På jakt efter symmetrier som beskriver verkligheten

Fysikerna har länge strävat efter att finna en allomfattande teori som kan måla upp hela bilden av naturen, helst symmetriskt och välordnat. Som Wallenberg Academy Fellow söker Agnese Bissi med hjälp av strängteorin efter bitar som kan bidra till att lägga det stora pusslet.

Agnese Bissi

Fil. dr i teoretisk fysik

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Studera kvantfältteorier och klassificera dem baserat på deras symmetriegenskaper

Redan i tonåren blev Agnese Bissi fascinerad av Stephen Hawkings böcker om tid och universum. Hennes passion för den grundläggande fysiken har därefter fört henne från hemlandet Italien till livet som doktorand i Köpenhamn, postdoktor i Oxford följt av Harvard och nu till Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet där hon som Wallenberg Academy Fellow leder en forskargrupp inom teoretisk fysik.

– Sverige är ett fantastiskt land att utvecklas i som forskare. Här finns en bra miljö med närheten till forskningsinstitutet Nordita i Stockholm och hit kommer många besökare och gästföreläsare från hela världen.

Rent principiellt skulle Agnese Bissi kunna sitta var som helst och arbeta med sin dator, men i praktiken vore det dödsdömt, menar hon.

– Vi är alla människor och lever i gemenskap i ett samhälle. Det räcker inte med teknik och datorer, utan vi utbyter idéer genom samtal och möten. En del av idéerna kommer faktiskt när du står i fikarummet och dricker kaffe med kollegorna. Arbetsmiljön är oerhört viktig – om man trivs och är lycklig så påverkas forskningen positivt.

”I livet som teoretisk fysiker är det väldigt svårt att få feedback. Utnämningen till Wallenberg Academy Fellow är därför ett stort erkännande. Det ger mig också chansen att bygga upp en egen forskargrupp och börja arbeta mer självständigt som forskare.”

Olika teorier beskriver verkligheten

Verkligheten som vi känner den beskrivs av en teori som ofta går under namnet standardmodellen. När Higgspartikeln fångades upp vid partikelfysiklaboratoriet CERN år 2012 var det en viktig experimentell bekräftelse på standardmodellen. Den innefattar alla krafter som existerar i naturen, utom en: gravitationen, som istället beskrivs av Einsteins relativitetsteori.

I flera decennier har fysikerna strävat efter att försöka förena de olika krafterna till en allomfattande teori.

– Redan som doktorand tänkte jag att det måste vara det stora målet, att skapa en förståelse för hela naturen, inklusive gravitationen. Det låter ambitiöst och det krävs förstås att man går stegvis fram, säger Agnese Bissi och skrattar.

För att komma närmare gåtans lösning tar forskarna hjälp av olika teorier, bland annat strängteorin. Det ger ett ramverk inom vilket man kan studera en uppsjö av olika modeller och analysera delproblem för att på sikt kunna skapa en djupare förståelse.

Fokus på teorier med symmetriegenskaper

Just nu fokuserar Agnese Bissi på ett område nära besläktat med strängteorin: konforma fältteorier. Konform kommer från latinet och betyder ”med samma form” – i det här fallet att vinklarna bevaras. Om man till exempel har två korsande linjer så medför det att vinklarna förblir desamma även om linjerna töjs ut. Ett vardagligt exempel är de kartor som oftast används för navigering, till exempel när man är ute och kör bil.

Men konforma fältteorier används också för att beskriva fasövergångar i material, till exempel den process som uppstår när vatten kokar och bildar ånga eller när supraledare vid en viss temperatur leder elektroner utan motstånd.

– Ett annat exempel är om du tar en järnklump och magnetiserar den så uppstår också en fasövergång som kan beskrivas av konforma fältteorier. Att detta fenomen förekommer överallt brukar kallas universalitet, det vill säga att flera system beter sig på samma vis.

De konforma fältteorierna har mycket speciella symmetriegenskaper. Tanken är att studera en bred uppsättning av teorier som har specifika symmetrier och klassificera dem, berättar Agnese Bissi.

– Ju mer av symmetri som finns, desto mer förutsägbarhet finns det i modellerna. Det betyder att man kan nå långt och få fruktbara resultat även med hjälp av en knapp mängd information. Metoden brukar kallas bootstrap, vilket anspelar på att det räcker med en liten ansträngning för att orka dra på sig stövlarna.

Strängteorin ger en grund för framtiden

De flesta fysiker tycks överens om att strängteorin är rätt väg att gå för att beskriva materiens allra minsta byggstenar och i framtiden kunna lösa problemet att förena alla grundläggande krafter i en enda modell. Strängteorin är en teoretiskt korrekt och matematiskt solid teori, säger Agnese Bissi.

– Strängteorin är en motsägelsefri och konsekvent teori – och det kan man inte säga om alla teorier – men vi behöver också experiment för att kunna övertyga både oss själva som forskare och allmänheten om att den beskriver hela naturen.

Idag saknas den avancerade teknik som skulle krävas för att utföra alla nödvändiga experiment, och ingen vet om den blir tillgänglig i framtiden. Men teoretisk fysik är trots det ett hett område och det kommer spännande nyheter dagligen, menar Agnese Bissi. Som rutin går hon varje morgon in på webbplatsen arXiv.org och skummar igenom en mängd nya forskningsartiklar medan hon dricker sitt kaffe.

– Alla kloka idéer och tankar behövs, även om jag tror att naturen redan har bestämt sig för länge sedan och faktiskt använder sig av de teorier som jag utforskar.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström