Tyngdekraften var den første fundamentale kraft, som menneskeheden anerkendte, men den er stadig den mindst forståede. Fysikere kan forudsige tyngdekraftens indflydelse på bowlingkugler, stjerner og planeter med udsøgt nøjagtighed, men ingen ved, hvordan kraften interagerer med bittesmå partikler, eller kvanta, men ingen ved, hvordan kraften interagerer med bittesmå partikler eller kvanta. Den næsten hundrede år lange søgen efter en teori om kvantetyngdekraften – en beskrivelse af, hvordan kraften virker for universets mindste dele – er drevet af den simple forventning, at der er én gravitationsregelbog, der skal gælde for alle galakser, kvarker og alt derimellem.
“Hvis der ikke findes nogen teori , så er universet bare kaos. Det er bare tilfældigt,” sagde Netta Engelhardt, der er teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. “Jeg kan ikke engang sige, at det ville være kaotisk eller tilfældigt, for det er faktisk legitime fysiske processer.”
Kanten af den generelle relativitetsteori
I kernen af det mest grumme problem i den teoretiske fysik ligger et sammenstød mellem feltets to største triumfer. Albert Einsteins generelle relativitetsteori erstattede Isaac Newtons begreb om simpel tiltrækning mellem objekter med en beskrivelse af stof eller energi, der bøjer rum og tid omkring sig, og nærliggende objekter følger disse bøjede baner og opfører sig, som om de var tiltrukket af hinanden. I Einsteins ligninger er tyngdekraften selve rummets form. Hans teori beholdt den traditionelle beskrivelse af et glat, klassisk univers – et univers, hvor man altid kan zoome yderligere ind på en mindre plet af rummet.
Den generelle relativitetsteori klarer sig fortsat godt i enhver test, som astrofysikere stiller den, herunder i situationer, som Einstein aldrig kunne have forestillet sig. Men de fleste eksperter forventer, at Einsteins teori en dag vil falde til jorden en dag, fordi universet i sidste ende forekommer ujævnt og ikke glat. Planeter og stjerner er i virkeligheden samlinger af atomer, som igen består af elektroner og bundter af kvarker. Disse partikler hænger sammen eller går fra hinanden ved at bytte andre typer partikler, hvilket giver anledning til tiltræknings- og frastødningskræfter.
Elektriske og magnetiske kræfter stammer f.eks. fra objekter, der udveksler partikler, der er kendt som virtuelle fotoner. Den kraft, der f.eks. holder en magnet fast til køleskabet, kan beskrives som et jævnt, klassisk magnetfelt, men feltets fine detaljer afhænger af de kvantepartikler, der skaber det. Af universets fire grundlæggende kræfter (tyngdekraften, elektromagnetismen og den stærke og svage kernekraft) er det kun tyngdekraften, der mangler en “kvante”-beskrivelse. Derfor ved ingen med sikkerhed (selv om der er masser af idéer), hvor gravitationsfelter kommer fra, eller hvordan de enkelte partikler opfører sig i dem.
Den mærkelige kraft
Problemet er, at selv om tyngdekraften holder os fast til jorden og generelt virker som en kraft, antyder den generelle relativitetsteori, at den er noget mere – nemlig selve rummets form. Andre kvanteteorier behandler rummet som et fladt bagtæppe til måling af, hvor langt og hurtigt partikler flyver. At ignorere rummets krumning for partikler fungerer, fordi tyngdekraften er så meget svagere end de andre kræfter, at rummet ser fladt ud, når der zoomes ind på noget så lille som en elektron. Virkningerne af tyngdekraften og rummets krumning er relativt tydelige på mere udzoomede niveauer, f.eks. på planeter og stjerner. Men når fysikere forsøger at beregne rummets krumning omkring en elektron, hvor lille den end måtte være, bliver det umuligt at regne.
I slutningen af 1940’erne udviklede fysikere en teknik, kaldet renormalisering, til at håndtere kvantemekanikkens luner, som gør det muligt for en elektron at krydre en kedelig tur på uendeligt mange forskellige måder. Den kan f.eks. skyde en foton afsted. Denne foton kan dele sig i en elektron og dens antimaterielle tvilling, positronen. Disse par kan så affyre flere fotoner, som igen kan dele sig i flere tvillinger og så videre. Mens en perfekt beregning ville kræve, at man skulle tælle de uendeligt mange forskellige elektroners køreture op, lod renormalisering fysikerne samle de ustyrlige muligheder i nogle få målbare tal, som elektronens ladning og masse. De kunne ikke forudsige disse værdier, men de kunne indsætte resultater fra eksperimenter og bruge dem til at lave andre forudsigelser, f.eks. hvor elektronen skal hen.
Renormalisering holder op med at fungere, når teoretiske gravitationspartikler, kaldet gravitoner, kommer ind på scenen. Gravitoner har også deres egen energi, hvilket skaber mere forvrængning af rummet og flere gravitoner, som skaber mere forvrængning og flere gravitoner og så videre, hvilket generelt resulterer i et gigantisk matematisk rod. Selv når fysikerne forsøger at stable nogle af uendelighederne sammen for at kunne måle dem eksperimentelt, ender de med at drukne i et uendeligt antal bunker.
