Ny teori om tyngdekraften: Universet og rumtiden opstod ved selvorganisering
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Ny teori om tyngdekraften: Universet og rumtiden opstod ved selvorganisering

Hvordan opstod tid og rum? Hvordan dannede rumtiden det enorme firedimensionelle univers? Og hvordan opfører rumtiden sig på den mindst mulige skala i de små tomrum mellem elementarpartiklerne?

Den slags spørgsmål må nødvendigvis besvares for at forene fysikkens og kosmologiens to grundpiller - kvantemekanikken og relativitetsteorien - som begge er solidt underbyggede af henholdsvis eksperimenter og astronomiske observationer.

Relativitetsteorien beskriver, hvordan rumtiden i universet krummes af masser og antager utallige former, der skaber det fænomen, vi opfatter som tyngdekraften; den gensidige tiltrækning mellem makroskopiske legemer. Men relativitetsteorien bryder sammen på ekstremt små afstande. I den atomare og subatomare skala kan kvantemekanikken derimod beskrive samspillet mellem naturens mindste byggesten via kernekræfterne og den elektromagnetiske kraft. Prisen er dog, at kvantemekanikken totalt ignorerer tyngdekraften.

Når rumtidens firedimensionelle byggeklodser forsynes med en tidspil (se boksen nedenfor) kommer årsag altid før virkning – modellen er kausal. Dermed resulterer simuleringer efter denne model i en udstrakt, firedimensionel rumtid, som ligner virkelighedens univers i forbløffende grad. (Grafik: Troels Marstrand)
I kvantegravitationsteori opbygges rumtiden via vekselvirkninger mellem ekstremt små, immaterielle, firedimensionelle byggeklodser – her for nemheds skyld vist som trekanter. Der er ikke tale om fysiske enheder, men om matematiske beskrivelser af kvantiseret rumtid. Den nye teori, Kausale Dynamiske Trianguleringer, forsyner trekanterne med en tidspil, så de kun kan sættes sammen, når deres pile peger i den rigtige retning. I tidligere teorier kunne klodserne organisere sig på alle tænkelige måder.
I den klassiske kvantegravitationsteori, som ikke opererer med kausalitet og en fastlagt tidsretning, kan rumtidens byggeklodser organisere sig på alle tænkelige måder. Simuleringer resulterer dermed i en sammenkrøllet rumtid uden udstrækning. Afstanden mellem vilkårlige punkter et ganske kort, og rummet indeholder et uendeligt antal dimensioner. (Grafik: Troels Marstrand)
»Vi kan endnu ikke vide, om vores kvantiserede gravitations­teori er rigtig. Udfordringen er at bruge teorien til at komme med forudsigelser, som kan testes.«

De stærke og de svage kernekræfter, der regerer internt i atomkernerne, og den elektromagnetiske kraft, som styrer samspillet mellem atomer, er alle kvantiserede. Det vil sige, at de tre naturkræfter virker via udsendelse og modtagelse af kraftoverførende partikler. Det bedst kendte eksempel er lyskvanter - fotoner - som overfører den elektromagnetiske kraft.

Tidligere teorier løb ind i problemer

Allerede i 1970'erne forsøgte fysikerne at udvikle en samlet beskrivelse af naturkræfterne ved at kvantisere tyngdekraften, så den som de andre naturkræfter overføres via hypotetiske partikler. Men kvantegravitationsteorien løb ind i problemer.

Vanskelighederne opstod, fordi teorien i lighed med den atomare kvantemekanik tog udgangspunkt i, at partikler er punktformede. Dét skaber volapyk i beskrivelsen af tyngdekraften, når den skal fungere ved hjælp af kraftoverførende partikler. Dybest set skyldes problemet, at ligegyldigt hvor tæt man anbringer to punkter på hinanden, må der altid kunne placeres et punkt i midten. Jo kortere afstanden mellem punkterne bliver, jo tættere kommer man på afstanden nul. Derfor giver ligningerne uendelige - og dermed ubrugelige - resultater på grund af de efterhånden uendeligt små afstande.

I 1980'erne kom superstrengsteorien - også kaldet teorien om alting - tilsyneladende ind på banen som den frelsende engel. Superstrengsteorien går ud på, at alle elementarpartikler og kraftoverførende partikler dannes af små vibrerende strenge. Strengene har en udstrækning i længderetningen, hvorved man slipper for de uendeligheder, som stikker en kæp i hjulet på den forenede partikelteori.

