Bortom rum och tid

Forskningsprojekt, 2016 – 2019

Gravitation beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori. Gravitationsfältet, det kraftfält som gör att kroppar dras till varandra, utgörs av rum-tidens egen geometri. Detta särskiljer gravitationen från de övriga krafterna i naturen (den elektromagnetiska kraften och kärnkrafterna). Dessa har också sina kraftfält, men de har inte med rum-tidens geometri att göra. Man kan likna dessa fält vid skådespelare (kraftfält) på en scen (rum-tiden). När gravitation är med i bilden blir själva scenen också en skådespelare, som inte längre håller sig still. Einsteins gravitationteori har gjort det möjligt att förstå många aspekter av universum, såsom dess expansion från Big bang. Den ger också upphov till så egensinniga lösningar som svarta hål, kollapsade stjärnor med så kraftiga gravitationsfält att inget, inte ens ljuset, kan undfly dem.

Så långt är allt väl, men när gravitationen konfronteras med den andra av de stora grundläggande upptäckterna under det tidiga 1900-talet, kvantmekaniken, blir sakernas tillstånd åtskilligt mer oklart. Kvantmekanik kan (litet slarvigt) sägas innebära att tillstånd beskrivs av sannolikheter snarare än bestämda egenskaper. Så beskrivs en elektrons färd runt en atomkärna i en atom inte av en bestämd bana, utan av ett suddigt sannolikhetsmoln, en vågfunktion. Tänk på liknelsen med scenen ovan. Om gravitationen också skall bete sig på ett sådant suddigt sätt, kan man inte veta bestämt hur scenen ser ut. Den är i ett tillstånd där den samtidigt har olika geometrier, t.ex. både platt och bucklig. Ensemblen får det besvärligt. Det visar sig tyvärr också att gravitationen, till skillnad från de andra krafterna inte trivs bra tillsammans med kvantmekanikens principer. Alla försök att direkt tillämpa dem på gravitation leder till nonsens.

Vad är då kvantgravitation? För den mesta “vardagliga” fysiken spelar det ingen roll, eftersom gravitation är en så svag kraft (eller, rättare sagt, elementarpartiklarnas massor är såpass små att deras ömsesidiga gravitationskrafter kan försummas jämfört med de andra krafterna). Först vid mycket höga höga energier (långt utom räckhåll även för dagens partikelacceleratorer) och små skalor (långt mindre än atomkärnor och deras beståndsdelar, protoner och neutroner) blir kvantgravitation relevant. Men frågan är teoretiskt viktig för en mer grundläggande förståelse av universum. Just i sådana situationer som nämndes ovan, universums “födelse” i Big bang, och i det inre av svarta hål, råder så extrema situationer att vi med säkerhet vet att vi passerar gränserna för giltigheten hos Einsteins klassiska gravitationsteori.

Det var en stor teoretisk framgång när man förstod att strängteori, som ursprungligen började utforskas i syfte att beskriva stark växelverkan, innehåller gravitation som en av sina beståndsdelar. Strängteori är en teoretisk konstruktion, där de minsta beståndsdelarna har en utsträckning, är små strängar snarare än partiklar. Vi vet alltså inte huruvida strängteori (eller M-teori, som dess större, ännu inte väldefinierade, ramverk kallas) är något som finns i vårt universum, eller om det “bara” är vacker matematik. Idag vet vi dock att närvaro av kvantgravitation i vissa typer av rum-tider faktiskt kräver strängteori.

Strängteori är ett mycket brett område, både vad det gäller de fysikaliska och de matematiska aspekterna. Viss forskning strävar efter att koppla samman strängteori med den faktiskt observerade fysiken inom kosmologi och partikelfysik. Detta forskningsprojekt rör sig i den motsatta änden av skalan, och syftar till en bättre förståelse av teorins grunder. Inom strängteori/M-teori finns många andra fält än gravitationen (geometrin). Det har visat sig att genom att behandla gravitationen och vissa av dessa andra fält tillsammans, kan man påvisa mycket större symmetrier än de har var för sig. Dessa symmetrier verkar kunna ge ledtrådar till en matematisk beskrivning av rum-tidens ursprung. Ett forskningsfält som kallas “generaliserad geometri” har öppnats upp, där “geometrin” är inte av vanligt slag, utan alla grundläggande geometriska begrepp, såsom avstånd och krökning, måste revideras. Forskningsprojektet syftar till en matematisk undersökning, utveckling och utvidgning av dessa begrepp, liksom en kombination med andra symmetrier, och en tillämpning av dem på fysikaliska problem inom strängteori och kvantgravitation. På så sätt hoppas vi, med teoretiska medel, få en nyckel till rum-tidens grundläggande struktur.