“Det betyder effektivt, at man har brug for et uendeligt antal eksperimenter for at bestemme noget som helst,” sagde Engelhardt, “og det er ikke en realistisk teori.”
I praksis bliver denne manglende evne til at håndtere krumning omkring partikler fatal i situationer, hvor masser af masse og energi vrider rummet så stramt, at selv elektroner og deres slægtninge ikke kan undgå at lægge mærke til det – som det er tilfældet med sorte huller. Men alle partikler, der befinder sig meget tæt på – eller endnu værre, inde i – rumtidens huller, kender helt sikkert reglerne, selv om fysikerne ikke gør det.
“Naturen har fundet en måde at få sorte huller til at eksistere”, skrev Robbert Dijkgraaf, direktør for Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, i en publikation for instituttet. “Nu er det op til os at finde ud af, hvad naturen ved, og hvad vi ikke ved endnu.”
Forsøgning af tyngdekraften i folden
Med en tilnærmelse af den generelle relativitetsteori (Engelhardt kaldte det et “plaster”) har fysikere udviklet en idé om, hvordan gravitoner kan se ud, men ingen forventer at se en sådan inden for den nærmeste fremtid. Et tankeeksperiment antyder, at det vil kræve 100 års eksperimentering med en partikelkollideringsmaskine, der er lige så tung som Jupiter, for at opdage en sådan. Så i mellemtiden er teoretikerne i gang med at gentænke naturen af universets mest fundamentale elementer.
En teori, kendt som loopkvantetyngdekraften, sigter mod at løse konflikten mellem partikler og rumtid ved at bryde rum og tid op i små bidder – en ultimativ opløsning, ud over hvilken ingen zoomning kan finde sted.
Strengteori, en anden populær ramme, tager en anden tilgang og bytter partikler ud med fiberlignende strenge, som opfører sig bedre matematisk end deres punktlignende modstykker. Denne simple ændring har komplekse konsekvenser, men en god egenskab er, at tyngdekraften bare falder ud af matematikken. Selv hvis Einstein og hans samtidige aldrig havde udviklet den generelle relativitetsteori, sagde Engelhardt, ville fysikerne senere være stødt på den gennem strengteorien. “Jeg finder det ret mirakuløst,” sagde hun.
Og strengteoretikere har ifølge Engelhardt i de seneste årtier afdækket yderligere tegn på, at de er på et produktivt spor. Kort sagt kan selve ideen om rummet måske distrahere fysikerne fra en mere grundlæggende struktur i universet.
Theoretikere opdagede i slutningen af 1990’erne, at beskrivelser af et simpelt, kasseagtigt univers inklusive tyngdekraften matematisk set svarede til et billede af et fladt univers med kun kvantefysik (og ingen tyngdekraften). Evnen til at hoppe frem og tilbage mellem beskrivelserne tyder på, at rummet måske ikke er en grundlæggende ingrediens i kosmos, men snarere en sideeffekt, der opstår ved partikelinteraktioner.
Så svært som det kan være for os dødelige, der er indlejret i rummets stof, at forestille os, kan forholdet mellem rum og partikler måske være noget i stil med forholdet mellem rumtemperatur og luftmolekyler. Fysikere tænkte engang på varme som en væske, der strømmede fra et varmt rum til et køligt rum, men opdagelsen af molekyler afslørede, at det, vi fornemmer som temperatur, “opstår” af luftmolekylernes gennemsnitshastighed. Rummet (og tilsvarende tyngdekraften) kan på samme måde repræsentere vores oplevelse i stor skala af et eller andet fænomen i lille skala. “Inden for strengteorien er der på nuværende tidspunkt ret gode indikationer på, at rummet faktisk er emergent,” sagde Engelhardt.
Men strengteoriens univers i en kasse har en anden form end den, vi ser (selv om Engelhardt sagde, at denne forskel måske ikke er en afgørende faktor, da kvantetyngdekraften kan virke på samme måde for alle mulige universformer). Selv hvis læren fra universet i en kasse kan anvendes i virkeligheden, er den matematiske ramme stadig grov. Fysikerne er langt fra at kappe deres teoretiske bånd til rummet og opnå en præcis beskrivelse af kvantetyngdekraften i al dens ujævne pragt.
Mens de fortsat arbejder på at finde ud af de væsentlige matematiske knuder i deres respektive teorier, nærer nogle fysikere håb om, at deres astrofysiske observationer måske en dag vil skubbe dem i den rigtige retning. Intet eksperiment til dato har afveget fra den generelle relativitetsteoris forudsigelser, men i fremtiden vil en bred vifte af gravitationsbølgedetektorer, der er følsomme over for mange bølgestørrelser, kunne fange gravitonernes subtile hvisken. Engelhardt sagde dog, at “mit instinkt ville være at kigge på kosmos snarere end at kigge på partikelkollisionsmaskiner.”