Sera Cremonini tror att hemligheterna till några av universums största mysterier mycket väl kan ligga i beteendet hos dess minsta beståndsdelar.
Tänk på universums början. På en bråkdel av en sekund efter Big Bang för 14 miljarder år sedan exploderade en enorm mängd hårt instängd materia till ett supervarmt hav av subatomära partiklar.
Och tänk på de svarta hålen som bildas när massiva stjärnor kollapsar. De komprimerar materia så tätt att ingenting som kommer in i deras område någonsin kommer ut, inte ens ljus.
Hur samverkade universums första partiklar? Hur bildade de kvarkar, och hur kombinerades dessa för att bilda de första protonerna och neutronerna? Och vilka lagar styr ett svart håls ”gravitationella singularitet”, en reva i rymdtiden där täthet och gravitation blir oändliga?
Cremonini, som är biträdande professor i fysik, undersöker dessa frågor med hjälp av strängteorin, som föreslår att varje partikel i universum består av små vibrerande strängar av energi. En sträng mäter bara 10-34 meter och är lika stor som en kvark som en atom är lika stor som jorden.
Strängar är endimensionella objekt som har längd men inte bredd. De kan ha öppna ändar, bilda en sluten slinga eller fästa vid membran, eller branes, som kan vara små eller fylla hela universum. Liksom gitarrsträngar som är stämda för att producera olika frekvenser kan strängarnas vibrationer associeras med de olika partiklar som vi känner till. En av dessa motsvarar gravitonen, den partikel som tros bära gravitationskraften. Det sätt på vilket strängar och membran arrangerar sig och interagerar med varandra ger upphov till egenskaperna hos de subatomära partiklar vi observerar.
”Idén bakom strängteorin är enkel”, säger Cremonini. ”Titta djupt in i en partikel och du kommer att se en liten vibrerande sträng. Detta är den grundläggande enhet som vi har letat efter, den grundläggande enhet som utgör allting.”
Strängteorin, säger Cremonini, är den bästa ram som hittills har utarbetats för att överbrygga de två oförenliga teorier som beskriver hur universum fungerar. Albert Einsteins allmänna relativitetsteori lär att gravitationen är böjningen av rum och tid; den är deterministisk och beskriver storskaliga fenomen. Kvantmekaniken är probabilistisk och reglerar atomära och subatomära partiklars beteende.
”Einsteins allmänna relativitetsteori är en vacker, välbeprövad teori som talar om hur massiva objekt förvränger rymdtiden”, säger Cremonini. ”Tack vare den har vi GPS-system och vi förstår planeternas banor och ljusets böjning runt galaxer. Och så sent som förra året upptäckte LIGO-experimentet för första gången gravitationsvågor, som Einstein förutspådde 100 år tidigare. Dessa är krusningar i själva rymdtiden, orsakade av kollisionen mellan två svarta hål, en spektakulär bekräftelse av den allmänna relativitetsteorin.
”Men den allmänna relativitetsteorin fungerar bra endast på stora avstånd eller i stora skalor – med en planet, ett äpple eller ett flygplan. Teorin lyckas inte beskriva gravitationen överallt i universum. Den bryter samman när man går till mycket, mycket korta avstånd, där kvantmekanikens effekter inte kan ignoreras.
”Den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken förklarar sina respektive regimer väl, men vi behöver en teori, en teori om kvantgravitation, som förenar dem båda, för att beskriva situationer där gravitations- och kvanteffekter är lika viktiga. Strängteorin är just nu den mest lovande och konsekventa ram vi har för att belysa gravitationens kvantnatur. Det är en uppsättning verktyg som vi kan använda för att besvara frågor om universums början, svarta håls beteende och egenskaper samt rymdtidens struktur. Alla dessa idéer hör ihop.”
Cremonini fick nyligen ett treårigt stipendium från National Science Foundation för att studera rymdtidens mikrostruktur, det fyrdimensionella kontinuum i vilket de tre fysiska dimensionerna vävs in med tiden. Genom att använda en teknik som kallas holografi hoppas hon kunna belysa fenomen som sträcker sig från de omedelbara efterdyningarna av Big Bang till strukturen och egenskaperna hos svarta hål och beteendet hos okonventionella material som högtemperatursupraledare.