Superstrengsteorien hænger smukt sammen matematisk. Men den har trods årtiers udforskning en alvorlig mangel. Den kan ikke forklare, hvorfor rumtiden har tre udstrakte rum­lige dimensioner og en tidsretning, som udgør den fjerde dimension.

Ny teori reproducerer firedimensional rumtid
Nu har Jan Ambjørn fra Niels Bohr Institutet sammen med Renate Loll fra universitetet i Utrecht og Jerzy Jurkiewicz fra universitetet i Krakow udviklet den første kvantegravitationsteori, som kan reproducere en firedimensionel rumtid og simulere et univers med en geometri, der svarer forbløffende godt til formen af virkelighedens univers.

Teorien, der kaldes Kausale Dynamiske Trianguleringer, gør det vel at mærke uden at løbe ind i konflikter med hverken relativitetsteorien eller kvantemekanikken og uden brug af de hypotetiske superstrenge.

»Vores teori betragter rumtiden som en immateriel substans, som består af et enormt antal ekstremt små, strukturløse byggeklodser. Når vi lader disse byggeklodser vekselvirke med hinanden efter et simpelt regelsæt, der dikteres af relativitetsteorien og kvantemekanikken, arrangerer klodserne sig i en helhed, som på mange måder ligner det observerede univers. Man kan sammenligne med, hvordan molekyler spontant organiserer sig selv i faste stoffer som for eksempel krystaller,« siger Jan Ambjørn.

Superposition og selvorganisering

Et centralt element i alle kvantiserede teorier om tyngdekraften er superposition, som kendes fra den atomare kvantemekanik; når en elektron bevæger sig fra punkt A til punkt B følger den ikke en lige linie som en billardkugle på et bord, men tager samtidig alle tænkelige ruter mellem de to punkter. I kvantegravitation beskriver superpositionen alle de mulige geometrier, som universet kan antage under sin udvikling.

I moderne kvantegravitationsteorier kvantiseres rumtiden i små immaterielle byggeklodser; en slags firedimensionelle trekanter. Ligesom almindelige trekanter kan limes sammen, så de danner en buet todimensionel overflade, så kan de firedimensionelle byggeklodser sættes sammen, så de tilsammen bygger en firedimensionel rumtid. Processen sker ved selvorganisering. Man kan sammenligne med en stæreflok, hvor hver enkelt fugl kun er i kontakt med nogle få fugle i dens nærhed, og hvor ingen leder udsteder ordrer til hele flokken. Alligevel flyver flokken som en helhed.

Med computere er det i de senere år blevet muligt at beregne, hvilken form universet vil antage, når de små enheder af kvantiseret rumtid vekselvirker på alle mulige måder gennem universets udvikling. Men resultaterne har indtil nu været nedslående. For modeluniverset har nemlig tendens til at krølle sig sammen i en lille kugle, som indeholder et uendeligt antal dimensioner. Altså et resultat, som står i skærende modstrid med det enorme, flade og firedimensionelle univers, som astronomerne observerer med deres teleskoper.

Tidsretning og kausalitet

Ambjørns, Lolls og Jurkiewiczs nyskabelse er at indføre kausalitet og en fastlagt tidsretning i kvantegravitationsteorien. I deres model udstyres hver enkelt firedimensionel byggeklods med en tidspil, som peger fra fortiden ind i fremtiden. Derpå indføres kausale regler for, hvordan klodserne kan samles. De går ud på, at to byggeklodser kun kan limes sammen, hvis deres tidspil peger i samme retning. Klodsernes samling i stadigt større komplekser kan kun ske i pilenes retning, og processen kan aldrig gå i stå eller køre baglæns.

I 2004 var de tre fysikere klar til at køre den første computersimulering af rumtidens udvikling, og til deres glæde producerede simulationen en firedimensionel rumtid og et fladt univers, der på mange måder ligner virkelighedens.

Siden har en serie af simulationer vist, at Kausale Dynamiske Trianguleringer ikke er i modstrid med relativitetsteoriens beskrivelse af rumtiden, og tilmed giver teorien kun mening, når man inkluderer en kosmologisk konstant; en frastødende kraft, som udspringer af selv det tomme rum. Det er interessant, fordi astronomiske observationer gennem de seneste ti år tyder stærkt på, at en sådan frastødende kraft - mørk energi - accelererer hastigheden af universets udvidelse.

