Sera Cremonini mener, at hemmelighederne bag nogle af universets største mysterier meget vel kan ligge i opførslen af dets mindste bestanddele.
Tænk på universets begyndelse. I en brøkdel af et sekund efter Big Bang for 14 milliarder år siden eksploderede en enorm mængde tæt indespærret stof til et supervarmt hav af subatomare partikler.
Og tænk på de sorte huller, der dannes, når massive stjerner kollapser. De komprimerer materien så tæt, at intet, der kommer ind i deres område, nogensinde slipper ud, ikke engang lys.
Hvordan vekselvirkede universets første partikler? Hvordan dannede de kvarker, og hvordan kombinerede de sig og dannede de første protoner og neutroner? Og hvilke love styrer et sort hul’s “gravitationssingularitet”, en flænge i rumtidens væv, hvor tætheden og tyngdekraften bliver uendelig?
Cremonini, der er assisterende professor i fysik, undersøger disse spørgsmål gennem strengteoriens briller, som antyder, at alle partikler i universet er lavet af små vibrerende energistrenge. Med en størrelse på kun 10-34 meter svarer en streng til en kvark i størrelse til et atom i størrelse til Jorden.
Strenge er endimensionelle objekter, der har længde, men ikke bredde. De kan have åbne ender, danne en lukket sløjfe eller være knyttet til membraner eller braner, som kan være bittesmå eller fylde hele universet. Ligesom guitarstrenge, der er stemt til at frembringe forskellige frekvenser, kan strengenes vibrationer forbindes med de forskellige partikler, som vi kender. En af disse svarer til gravitonen, den partikel, som menes at bære gravitationskraften. Den måde, hvorpå strenge og membraner arrangerer sig selv og interagerer med hinanden, giver anledning til de subatomare partiklers egenskaber, som vi observerer.
“Ideen bag strengteorien er enkel,” siger Cremonini. “Kig dybt inde i en hvilken som helst partikel, og du vil se denne lille vibrerende streng. Det er den fundamentale enhed, som vi har ledt efter, den fundamentale enhed, der udgør alting.”
Strengteorien er ifølge Cremonini den bedste ramme, der hidtil er blevet udtænkt til at bygge bro mellem de to uforenelige teorier, der beskriver, hvordan universet fungerer. Albert Einsteins generelle relativitetsteori lærer, at tyngdekraften er bøjningen af rum og tid; den er deterministisk, og den beskriver fænomener i stor skala. Kvantemekanikken er probabilistisk; den regulerer atomare og subatomare partiklers adfærd.
“Einsteins generelle relativitetsteori er en smuk og velafprøvet teori, der fortæller os, hvordan massive objekter forvrænger rumtidens struktur”, siger Cremonini. “På grund af den har vi GPS-systemer, og vi forstår planeternes baner og lysets bøjning omkring galakser. Og så sent som sidste år opdagede LIGO-eksperimentet for første gang gravitationsbølger, som Einstein forudsagde 100 år tidligere. Det er krusninger i selve rumtiden, som skyldes sammenstød mellem to sorte huller, en spektakulær bekræftelse af den generelle relativitetsteori.
“Men den generelle relativitetsteori fungerer kun godt ved store afstande eller store skalaer – med en planet, et æble eller et fly. Teorien kan ikke beskrive tyngdekraften overalt i universet. Den bryder sammen, når man går til meget, meget korte afstande, hvor kvantemekanikkens virkninger ikke kan ignoreres.
“Den generelle relativitetsteori og kvantemekanikken forklarer deres respektive regimer godt, men vi har brug for en teori, en teori om kvantetyngdekraften, som forener dem begge, for at beskrive situationer, hvor gravitations- og kvantevirkninger er lige vigtige. Stringteorien er lige nu den mest lovende og konsistente ramme, vi har til at kaste lys over tyngdekraftens kvantemæssige natur. Det er et sæt værktøjer, som vi kan bruge til at besvare spørgsmål om universets begyndelse, sorte hullers adfærd og egenskaber samt rumtidens struktur. Alle disse idéer hænger sammen.”
Cremonini har for nylig modtaget et treårigt tilskud fra National Science Foundation til at studere rumtidens mikrostruktur, det firedimensionelle kontinuum, hvori de tre fysiske dimensioner er vævet ind med tiden. Ved hjælp af en teknik kaldet holografi håber hun at kunne kaste lys over fænomener lige fra de umiddelbare eftervirkninger af Big Bang til strukturen og egenskaberne af sorte huller og opførslen af ukonventionelle materialer som højtemperatur-superledere.