Den sfäriska kon
Cremonini börjar en stor del av sin forskning med en penna och ett papper, och skriver differentialekvationer som inte är mycket mer komplicerade än de som eleverna lär sig att lösa i college-kalkyl. Ekvationerna är ekvationer för allmän relativitetsteori med kvantfältteori och strängteori.
”Många av dessa beräkningar kräver fysisk intuition”, säger hon. ”En del av dem kan göras för hand. När jag väl har ställt upp ett problem på rätt sätt använder jag datorn som hjälp.”
Som de flesta fysiker gör Cremonini många approximationer och antaganden om den verkliga världen. Detta är särskilt viktigt med strängteorin eftersom forskarna ännu inte har utvecklat verktyg som kan producera eller observera strängar.
”Det finns ett skämt inom fysiken om en sfärisk ko”, säger hon. ”De flesta problem som fysiker arbetar med kräver att vi gör approximationer av den verkliga världen, som att ta en ko och göra den sfärisk eftersom en sfär är mycket lättare att modellera än en riktig ko.
”Vi har inte de matematiska verktygen för att lösa vissa problem, så vi tvingas göra förenklingar och approximationer för att reducera dem till något som vi kan hantera. Vi måste relatera ett problem som vi inte vet hur vi ska lösa till något som vi vet går att lösa utan att förlora sina väsentliga fysikaliska egenskaper.”
Gravitations-kvantordboken
En dualitet i strängteorin, säger Cremonini, ger insikter om hur gravitationen förhåller sig till kvantmekanikens värld. Vissa aspekter av gravitationens rumtid, säger hon, har alternativa beskrivningar i kvantvärlden.
”I strängteorin lär vi oss att vissa gravitationsteorier som lever i ett visst antal dimensioner har motsvarande och helt likvärdiga beskrivningar i kvantteorier som lever i en dimension mindre. På grund av denna skillnad i antalet dimensioner kallar vi detta för holografi, eftersom det påminner om ett hologram, som är en projektion av ett 3D-objekt till två dimensioner.”
Likt en fransk-tysk eller japansk-engelsk ordbok, säger Cremonini, innehåller en gravitationsteori och dess motsvarande kvantteori samma mängd information men är skrivna med olika ord och konventioner. Holografin erbjuder ett ”rikt nät” av kopplingar, säger Cremonini, som gör det möjligt att översätta mellan gravitationen och kvantvärlden och att tänka på ett helt nytt sätt om några av deras mest utmanande aspekter. Det visar sig att ett problem som är svårt att lösa inom en domän kan översättas till den andra – vanligtvis gravitationsdomänen – där det kan lösas lättare.
Bedömning av verklighetens asymmetri
Målet med Cremoninis nuvarande forskning är att utöka omfattningen av de problem som holografiska tekniker effektivt kan tillämpas på.
”Holografiska tekniker utvecklades ursprungligen för enkla system som är välfungerande, har en hel del symmetri och inte är alltför realistiska”, säger hon. ”Vi har upptäckt att dessa tekniker är mycket bredare och ganska kraftfulla. Jag frågar mig hur mycket vi kan utvidga och generalisera dessa idéer till mer komplexa system med mindre symmetri, som ligger närmare vårt universum och därför är mer realistiska.
”Fysiker gillar att tänka på saker i termer av symmetrier. De flesta av våra framsteg, särskilt inom partikelfysiken, har varit beroende av att förstå system som är mycket symmetriska; de är helt enkelt lättare att förstå. Men i verkligheten har naturen många mekanismer för att bryta symmetrier, och processerna är dynamiska och mycket mer komplicerade.”
De problem som utgör den största utmaningen för fysikerna, säger Cremonini, omfattar vanligtvis system vars beståndsdelar – till exempel elektroner – interagerar starkt med varandra. I dessa fall är det notoriskt svårt att modellera hur systemen beter sig vid olika temperaturer, eller hur de genomgår fasövergångar från ett tillstånd till ett annat.
