För den som vill beskriva de allra minsta beståndsdelarna av vår värld, elementarpartiklarna, och hur de interagerar med varandra, står kvantmekaniken till tjänst. Men den som också vill inkludera gravitationens påverkan stöter snabbt på patrull. Ännu har ingen lyckats kombinera kvantmekaniken med Einsteins gravitationsteori. 

– Många hävdar att det krävs en anpassning av antingen kvantmekaniken eller gravitationsteorin för att lyckas skapa en komplett teori. Men andra, inklusive jag själv, menar att vi behöver hitta en mer generell beskrivning som inkluderar båda fälten samtidigt, säger Magdalena Zych.

Ett hinder på vägen till en komplett teori är frånvaron av experiment där resultatet kräver båda teorierna för att förklaras. Därför är första steget för Magdalena Zych att utveckla ett matematiskt ramverk som ska göra experimenten möjliga att utföra. 

För att lyckas har hon satt fokus på tiden och hur den kan beskrivas med hjälp av både kvant- och gravitationsteori.

Tiden går olika snabbt

Einsteins gravitationsteori förutsäger att tiden går långsammare nära ett stort objekt som en planet än ute i den fria rymden. Allt i enlighet med relativitetsteorins förklaring att rummet och tiden inte är separata oberoende enheter, utan intimt sammanflätade och påverkar varandra.

Ett klassiskt exempel på detta illustreras bland annat i filmen Interstellar. Där besöker ett team astronauter en exotisk planet med mycket stark gravitation. När de sedan återvänder till jorden har de åldrats långsammare än sina barn eftersom tiden gått snabbare på jorden än på planeten de har besökt.  

Fenomenet kallas tidsdilation och har även en praktisk påverkan på jorden, bland annat hos gps-satelliter vars klockor måste justeras i relation till tidens hastighet på jorden, allt på grund av den svagare gravitationen i rymden. 

Frågan som Magdalena Zych ställer sig är om tidsdilation även går att mäta i den skala som beskrivs av kvantmekaniken. Det skulle kunna bana väg för ett övergripande ramverk som inkluderar Einsteins relativitetsteori och kvantmekaniken. 

Mäta partiklar i superposition

Kvantmekaniken slår fast att alla objekt kan vara i det som kallas superposition: varje partikel kan befinna sig på två ställen, eller i två tillstånd, samtidigt. Superpositionen inkluderar alla egenskaper hos en partikel som till exempel energi, hastighet och rotation. Men frågan är om det även inkluderar tiden: om partikeln befinner sig i superposition på två planeter med olika gravitation, går tiden då olika snabbt i de två tillstånden?

Utmaningarna för att mäta detta är flera, bland annat själva skalan. Här gäller att skapa superpositioner av partiklar i labb och här har vissa framsteg redan gjorts, berättar Magdalena Zych. 

– Amerikanska forskargrupper har bland annat visat mikrometerstora superpositioner av atomer under en hel minut. Ett annat team uppnådde en superposition på nästan en halv meter men bara under någon sekund. För bara tio år sedan ansågs liknande experiment vara ren science fiction. 

Nu vill Magdalena Zych kombinera liknande resultat med de senaste årens utveckling inom kvantteknologi. Med hjälp av nya kvantsensorer kan det bli möjligt att mäta gravitationens påverkan även på mindre objekt i superposition. Men för att förstå och tolka resultaten av sådana mätningar behövs först ett matematiskt ramverk. 

– Så vårt mål är att utveckla de teoretiska verktygen som i dag saknas för att testa hur kvantmekaniken och gravitationen möts. För att kunna ge experimentalister möjligheten att följa upp med experiment som kan testa vårt ramverk, säger Magdalena Zych.

Nya generationer atomur

Ramverket är även nödvändigt för att den kvantteknologiska utvecklingen ska kunna fortsätta framåt. Nya matematiska verktyg krävs för att kunna ta hänsyn till både kvantmekaniska fenomen och gravitationen bland annat i utvecklingen av nya generationer av atomur. Magdalena Zych har redan tagit flera steg mot att utveckla delar av ramverket och anslaget som Wallenberg Academy Fellow ska nu ta henne vidare. 

Inom fysiken handlar framsteg ofta om tillfälligheter: du befinner dig på rätt plats, vid rätt tid, där du får tillgång till nyckelinformation som plötsligt ger dig knuff framåt. 

Magdalena Zych är uppvuxen i Polen och efter att ha doktorerat i Wien fick hon en tjänst som postdoktor vid University of Queensland, Australien. Det var här hon lade grunden till sin forskning. 

– Landet erbjuder mycket goda möjligheter för unga forskare att utvecklas inom sitt fält. Egentligen planerade jag att stanna bara ett år men det slutade med att jag blev kvar i hela sju år. Den tiden har varit helt avgörande för min forskning.

Redan i tonåren drömde Magdalena Zych om en karriär inom fysik men med den ovanliga kombinationen konstvetenskap. 

– Tanken var att använda den moderna fysikens metoder för att kunna avslöja konsthistoriens stora mysterier. Problemlösning har alltid lockat mig. När jag sedan läste teoretisk fysik blev jag så inspirerad att jag valde att skjuta på de konsthistoriska studierna till pensionen, säger Magdalena Zych. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström