Tyngdekraften er matematisk relateret til dynamikken i subatomære partikler

Albert Einsteins skrivebord kan stadig findes på anden sal i Princetons fysikafdeling. Placeret foran en gulv til loft tavle dækket med ligninger, skrivebordet ser ud til at legemliggøre ånden i det krusede hår, mens han spørger afdelingens nuværende beboere, "Så, har du løst det endnu? "

Einstein nåede aldrig sit mål om en samlet teori om at forklare den naturlige verden på en enkelt, sammenhængende rammer. I løbet af det sidste århundrede, forskere har sammensat forbindelser mellem tre af de fire kendte fysiske kræfter i en "standardmodel, "men den fjerde kraft, tyngdekraft, har altid stået alene.

Ikke længere. Takket være indsigter fra Princeton -fakultetsmedlemmer og andre, der har uddannet sig her, tyngdekraften bringes ind fra kulden - omend på en måde, der ikke er i nærheden af, hvordan Einstein havde forestillet sig det.

Selvom det endnu ikke er en "teori om alt, "denne ramme, lagt ned for over 20 år siden og stadig udfyldes, afslører overraskende måder, hvorpå Einsteins tyngdekraftsteori relaterer sig til andre fysikområder, give forskere nye værktøjer til at tackle undvigende spørgsmål.

Den centrale indsigt er, at tyngdekraften, den kraft, der bringer baseballs tilbage til Jorden og styrer væksten af ​​sorte huller, er matematisk relateret til de særegne krumspring i de subatomære partikler, der udgør alt omkring os.

Denne åbenbaring tillader forskere at bruge en gren af ​​fysikken til at forstå andre tilsyneladende ikke -relaterede fysikområder. Indtil nu, dette koncept er blevet anvendt på emner lige fra, hvorfor sorte huller kører en temperatur til, hvordan en sommerfugls bankende vinger kan forårsage en storm på den anden side af verden.

Denne relaterbarhed mellem tyngdekraften og subatomære partikler giver en slags Rosetta -sten til fysik. Stil et spørgsmål om tyngdekraften, og du får en forklaring i form af subatomære partikler. Og omvendt.

"Dette har vist sig at være et utroligt rigt område, " sagde Igor Klebanov, Princetons Eugene Higgins professor i fysik, der genererede nogle af de første inklings på dette område i 1990'erne. "Det ligger i skæringspunktet mellem mange fysikområder."

Fra små stykker snor

Frøene til denne korrespondance blev drysset i 1970'erne, da forskere udforskede små subatomære partikler kaldet kvarker. Disse enheder rede som russiske dukker inde i protoner, som igen optager de atomer, der udgør alt stof. På det tidspunkt, fysikere fandt det underligt, at uanset hvor hårdt du smadrer to protoner sammen, du kan ikke frigive kvarkerne – de forbliver indespærret inde i protonerne.

En person, der arbejdede med kvarkindeslutning, var Alexander Polyakov, Princetons Joseph Henry professor i fysik. Det viser sig, at kvarker "limes sammen" af andre partikler, kaldet gluoner. For en stund, forskere troede, at gluoner kunne samles til strenge, der binder kvarker til hinanden. Polyakov skimte en forbindelse mellem teorien om partikler og teorien om strenge, men arbejdet var, med Polyakovs ord, "håndbølget", og han havde ikke præcise eksempler.

I mellemtiden, tanken om, at grundlæggende partikler faktisk er bittesmå stumper af vibrerende snor, tog fart, og i midten af ​​1980'erne "strengteori" havde sat gang i fantasien hos mange førende fysikere. Ideen er enkel:ligesom en vibrerende violinstreng giver anledning til forskellige toner, hver strengs vibration forudsiger en partikels masse og adfærd. Den matematiske skønhed var uimodståelig og førte til en svulmende begejstring for strengteori som en måde at forklare ikke kun partikler, men selve universet.