Den sfæriske ko
Cremonini begynder en stor del af sin forskning med en blyant og et stykke papir og skriver differentialligninger, der ikke er meget mere komplicerede end dem, som studerende lærer at løse i universitetsregning. Ligningerne er ligninger fra den generelle relativitetsteori med kvantefeltteori og strengteori.
“Mange af disse beregninger kræver fysisk intuition,” siger hun. “Nogle af dem kan udføres i hånden. Når jeg først har opstillet et problem på den rigtige måde, bruger jeg computeren til at hjælpe.
Som de fleste fysikere foretager Cremonini mange tilnærmelser og forudsætninger om den virkelige verden. Det er især vigtigt i forbindelse med strengteori, da forskerne endnu ikke har udviklet værktøjer, der kan producere eller observere strenge.
“Der er en vittighed i fysikken om en kugleformet ko”, siger hun. “De fleste af de problemer, fysikere arbejder med, kræver, at vi laver tilnærmelser af den virkelige verden, f.eks. at vi tager en ko og gør den kugleformet, fordi en kugle er meget nemmere at modellere end en rigtig ko.
“Vi har ikke de matematiske værktøjer til at løse visse problemer, så vi er tvunget til at lave forenklinger og tilnærmelser, der reducerer dem til noget, vi kan håndtere. Vi er nødt til at relatere et problem, som vi ikke ved, hvordan vi skal løse, til noget, som vi ved kan løses uden at miste dets væsentlige fysiske egenskaber.”
Tyngdekraft-kvanteordbog
En dualitet i strengteorien, siger Cremonini, giver indsigt i, hvordan tyngdekraften hænger sammen med kvantemekanikkens verden. Nogle aspekter af gravitationens rumtid, siger hun, har alternative beskrivelser i kvanteverdenen.
“I strengteorien lærer vi, at visse teorier om gravitation, der lever i et bestemt antal dimensioner, har tilsvarende og fuldstændig ækvivalente beskrivelser i kvanteteorier, der lever i en dimension mindre. På grund af denne forskel i antallet af dimensioner kalder vi det holografi, da det minder om et hologram, som er en projektion af et 3D-objekt på to dimensioner.”
Lige en fransk-tysk eller japansk-engelsk ordbog, siger Cremonini, indeholder en gravitationsteori og dens tilsvarende kvanteteori den samme mængde information, men er skrevet med forskellige ord og konventioner. Holografi tilbyder et “rigt net” af forbindelser, siger Cremonini, som gør det muligt at oversætte mellem tyngdekraften og kvanteverdenen og at tænke på en helt ny måde om nogle af deres mest udfordrende aspekter. Det viser sig, at et problem, der er vanskeligt at løse på det ene område, kan oversættes til det andet – som regel gravitationsområdet – hvor det kan løses lettere.
Vurdering af virkelighedens asymmetri
Målet med Cremoninis nuværende forskning er at udvide omfanget af de problemer, som holografiske teknikker effektivt kan anvendes på.
“Holografiske teknikker blev oprindeligt udviklet til enkle systemer, der er velfungerende, har en masse symmetri og ikke er alt for realistiske,” siger hun. “Vi har fundet ud af, at disse teknikker er meget bredere og ret kraftfulde. Jeg spørger, i hvor høj grad vi kan udvide og generalisere disse idéer til mere komplekse systemer med mindre symmetri, som er tættere på vores univers og derfor mere realistiske.
“Fysikere kan godt lide at tænke på ting i form af symmetrier. De fleste af vores fremskridt, især inden for partikelfysik, har været afhængige af at forstå systemer, der er meget symmetriske; de er simpelthen lettere at forstå. Men i det virkelige liv har naturen mange mekanismer til at bryde symmetrier, og processerne er dynamiske og meget mere komplicerede.”
De problemer, der udgør den største udfordring for fysikerne, siger Cremonini, involverer normalt systemer, hvis bestanddele – f.eks. elektroner – interagerer stærkt med hinanden. I disse tilfælde er det notorisk vanskeligt at modellere, hvordan systemerne opfører sig ved forskellige temperaturer, eller hvordan de gennemgår faseovergange fra en tilstand til en anden.
