Tyngdkraften var den första grundläggande kraft som mänskligheten kände igen, men är fortfarande den minst förstådda. Fysiker kan förutsäga gravitationens inflytande på bowlingbollar, stjärnor och planeter med utsökt noggrannhet, men ingen vet hur kraften interagerar med små partiklar, eller kvanta. Det nästan hundraåriga sökandet efter en teori om kvantgravitation – en beskrivning av hur kraften fungerar för universums minsta beståndsdelar – drivs av den enkla förväntningen att en gravitationsregelbok bör styra alla galaxer, kvarkar och allt däremellan.
”Om det inte finns någon teori , då är universum bara kaos. Det är bara slumpmässigt”, säger Netta Engelhardt, teoretisk fysiker vid Massachusetts Institute of Technology. ”Jag kan inte ens säga att det skulle vara kaotiskt eller slumpmässigt eftersom det faktiskt är legitima fysiska processer.”
Den allmänna relativitetsteorins kant
I kärnan av det svåraste problemet inom den teoretiska fysiken ligger en sammandrabbning mellan fältets två största triumfer. Albert Einsteins allmänna relativitetsteori ersatte Isaac Newtons föreställning om enkel attraktion mellan objekt med en beskrivning av materia eller energi som kröker rum och tid runt sig, och närliggande objekt som följer dessa krökta banor och agerar som om de attraherades av varandra. I Einsteins ekvationer är gravitationen själva rummets form. Hans teori behöll den traditionella beskrivningen av ett jämnt, klassiskt universum – ett universum där man alltid kan zooma in ytterligare till en mindre bit av rymden.
Den allmänna relativitetsteorin fortsätter att klara varje test som astrofysikerna ställer den inför, inklusive situationer som Einstein aldrig hade kunnat föreställa sig. Men de flesta experter förväntar sig att Einsteins teori någon gång kommer att misslyckas, eftersom universum i slutändan verkar vara ojämnt, inte slätt. Planeter och stjärnor är egentligen samlingar av atomer, som i sin tur består av elektroner och buntar av kvarkar. Dessa partiklar hänger ihop eller bryts isär genom att byta ut andra typer av partiklar, vilket ger upphov till attraktions- och repulsionskrafter.
Elektriska och magnetiska krafter kommer till exempel från objekt som utbyter partiklar som kallas virtuella fotoner. Den kraft som håller fast en magnet på kylskåpet kan till exempel beskrivas som ett jämnt, klassiskt magnetfält, men fältets fina detaljer beror på de kvantpartiklar som skapar det. Av universums fyra grundläggande krafter (gravitation, elektromagnetism samt den starka och den svaga kärnkraften) är det bara gravitationen som saknar en ”kvantbeskrivning”. Därför vet ingen med säkerhet (även om det finns många idéer) var gravitationsfält kommer ifrån eller hur enskilda partiklar agerar i dem.
Den udda kraften
Problemet är att även om gravitationen håller oss fast vid marken och i allmänhet fungerar som en kraft, tyder den allmänna relativitetsteorin på att den är något mer – själva rummets form. Andra kvantteorier behandlar rymden som en platt bakgrund för att mäta hur långt och snabbt partiklar flyger. Att ignorera rummets krökning för partiklar fungerar eftersom gravitationen är så mycket svagare än de andra krafterna att rummet ser platt ut när man zoomar in på något så litet som en elektron. Effekterna av gravitationen och rymdens krökning är relativt tydliga på mer inzoomade nivåer, som planeter och stjärnor. Men när fysiker försöker beräkna rummets krökning runt en elektron, hur liten den än må vara, blir matematiken omöjlig.
I slutet av 1940-talet utvecklade fysikerna en teknik, kallad renormalisering, för att hantera kvantmekanikens nyckfullhet, som gör att en elektron kan krydda en tråkig resa på oändligt många olika sätt. Den kan till exempel skjuta av en foton. Fotonen kan dela sig i en elektron och dess antimateriella tvilling, positronen. Dessa par kan sedan avge fler fotoner, som kan dela sig i fler tvillingar, och så vidare. Medan en perfekt beräkning skulle kräva att man räknar upp den oändliga mängden av elektroners resor, låter renormalisering fysikerna samla de oregerliga möjligheterna i några få mätbara tal, som elektronernas laddning och massa. De kunde inte förutsäga dessa värden, men de kunde koppla in resultat från experiment och använda dem för att göra andra förutsägelser, till exempel vart elektronen är på väg.
Renormalisering slutar fungera när teoretiska gravitationspartiklar, så kallade gravitoner, kommer in på scenen. Gravitoner har också sin egen energi, vilket skapar mer förvrängning av rymden och fler gravitoner, som skapar mer förvrängning och fler gravitoner och så vidare, vilket i allmänhet resulterar i en gigantisk matematisk röra. Även när fysikerna försöker stapla ihop några av oändligheterna för att kunna mäta dem experimentellt slutar det med att de drunknar i ett oändligt antal högar.
