to hjørnestenene i moderne fysik: kvantefeltteori og Einsteins tyngdekraftsteori.
Forskere ved Aalto University har udviklet en ny kvanteteori om tyngdekraft, der beskriver tyngdekraften på en måde, der er kompatibel med standardmodellen for partikelfysik, der åbner døren til en forbedret forståelse af, hvordan universet begyndte.
Mens verden af teoretisk fysik kan virke fjern fra gældende teknologi, er resultaterne bemærkelsesværdige. Moderne teknologi er bygget på sådanne grundlæggende fremskridt – for eksempel fungerer GPS’en i din smartphone takket være Einsteins teori om tyngdekraft.
Mikko Partanen og Jukka Tulkki beskriver deres nye teori i et papir, der er offentliggjort i Rapporter om fremskridt inden for fysik. Hovedforfatter Partanen forventer, at resultaterne inden for få år vil have ulåst kritisk forståelse.
“Hvis dette viser sig at føre til en komplet kvantefeltteori om tyngdekraft, vil det til sidst give svar på de meget vanskelige problemer med at forstå singulariteter i sorte huller og Big Bang,” siger han.
“En teori om, at sammenhængende beskriver alle grundlæggende kræfter i naturen, kaldes ofte teorien om alt,” siger Partanen, selvom han ikke kan lide at bruge udtrykket selv. “Nogle grundlæggende spørgsmål om fysik forbliver stadig ubesvarede. For eksempel forklarer de nuværende teorier endnu ikke, hvorfor der er mere sag end antimaterie i det observerbare univers.”
Afstemning af det uforsonlige
Nøglen var at finde en måde at beskrive tyngdekraften i en passende gauge -teori – en slags teori, hvor partikler interagerer med hinanden gennem et felt.
“Det mest kendte gauge -felt er det elektromagnetiske felt. Når elektrisk ladede partikler interagerer med hinanden, interagerer de gennem det elektromagnetiske felt, som er det relevante gauge -felt,” forklarer Tulkki.
“Så når vi har partikler, der har energi, ville de interaktioner, de har, bare fordi de har energi, ske gennem gravitationsfeltet.”
En udfordring, der langsvendte fysikere, er at finde en gauge -teori om tyngdekraft, der er kompatibel med gauge -teorier fra de andre tre grundlæggende kræfter – den elektromagnetiske kraft, den svage atomkraft og den stærke atomkraft. Standardmodellen for partikelfysik er en gauge -teori, der beskriver disse tre kræfter, og den har visse symmetrier.
“Hovedideen er at have en tyngdekrafts teori med en symmetri, der ligner standardmodellens symmetrier, i stedet for at basere teorien på den meget forskellige slags rumtidssymmetri af generel relativitet,” siger Partanen, undersøgelsens hovedforfatter.
Uden en sådan teori kan fysikere ikke forene vores to mest magtfulde teorier, kvantefeltteori og generel relativitet. Kvanteteori beskriver verdenen for de meget små – tinede partikler, der interagerer på sandsynlige måder – mens generel relativitet beskriver den chunkier verden af velkendte genstande og deres gravitationsinteraktion.
De er beskrivelser af vores univers fra forskellige perspektiver, og begge teorier er blevet bekræftet til ekstraordinær præcision – men de er uforenelige med hinanden. Da gravitationsinteraktioner er svage, er der endvidere behov for mere præcision for at undersøge ægte kvantetyngdekraftseffekter ud over generel relativitet, hvilket er en klassisk teori.
“En kvanteteori om tyngdekraft er nødvendig for at forstå, hvilken slags fænomener der er i tilfælde, hvor der er et gravitationsfelt og høje energier,” siger Partanen. Det er betingelserne omkring sorte huller og i det meget tidlige univers, lige efter Big Bang – områder, hvor eksisterende teorier inden for fysik holder op med at arbejde.
Altid fascineret af de meget store spørgsmål om fysik opdagede han en ny symmetri-baseret tilgang til tyngdekraften og begyndte at udvikle ideen yderligere med Tulkki. Det resulterende arbejde har et stort potentiale til at låse op for en helt ny æra med videnskabelig forståelse, på omtrent samme måde som at forstå tyngdekraften banede vejen til til sidst at skabe GPS.
Åben invitation til det videnskabelige samfund
Selvom teorien er lovende, påpeger duoen, at de endnu ikke har afsluttet sit bevis. Teorien bruger en teknisk procedure kendt som renormalisering, en matematisk måde at håndtere infiniteter, der vises i beregningerne.
Indtil videre har Partanen og Tulkki vist, at dette fungerer op til et bestemt punkt-for såkaldte ‘første ordens’ vilkår-men de er nødt til at sikre, at uendelighederne kan fjernes gennem hele beregningen.
“Hvis renormalisering ikke fungerer for termer med højere orden, får du uendelige resultater. Så det er vigtigt at vise, at denne renormalisering fortsætter med at arbejde,” forklarer Tulkki. “Vi er stadig nødt til at lave et komplet bevis, men vi mener, det er meget sandsynligt, at vi får succes.”
Partanen er enig. Der er stadig udfordringer forude, siger han, men med tid og kræfter forventer han, at de vil blive overvundet. “Jeg kan ikke sige hvornår, men jeg kan sige, at vi ved meget mere om det om få år.”
For tiden har de offentliggjort teorien, som den står, så resten af det videnskabelige samfund kan blive fortrolig med den, tjekke dets resultater, hjælpe med at udvikle den yderligere og bygge videre på den.
“Ligesom kvantemekanik og relativitetsteorien før den, håber vi, at vores teori åbner utallige veje for forskere at udforske,” konkluderer Partanen.