En av de fasövergångar som Cremonini har studerat inträffar i ett kvantsystem som kallas quark-gluon-plasma. Enligt teorin om kvantkromodynamik (QCD) består de protoner och neutroner som utgör atomkärnan själva av tre små kvarkar som är tätt bundna till varandra av partiklar som kallas gluoner. Vid tillräckligt höga energier, i ett fenomen som påminner om tillståndet i det tidiga universum, separeras kvarkar och gluoner fysiskt och flyter fritt i en het soppa, eller plasma. Den fasövergång som frigör kvarkarna kallas QCD-dekonfinement och är föremål för experiment vid Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory och Large Hadron Collider vid CERN, Europeiska organisationen för kärnforskning i Schweiz.
”På grund av den starka växelverkan mellan kvarkar och gluoner”, säger Cremonini, ”är det här systemet mycket svårt att studera. Men det kan kartläggas till ett lämpligt gravitationssystem, där vissa av dess egenskaper är mycket lättare att undersöka.”
När energin styr beteendet
I sitt NSF-projekt försöker Cremonini använda holografiska tekniker för att studera kvantfaser av materia vars beteende är dåligt förstått, just på grund av sådana starka växelverkningar. Ett exempel är högtemperatursupraledare, som uppnår supraledningsförmåga vid så höga temperaturer som -70 grader Celsius, jämfört med tröskeln på -240 grader för vanliga metalliska supraledande material.
Om de har starkt interagerande beståndsdelar, säger Cemonini, är högtemperatursupraledare mycket svårare att modellera än vanliga supraledare.
”Högtemperatursupraledare är mycket intressanta material, men det finns ingen djupgående förståelse för varför de är supraledande”, säger hon. ”Beteendet hos beståndsdelarna i dessa material är mycket märkligt. Deras elektroner är så sammanflätade och interagerar så starkt att vi inte riktigt kan förstå deras beteende med hjälp av de tekniker som vi normalt skulle använda för vanliga supraledare eller konventionella metaller. Holografiska tekniker ger oss ett sätt att skriva lättförståeliga beräkningar som gör det möjligt att modellera dessa system och deras ovanliga egenskaper.”
Beteendet hos många system kan liknas vid beteendet hos barn som upplever en sockerkick. När energi tas bort från ett system, säger Cremonini, slappnar systemet av till sitt nollenergi- eller grundtillstånd. När energi tillförs, ofta genom tillförsel av värme, blir systemet exciterat och uppvisar ett rikt beteende.
”Inom fysiken är det viktigt att förstå hur system beter sig när man drar bort deras energi och vilket tillstånd de slappnar av till. Beteendet är en funktion av energi.
”Tänk på vad som händer när vatten kokar. En bubbla bildas – en instabilitet i systemet – och börjar växa. Sedan bildas fler bubblor och växer till en ångande massa. Det är så vi tänker på fasövergångar; de finns där för att en instabilitet bildas och sedan växer. I mitt arbete utforskar jag en mängd olika kvantfaser och de typer av instabiliteter som kan uppstå.”
I sitt NSF-projekt utforskar Cremonini också hur gravitation uppstår ur mikroskopiska, kvantmekaniska beståndsdelar. Hon hoppas att hennes svar ska kasta ljus över rymdtidens struktur, universums början och tidiga utveckling samt svarta håls fysik.
”Strängteorin har gett oss många insikter om förhållandet mellan allmän relativitetsteori och kvantmekanik, särskilt under de senaste 20 åren. Den har hjälpt oss att lära oss mer om svarta håls grundläggande struktur. Vi vet att svarta hål har temperatur, vilket innebär att det finns entropi förknippad med dem. Men entropi är inte bara ett mått på oordning. Den talar också om för oss att det svarta hålet bör bestå av en massa mikroskopiska bitar. En av strängteorins stora framgångar är att den har gett oss ett sätt att beräkna de mikroskopiska bitar som utgör vissa svarta hål, och den har återgivit deras entropi mycket exakt. Detta är anmärkningsvärt, och det är ett måste för varje teori om kvantgravitation.
”Kanske finns det en annan teori som kan beskriva alla dessa fenomen. Det är möjligt, men än så länge är strängteorin den bästa ram vi har.”
Story av Kurt Pfitzer