En af Polyakovs kolleger var Klebanov, som i 1996 var lektor ved Princeton, efter at have opnået sin ph.d. i Princeton et årti tidligere. Det år, Klebanov, med kandidatstuderende Steven Gubser og postdoc-forsker Amanda Peet, brugt strengteori til at lave beregninger om gluoner, og sammenlignede derefter deres fund med en strengteoretisk tilgang til at forstå et sort hul. De var overraskede over at opdage, at begge tilgange gav et meget ens svar. Et år senere, Klebanov studerede absorptionshastigheder ved sorte huller og fandt ud af, at de denne gang var nøjagtig enige.

Dette arbejde var begrænset til eksemplet med gluoner og sorte huller. Det krævede et indblik af Juan Maldacena i 1997 at trække stykkerne ind i et mere generelt forhold. På det tidspunkt, Maldacena, der havde opnået sin ph.d. i Princeton et år tidligere, var adjunkt ved Harvard. Han opdagede en overensstemmelse mellem en særlig tyngdekraftsform og teorien, der beskriver partikler. Når man ser betydningen af ​​Maldacenas formodninger, et Princeton -team bestående af Gubser, Klebanov og Polyakov fulgte op med et beslægtet papir, der formulerede ideen mere præcist.

En anden fysiker, der straks blev taget med ideen, var Edward Witten fra Institute for Advanced Study (IAS), et uafhængigt forskningscenter beliggende omkring en kilometer fra universitetets campus. Han skrev et papir, der yderligere formulerede ideen, og kombinationen af ​​de tre papirer i slutningen af ​​1997 og begyndelsen af ​​1998 åbnede sluserne.

"Det var en fundamentalt ny form for forbindelse, "sagde Witten, en leder inden for strengteori, der havde opnået sin ph.d. ved Princeton i 1976 og er gæsteforelæser med rang som professor i fysik ved Princeton. "Tyve år senere, vi har ikke helt styr på det. "

To sider af samme mønt

Dette forhold betyder, at tyngdekraften og subatomære partikelinteraktioner er som to sider af den samme mønt. På den ene side er en udvidet version af tyngdekraften afledt af Einsteins teori om generel relativitetsteori fra 1915. På den anden side er teorien, der groft beskriver subatomære partiklers opførsel og deres interaktioner.

Sidstnævnte teori inkluderer kataloget over partikler og kræfter i "standardmodellen" (se sidebjælke), en ramme til at forklare stof og dets interaktioner, der har overlevet streng testning i talrige eksperimenter, herunder hos Large Hadron Collider.

I standardmodellen kvanteadfærd bages i. Vores verden, når vi kommer ned på niveauet af partikler, er en kvanteverden.

Særligt fraværende fra standardmodellen er tyngdekraften. Men kvanteadfærd er grundlaget for de tre andre kræfter, så hvorfor skulle tyngdekraften være immun?

De nye rammer bringer tyngdekraften ind i diskussionen. Det er ikke ligefrem tyngdekraften, vi kender, men en lidt skæv version, der indeholder en ekstra dimension. Det univers, vi kender, har fire dimensioner, de tre, der lokaliserer et objekt i rummet - højden, bredde og dybde på Einsteins skrivebord, for eksempel - plus den fjerde dimension af tiden. Gravitationsbeskrivelsen tilføjer en femte dimension, der får rumtiden til at kurve ind i et univers, der indeholder kopier af velkendte fire-dimensionelle flade rum, der skaleres efter, hvor de findes i den femte dimension. Dette mærkelige, buet rumtid kaldes anti-de Sitter (AdS) -rum efter Einsteins samarbejdspartner, hollandske
astronom Willem de Sitter.

Gennembruddet i slutningen af ​​1990'erne var, at matematiske beregninger af kanten, eller grænse, af dette anti-de Sitter-rum kan anvendes på problemer, der involverer kvanteadfærd for subatomære partikler beskrevet af et matematisk forhold kaldet konform feltteori (CFT). Dette forhold giver linket, som Polyakov havde skimtet tidligere, mellem teorien om partikler i fire rumtidsdimensioner og strengteori i fem dimensioner. Forholdet går nu ved flere navne, der relaterer tyngdekraften til partikler, men de fleste forskere kalder det AdS/CFT (udtalt A-D-S-C-F-T) korrespondance.

