Vässar Einsteins teorier för en bättre förståelse av universum

För mer än hundra år sedan skrev Einstein ner den allmänna relativitetsteorin. Lika gammal är kvantfysiken. Men ännu har ingen fysiker lyckats förena de båda teorierna till en kvantgravitationsteori som kan bekräftas experimentellt. Som Wallenberg Academy Fellow jobbar Henrik Johansson med att ta fram ny matematik som kan bidra till att lösa det svåra problemet och ge oss en bättre förståelse av universums grundbultar.

Henrik Johansson

Dr i partikelfysik

Wallenberg Academy Fellow 2013

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Nya matematiska beskrivningar för att förena kvantmekanik och den allmänna relativitetsteorin

Det händer att Henrik Johansson sitter ner med papper och penna och gör sina beräkningar. Mer avancerad utrustning än så krävs egentligen inte. Området han ägnar sig åt tillhör ett mycket teoretiskt hörn inom vetenskapen.

– Vi är ett par hundra personer i hela världen med just min infallsvinkel och jag känner personligen många av författarna bakom de forskningsartiklar som publiceras.

Under de senaste åren har Johansson byggt upp en stor och myllrande forskargrupp inom kvantfältteori, supergravitation och strängteori på Ångströmlaboratoriet i Uppsala. Satsningen har möjliggjorts tack vare stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Sammanlagt jobbar nu ett tiotal personer i forskningsgruppen, som utgör ungefär en fjärdedel av avdelningen för teoretisk fysik. Besökare utifrån brukar imponeras av forskningsmiljön.

– Med fler anställda får man mer gjort inom projekten, men viktigast är förstås kvaliteten på forskare och inte antalet. Vi har lyckats locka hit många skickliga personer.

Vill slå ihop oförenliga teorier

Henrik Johansson och hans kollegor ägnar sig åt ett problem som fysiker har försökt lösa i åratal: att smälta samman Einsteins allmänna relativitetsteori och kvantmekaniken. Båda teorierna behövs för att öka förståelsen av allt från den mikroskopiska beskrivningen av elementarpartiklar till universums uppkomst.

Men matematiken räcker inte till. En stötesten är att man får oändliga svar i beräkningarna när teorierna kombineras. Drömmen är att ta fram nya matematiska beskrivningar som kan ge ändliga svar och tillförlitliga resultat.

En förbättrad teoretisk förståelse blir allt viktigare i takt med stora framsteg inom den experimentella forskningen. År 2012 kom upptäckten av Higgspartikeln genom partikelacceleratorn LHC. Tre år senare kunde forskare vid observatoriet LIGO bekräfta Einsteins förutsägelser genom att detektera gravitationsvågor i form av spåren från två kolliderande svarta hål.

Fyndet öppnar ett nytt fönster mot universum, men för att kunna utnyttja potentialen krävs effektivare matematiska verktyg.

– De experimentella forskarna är beroende av mer avancerade och precisa beräkningsmetoder.

På senare år har Johansson jobbat intensivt med att utveckla nya metoder som radikalt förenklar beräkningarna. Det visar sig att samma matematiska objekt kan användas för att beskriva vitt skilda storheter: från universums minsta processer – som kollisioner mellan elementarpartiklar – till de största händelserna – som kolliderande svarta hål.

– Den underliggande matematiska beskrivningen är nästan identisk.

Omöjliga beräkningar blir möjliga

Bakgrunden är ett genombrott som Johansson gjorde med två amerikanska kollegor för mer än tio år sedan. De studerade gravitationsteorier samt gaugeteorier, som beskriver de tre övriga fundamentala krafterna i universum, och fann ett tidigare okänt samband.

Samma matematiska objekt, så kallade Feynmandiagram, kan beskriva såväl gravitoner – bärare av gravitationskraften – som gluoner – bärare av den starka kraften i partikelfysiken. Resultaten har banat väg för en ny forskningsinriktning.

– Det hjälper oss otroligt mycket att vi kan använda samma matematiska beskrivning. Fördelen är att vi kan reducera antalet beräkningsteg och därmed utföra beräkningar som tidigare har setts som omöjliga.

Efter upptäckten av gravitationsvågor behövs nya matematiska verktyg för att beskriva svarta hål med extrem precision: hur de växelverkar, närmar sig, strålar ut gravitationsvågor och så småningom kolliderar.

– Man vill kunna beskriva exakt hur frekvensen för gravitationsvågorna förändras när de svarta hålen närmar sig varandra.

Forskarna använder den så kallade störningsteorin inom kvantmekaniken. Hittills har man nått upp till andra eller tredje ordningen, men det är bara halvvägs.

– Man förväntar sig i framtiden att vi behöver komma upp till sjätte ordningen, och mycket återstår att göra teoretiskt.

”De senaste åren har vi byggt upp en stark forskargrupp med postdoktorer och doktorander av hög kvalitet. Vi har en ovanligt stor grupp i en internationell jämförelse och utan stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse hade det inte varit möjligt att skapa denna forskningsmiljö.”

Mätningar i det krökta rummet

Ett annat delprojekt handlar om att beskriva gravitationsvågor i universums barndom. Det var en tid då universum förmodligen expanderade våldsamt, enligt inflationshypotesen, och som enligt Einsteins ekvationer innebär att universum kan beskrivas av ett krökt rum, vilket kallas de Sitter-rummet.

Forskarna ska dra nytta av spridningsamplituder, som annars används för att beskriva kolliderande partiklar, för att bestämma korrelationen mellan olika punkter i det krökta rummet och beräkna fluktuationerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen.

– Vi tror att vi kan använda samma verktyg, att ta hjälp av gaugeteorier i det krökta rummet för att försöka beskriva gravitationsvågor i det tidiga universum.

Många forskare hoppas att det på sikt ska gå att ersätta Einsteins teori med ett helt nytt teoretiskt ramverk.

– Jag är inte övertygad om att det kommer att ske snart, men bara inom Einsteins teori finns många praktiska förbättringar kvar att göra och det är något som mitt forskningsområde kan bidra med, konstaterar Henrik Johansson.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Henrik Johansson, Ingrid Holm