Framsteg i matematik kan ge ny kunskap om universums gåtor
Hur går Einsteins teorier ihop med kvantmekanikens lagar? I många decennier har forskare försökt att förena Einsteins teori för gravitation med kvantmekanik, vilket skulle kunna ge oss ingående kunskap om till exempel svarta hål och universums födelse. Nu presenterar forskare på Chalmers resultat som visar hur gravitation framträder ur ett speciellt kvantmekaniskt system.
Modern teoretisk fysik strävar efter att hitta en "förenad teori" som kan beskriva alla naturens lagar inom ett enda ramverk. En förening mellan Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver universum på stora skalor, och kvantmekaniken, som beskriver vår värld på atomnivå. En sådan teori för kvantgravitation innefattar både den makroskopiska och den mikroskopiska beskrivningen av naturen.
– Vi strävar efter att förstå naturens lagar och dessa är skrivna på matematikens språk. När vi söker svar på frågor inom fysik så leds vi ofta till nya upptäckter även i matematik. Denna korsbefruktning är särskilt framträdande i sökandet efter kvantgravitation – där det är extremt svårt att göra experiment, säger Daniel Persson, biträdande professor vid institutionen för matematiska vetenskaper på Chalmers, och tidigare verksam vid institutionen för fysik.
Ett exempel på ett fenomen som kräver denna typ av samlad beskrivning är svarta hål. Ett svart hål kan bildas när en tillräckligt tung stjärna slocknar och kollapsar under sin egen gravitationskraft, så att all dess massa koncentreras i en ytterst liten volym. Den kvantmekaniska beskrivningen av svarta hål är ännu i sin linda och involverar avancerad matematik.
En förenklad modell för kvantgravitation
– Utmaningen är att beskriva hur gravitationen uppkommer som ett "emergent", eller framträdande, fenomen. Liksom vardagliga fenomen – såsom en vätskas flöde – framträder ur atomers kaotiska rörelser, vill vi beskriva hur tyngdkraft framträder ur ett mikroskopiskt kvantmekaniskt system, säger Robert Berman, professor vid institutionen för matematiska vetenskaper på Chalmers.
I en artikel som nyligen publicerades i tidskriften Nature Communications har Daniel Persson och Robert Berman, tillsammans med Tristan Collins vid MIT i USA, visat hur gravitation framträder ur ett speciellt kvantmekaniskt system, i en förenklad modell för kvantgravitation som kallas den "holografiska principen".
– Genom att använda tekniker från den matematik som jag har forskat på tidigare har vi lyckats formulera hur gravitation framträder genom den holografiska principen, på ett mer precist sätt än vad som har gjorts tidigare, säger Robert Berman.
Bubblor av mörk energi
I Einsteins teori beskrivs gravitationen som ett geometriskt fenomen. Liksom en nybäddad säng sjunker ner av en människas tyngd så kan tunga objekt kröka universums geometriska form. Men i Einsteins teori har till och med den tomma rymden – universums "vakuumtillstånd” – en rik geometrisk struktur. Om man hade möjlighet att zooma in och betrakta detta vakuum på mikroskopisk nivå så skulle man se många kvantmekaniska fluktuationer, eller ”bubblor”, som kallas mörk energi. Det är denna mystiska energiform som – ur ett storskaligt perspektiv – orsakar universums accelererade expansion.
I artikeln ger forskarna en ny beskrivning av hur dessa mikroskopiska kvantmekaniska bubblor uppkommer. Detta är ett framsteg som ger nya pusselbitar i vår förståelse kring relationen mellan Einsteins gravitationsteori och kvantmekaniken, något som gäckat forskarna i decennier.
– Dessa resultat öppnar möjligheterför att kunna testa andra aspekter av den holografiska principen såsom den mikroskopiska beskrivningen av svarta hål. Omvänt, så hoppas vi även att i framtiden kunna utnyttja dessa nya samband till att bryta ny mark i matematik, säger Daniel Persson.
Artikeln Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT har publicerats i Nature Communications och bakom de nya resultaten står Robert Berman, Tristan Collins och Daniel Persson vid Chalmers tekniska högskola och Massachusetts Institute of Technology i USA.
För mer information, kontakta:
Daniel Persson
Biträdande professor, institutionen för matematiska vetenskaper, Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet
daniel.persson@chalmers.se
031 772 3174
Robert Berman
Professor, institutionen för matematiska vetenskaper, Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet
robertb@chalmers.se
031 772 3553
Joshua Worth
Kommunikatör
031 772 63 79
joshua.worth@chalmers.se
________________
Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.
Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. EU:s största forskningsinitiativ – Graphene Flagship – leds av Chalmers, liksom bygget av en svensk kvantdator.
Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.
---
Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.
Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:
- Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
- Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