At tackle de store spørgsmål

Denne korrespondance, det viser sig, har mange praktiske anvendelser. Tag sorte huller, for eksempel. Den afdøde fysiker Stephen Hawking forskrækkede fysikmiljøet ved at opdage, at sorte huller har en temperatur, der opstår, fordi hver partikel, der falder ned i et sort hul, har en sammenfiltret partikel, der kan slippe ud som varme.

Brug af AdS/CFT, Tadashi Takayanagi og Shinsei Ryu, derefter ved University of California-Santa Barbara, opdaget en ny måde at studere på

sammenfiltring i form af geometri, udvide Hawkings indsigt på en måde, som eksperter anser for ganske bemærkelsesværdig.

I et andet eksempel, forskere bruger AdS/CFT til at fastlægge kaosteori, som siger, at en tilfældig og ubetydelig begivenhed som f.eks. flaksen med en sommerfugls vinger kan resultere i massive ændringer i et system i stor skala, såsom en fjern orkan. Det er svært at beregne kaos, men sorte huller - som er nogle af de mest kaotiske kvante systemer mulig - kunne hjælpe. Arbejde af Stephen Shenker og Douglas Stanford ved Stanford University, sammen med Maldacena, viser, hvordan gennem AdS/CFT, sorte huller kan modellere kvantekaos.

Et åbent spørgsmål, Maldacena håber, at AdS/CFT -korrespondancen vil besvare, er spørgsmålet om, hvordan det er inde i et sort hul, hvor en uendelig tæt region kaldet en singularitet ligger. Indtil nu, forholdet giver os et billede af det sorte hul set udefra, sagde Maldacena, der nu er Carl P. Feinberg -professor ved IAS.

"Vi håber at forstå singulariteten inde i det sorte hul, " sagde Maldacena. "At forstå dette ville sandsynligvis føre til interessante lektioner for Big Bang."

Forholdet mellem tyngdekraft og strenge har også kastet nyt lys over kvark indespærring, først gennem arbejde af Polyakov og Witten, og senere af Klebanov og Matt Strassler, hvem var dengang på IAS.

Det er blot nogle få eksempler på, hvordan forholdet kan bruges. "Det er en meget vellykket idé, sagde Gubser, der i dag er professor i fysik ved Princeton. "Det tvinger ens opmærksomhed. Det tover dig ind, det reb i andre felter, og det giver dig et udsigtspunkt om teoretisk fysik, der er meget overbevisende. "

Forholdet kan endda låse op for tyngdekraftens kvante natur. "Det er blandt vores bedste spor at forstå tyngdekraften fra et kvanteperspektiv, "sagde Witten." Da vi ikke ved, hvad der stadig mangler, Jeg kan ikke fortælle dig, hvor stort et stykke af billedet det i sidste ende bliver. "

Stadig, AdS/CFT-korrespondancen, mens magtfulde, bygger på en forenklet version af rumtiden, der ikke ligefrem ligner det virkelige univers. Forskere arbejder på at finde måder at gøre teorien mere bredt anvendelig på den daglige verden, herunder Gubsers forskning om modellering af kollisioner af tunge ioner, samt høj temperatur superledere.

Også på huskelisten udvikler et bevis på denne korrespondance, der trækker på underliggende fysiske principper. Det er usandsynligt, at Einstein ville være tilfreds uden bevis, sagde Herman Verlinde, Princetons klasse af 1909 professor i fysik, formanden for Institut for Fysik og en ekspert i strengteori, der deler kontorlokaler med Einsteins skrivebord.

"Nogle gange forestiller jeg mig, at han stadig sidder der, "Sagde Verlinde, "og jeg spekulerer på, hvad han ville synes om vores fremskridt."