En af de faseovergange, som Cremonini har studeret, forekommer i et kvantesystem kaldet quark-gluon-plasma. Ifølge teorien om kvantekromodynamik (QCD) består de protoner og neutroner, der udgør atomkernen, selv af tre små kvarker, som er tæt bundet til hinanden af partikler kaldet gluoner. Ved tilstrækkeligt høje energier adskiller kvarker og gluoner sig fysisk fra hinanden og flyder frit i en varm suppe eller plasma, hvilket er et fænomen, der minder om tilstanden i det tidlige univers. Den faseovergang, der frigør kvarkerne, kaldes QCD-dekonfinement og er genstand for eksperimenter ved den relativistiske tunge ioncollider ved Brookhaven National Laboratory og Large Hadron Collider ved CERN, den europæiske organisation for nuklear forskning i Schweiz.
“På grund af de stærke vekselvirkninger mellem kvarker og gluoner”, siger Cremonini, “er dette system meget vanskeligt at studere. Men det kan afbildes til et passende gravitationssystem, hvor nogle af dets egenskaber er meget lettere at undersøge.”
Når energi styrer adfærd
I sit NSF-projekt forsøger Cremonini at bruge holografiske teknikker til at studere kvantefaser af stof, hvis adfærd er dårligt forstået, netop på grund af sådanne stærke vekselvirkninger. Et eksempel er højtemperatursuperledere, som opnår superledning ved temperaturer så høje som -70 grader celsius, sammenlignet med tærsklen på -240 grader for almindelige metalliske superledende materialer.
Da de har stærkt interagerende bestanddele, siger Cemonini, er højtemperatursuperledere meget mere udfordrende at modellere end almindelige superledere.
“Højtemperatursuperledere er meget interessante materialer, men der er ingen dyb forståelse af, hvorfor de superleder,” siger hun. “Opførslen af bestanddelene i disse materialer er meget mærkelig. Deres elektroner er så sammenfiltrede og interagerer så stærkt, at vi ikke rigtig kan forstå deres adfærd ved hjælp af de teknikker, som vi normalt ville bruge til almindelige superledere eller konventionelle metaller. Holografiske teknikker giver os en mulighed for at skrive håndterbare beregninger, der gør det muligt at modellere disse systemer og deres usædvanlige egenskaber.”
Opførslen af mange systemer kan sammenlignes med opførslen hos børn, der oplever et sukkerinduceret højtryk. Når der fjernes energi fra et system, siger Cremonini, slapper systemet af til sin nulenergi- eller grundtilstand. Når der tilføres energi, ofte ved tilførsel af varme, bliver systemet ophidset og udviser en rigelig adfærd.
“I fysik er det vigtigt at forstå, hvordan systemer opfører sig, når man fjerner deres energi, og hvilken tilstand de slapper af ned til. Adfærden er en funktion af energien.
“Tænk på, hvad der sker, når vand koger. Der dannes en boble – en ustabilitet i systemet – og begynder at vokse. Så dannes der flere bobler og vokser til en dampende masse. Det er sådan, vi tænker på faseovergange; de er der, fordi der dannes en ustabilitet, som derefter vokser. I mit arbejde udforsker jeg en række kvantefaser og de typer af ustabiliteter, der kan opstå.”
I sit NSF-projekt undersøger Cremonini også, hvordan tyngdekraften opstår fra mikroskopiske, kvantemekaniske bestanddele. Hun håber, at hendes svar vil kaste lys over rumtidens struktur, universets begyndelse og tidlige udvikling samt fysikken i sorte huller.
“Stringteorien har givet os en masse indsigt i forholdet mellem den generelle relativitetsteori og kvantemekanikken, især i de sidste 20 år. Den har hjulpet os med at lære noget om den grundlæggende struktur af sorte huller. Vi ved, at sorte huller har temperatur, hvilket betyder, at der er entropi forbundet med dem. Men entropi er ikke kun et mål for uorden. Den fortæller os også, at det sorte hul bør bestå af en masse mikroskopiske bits. En af strengteoriens store succeser er, at den har givet os en måde at beregne de mikroskopiske bits, som visse sorte huller består af, og den har reproduceret deres entropi meget præcist. Det er bemærkelsesværdigt, og det er et must for enhver teori om kvantetyngdekraften.
“Måske findes der en anden teori, der kan beskrive alle disse fænomener. Det er muligt, men indtil videre er strengteorien den bedste ramme, vi har.”
Story af Kurt Pfitzer