”Det innebär i praktiken att man behöver ett oändligt antal experiment för att bestämma någonting”, säger Engelhardt, ”och det är inte en realistisk teori.”
I praktiken blir detta misslyckande med att hantera krökningen kring partiklar ödesdigert i situationer där massor av massa och energi vrider rummet så hårt att till och med elektroner och deras gelikar inte kan låta bli att lägga märke till det – som i fallet med svarta hål. Men alla partiklar som befinner sig mycket nära – eller ännu värre, inne i – rymdtidens gropar känner säkert till reglerna, även om fysikerna inte gör det.
”Naturen har hittat ett sätt att få svarta hål att existera”, skrev Robbert Dijkgraaf, chef för Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, i en publikation för institutet. ”Nu är det upp till oss att ta reda på vad naturen vet och vad vi ännu inte vet.”
För att föra in gravitationen i fållan
Med hjälp av en approximation av den allmänna relativitetsteorin (Engelhardt kallade det för ett ”plåster”) har fysikerna utvecklat en föreställning om hur gravitoner skulle kunna se ut, men ingen förväntar sig att se en sådan inom en snar framtid. Enligt ett tankeexperiment skulle det krävas 100 års experiment med en partikelkolliderare som är lika tung som Jupiter för att upptäcka en sådan. Så under tiden tänker teoretiker om när det gäller universums mest grundläggande beståndsdelar.
En teori, känd som loopkvantgravitation, syftar till att lösa konflikten mellan partiklar och rumtid genom att bryta upp rum och tid i små bitar – en ultimat upplösning bortom vilken ingen zoomning kan ske.
Strängteori, ett annat populärt ramverk, tar ett annat grepp och byter ut partiklar mot fiberliknande strängar, som beter sig bättre matematiskt än sina punktliknande motsvarigheter. Denna enkla förändring har komplexa konsekvenser, men en trevlig egenskap är att gravitationen helt enkelt faller bort ur matematiken. Även om Einstein och hans samtidiga aldrig hade utvecklat den allmänna relativitetsteorin, sade Engelhardt, skulle fysikerna ha snubblat över den senare genom strängteorin. ”Jag tycker att det är ganska mirakulöst”, sade hon.
Och strängteoretiker har under de senaste årtiondena upptäckt ytterligare indikationer på att de är på ett produktivt spår, enligt Engelhardt. Enkelt uttryckt kan själva idén om rymden avleda fysikerna från en mer grundläggande struktur i universum.
Teoretiker upptäckte i slutet av 1990-talet att beskrivningar av ett enkelt, lådliknande universum inklusive gravitation var matematiskt likvärdiga med en bild av ett platt universum med endast kvantfysik (och ingen gravitation). Förmågan att hoppa fram och tillbaka mellan beskrivningarna tyder på att rymden kanske inte är en grundläggande ingrediens i kosmos utan snarare en bieffekt som uppstår vid partikelinteraktioner.
Och hur svårt det än kan vara för oss dödliga som är inbäddade i rymdens väv att föreställa oss, så kan förhållandet mellan rymd och partiklar vara något som liknar förhållandet mellan rumstemperatur och luftmolekyler. Fysikerna trodde en gång i tiden att värme var en vätska som flödade från ett varmt rum till ett kallt rum, men upptäckten av molekyler avslöjade att det som vi uppfattar som temperatur ”uppstår” ur luftmolekylernas medelhastighet. Rymden (och motsvarande gravitation) kan på samma sätt representera vår storskaliga upplevelse av något småskaligt fenomen. ”Inom strängteorin finns det för närvarande ganska goda indikationer på att rymden faktiskt är en emergent faktor”, säger Engelhardt.
Men strängteorins universum i en låda har en annan form än den vi ser (även om Engelhardt säger att denna skillnad kanske inte är så avgörande, eftersom kvantgravitationen skulle kunna fungera på samma sätt för alla möjliga former av universum). Även om lärdomarna från universumet i lådan är tillämpliga i verkligheten är den matematiska ramen fortfarande grov. Fysikerna är långt ifrån att klippa av sina teoretiska band till rymden och uppnå en korrekt beskrivning av kvantgravitationen i all dess ojämna glans.
Medans de fortsätter att reda ut de betydande matematiska krumbukterna i sina respektive teorier, hyser vissa fysiker hopp om att deras astrofysiska observationer kanske en dag kommer att knuffa dem i rätt riktning. Hittills har inget experiment avvikit från den allmänna relativitetsteorins förutsägelser, men i framtiden kan en rad olika detektorer för gravitationsvågor som är känsliga för många vågstorlekar fånga upp de subtila viskningarna av gravitoner. Engelhardt sade dock att ”min instinkt skulle vara att titta på kosmos snarare än att titta på partikelkolliderare”
.