How can Einsteins theory of gravity be unified with quantum mechanics It cant Einstein himself thought But this is a challenge that could give us deep insights into phenomena such as black holes and the birth of the universe Now a new article in Nature Communications written by researchers from Chalmers University of Technology Sweden and MIT USA presents results that cast new light on important challenges in understanding quantum gravity

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

 

 

Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, conducts research and education in technology and natural sciences at a high international level. The university has 3100 employees and 10,000 students, and offers education in engineering, science, shipping and architecture.

With scientific excellence as a basis, Chalmers promotes knowledge and technical solutions for a sustainable world. Through global commitment and entrepreneurship, we foster an innovative spirit, in close collaboration with wider society.The EU’s biggest research initiative – the Graphene Flagship – is coordinated by Chalmers. We are also leading the development of a Swedish quantum computer.

Chalmers was founded in 1829 and has the same motto today as it did then: Avancez – forward.

Images provided in Chalmers University of Technology press releases are, unless specified otherwise, free for download and publication as long as credit is given to the University and the individual creator. Cropping and rescaling of the images is permitted when required for adaptation to the publication’s format, but modifications that would influence the message and content of the original are not. The material is primarily intended for journalistic and informative use, to assist in communication and coverage of Chalmers’ research and education. Commercial usage, for example the marketing of goods and services, is not permitted.

We kindly request credit to be given in the following format where possible:

Image/Graphic/Illustration: Chalmers University of Technology | Name Surname

Joshua Worth
Press officer
+46-31-772 6379
joshua.worth@chalmers.se