Forskere har længe søgt den partikel, der bærer tyngdekraften, men en ny teoretisk model kaster den idé helt ud – og viser, hvordan den kunne testes i eksperimenter
Skal tyngdekraftbærende partikler eksistere for at forklare, hvordan tyngdekraften opstår?
Alle de grundlæggende kræfter menes at blive båret af en partikel, men en ny matematisk model antyder, at tyngdekraften kan være en slående undtagelse. Baseret på en årtier gammel idé har forskere afsløret en vej mod at forstå denne mulighed i detaljer og teste den eksperimentelt.
Manthos Karydas ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Californien siger, at tyngdekraften skiller sig ud fra de andre grundlæggende kræfter. En af grundene til dette er, at vores nuværende bedste teori om tyngdekraft, Albert Einsteins teori om generel relativitet, indeholder eksotiske genstande som sorte huller, hvor tyngdekraften opfører sig vildt anderledes end det gør andre steder, vi kender til.
Sorte huller udviser også underlige egenskaber, når det kommer til deres termodynamik, de love, der styrer deres temperatur, energi og entropi. Andre forskere havde tidligere identificeret denne forbindelse som et muligt tip til Gravity’s sande natur, og teamet bag det nye arbejde blev styret af den samme intuition.
Karydas og hans kolleger har konstrueret en gravitationsmodel, der gengiver, hvordan vi oplever tyngdekraften i vores verden, men grøfter gravitoner, de formodede partikelbærere af tyngdekraften, helt.
“Reglerne er, at du er nødt til at lave den (teoretiske) model, der er i stand til at gengive alt, hvad du har observeret indtil videre. For eksempel har du stadig brug for jorden for at kredse solen stabilt,” siger teammedlem Daniel Carney, også på LBNL.
Han siger, at deres model udfører dette – gengiver den tyngdekraft, som vi “kender og elsker” – ved at overveje en situation, der er analog med et par massive stempler med en gas mellem dem. Her dikterer lovene om termodynamik, at gaspartikler skal bevæge sig for at maksimere deres kollektive entropi under forudsætning af en meget forstyrret konfiguration, som til sidst får stemplerne til at bevæge sig også. Effektivt er stemplerne underlagt det, der er kendt som en entropisk kraft, der stammer fra gassen.
Forskerne afledte ligninger for tyngdekraften som en entropisk kraft, hvor to massive genstande spiller rollen som stempler og gassen er en samling kvantebits, eller de mindste genstande, der kan bære kvanteinformation. Det antages ofte, at to objekter gravitationsmæssigt tiltrækker hinanden ved at udveksle gravitoner, men i denne model fremkommer gravitationsattraktionen fra rummet omkring dem, der er fyldt med kvanteobjekter.
Karydas siger, at dette er første gang, ideen, der oprindeligt blev fremsat i 1995, er blevet udviklet i detaljer til nok detaljer til at forudsige for specifikke fysiske scenarier, herunder flere laboratorieeksperimenter, der i øjeblikket er ved at blive bygget.
Han og hans team beregnet, hvad forskere kan måle i disse eksperimenter, hvilket vil undersøge, om tyngdekraften kan forbinde to objekter gennem kvanteforvikling, såvel som andre eksperimenter, der undersøger tilfældige udsving kaldet støj, der skal opstå på grund af, hvordan tyngdekraften fordeles over rummet. De afsluttede disse beregninger for flere forskellige versioner af deres model, så det enten kan udelukkes fuldt ud eller yderligere raffineres baseret på fremtidige eksperimentelle fund.
”Den slags spørgsmål, vi blev drevet af, var:” Så hvad? Hvad ændrer (den teoretiske model) i det, vi kan observere? ”, Siger teammedlem Jacob Taylor ved University of Maryland.
Denys Bondar ved Tulane University i Louisiana siger, at forbindelsen til realistiske eksperimenter ofte er vanskelig at opnå for nye tyngdekraftsmodeller, så det nye arbejde præsenterer et betydeligt skridt fremad i debatten om Gravity’s sande natur. ”I det sidste årti har vi (havde) enorme fremskridt i ikke kun kvante, men også gravitationsmålinger, så jeg er meget optimistisk for, at vi snart vil have flere input fra eksperimentalister,” siger han.
Carney siger, at han og hans kolleger også skal arbejde på mange flere matematiske tests for deres model, såsom at drille ud, hvordan det kan gengive alle funktionerne i generel relativitet.