Teorien giver også et bud på rumtidens natur på ekstremt små subatomare afstande, hvor relativitetsteorien bryder sammen. Ned til den fundamentale mindstelængde - Planck-skalaen på 10^-34 meter - kan det kvantiserede univers i al væsentlighed beskrives med relativitetsteoriens klassiske firedimensionelle geometri. På mindre skala forudsiger Kausale Dynamiske Trianguleringer, at rumtiden er fraktalt opbygget og på nogle måder mere todimensionel end firedimensionel.

Kan teorien testes?

»Selv om de hidtidige resultater er lovende, kan vi ikke vide, om teorien er rigtig. Udfordringen er nu at komme med forudsigelser, som kan testes,« siger Jan Ambjørn.

På det eksperimentelle plan er der - i lighed med situationen for superstrengsteorien - ingen muligheder for et direkte bevis, fordi studier af rumtidens natur på Planck-skalaen er uden for rækkevidde på nutidens acceleratorer, inklusive LHC på Cern.

Men måske kan fysikerne bruge den nye teori til at udforske, hvad der var årsag til universets eksponentielle udvidelse - inflationen - umiddelbart efter Big Bang. I dag opererer kosmologien med et hypotetisk inflationsfelt som drivkraften bag den ekstremt hurtige udvidelse. Inden inflationen var det nyfødte univers mindre end en subatomar partikel.

For at kunne studere inflationen arbejder fysikerne nu med at inkludere stof, i form af subatomare byggesten, i deres kvantegravitationsteori om rumtiden. Disse elementarpartikler, som blev dannet ved Big Bang, er udgangsmaterialet for den senere dannelse af stjerner og galakser i universet.

»Dette er i princippet ligetil, og vi arbejder i øjeblikket med at teste computerkoderne. Vi venter at have de første resultater i løbet af et års tid«, siger Jan Ambjørn.

Fakta: Rumtid

I Einsteins relativitetsteori er tid og det tredimensionale rum slået sammen til en enkel firedimensional rumtid. Et punkt i rumtiden bliver benævnt en hændelse. Enhver hændelse har 4 koordinater (t, x, y, z).

Kommentarer (32)

Fin artikel.

Jeg har dog en enkelt kommentar til følgende afsnit:

Vanskelighederne opstod, fordi teorien i lighed med den atomare kvantemekanik tog udgangspunkt i, at partikler er punktformede. Dét skaber volapyk i beskrivelsen af tyngdekraften, når den skal fungere ved hjælp af kraftoverførende partikler. Dybest set skyldes problemet, at ligegyldigt hvor tæt man anbringer to punkter på hinanden, må der altid kunne placeres et punkt i midten. Jo kortere afstanden mellem punkterne bliver, jo tættere kommer man på afstanden nul. Derfor giver ligningerne uendelige - og dermed ubrugelige - resultater på grund af de efterhånden uendeligt små afstande.

Hvor mærkeligt det end kan lyde, så er det fundamentale problem ikke, at der optræder uendeligheder i beregningerne, for tilsvarende uendeligheder optræder også i for eksempel QED (Quantum Electro Dynamics) - kvantefeltteorien for det elektromagnetiske felt og dets vekselvirkning med ladede partiklen.

Problemet er, at hvor for eksempel QED kan renormaliseres, så kan sædvanlige kvantiseringer af gravitation det ikke. Renormalisering er en veldefineret procedure for at eliminere uendelighederne ved i stedet for de såkaldte bare masser og ladninger at indføre de fysisk målte (ved en given energi). I QED kan alle uendeligheder fjernes ved redefinition af et endeligt antal fysiske parametre. Dette er ikke muligt i en ikke-renormaliserbar teori, hvor der ingen grænse er for antallet af forskellige uendeligheder.

Desuden en kommentar til følgende:

I 1980'erne kom superstrengsteorien - også kaldet teorien om alting - tilsyneladende ind på banen som den frelsende engel. Superstrengsteorien går ud på, at alle elementarpartikler og kraftoverførende partikler dannes af små vibrerende strenge. Strengene har en udstrækning i længderetningen, hvorved man slipper for de uendeligheder, som stikker en kæp i hjulet på den forenede partikelteori.

Jeg mener bestemt, at man endnu ikke har bevist superstrengsteoriens fuldstændige endelighed.

  • 0
  • 0

Det vil sige, at de tre naturkræfter virker via udsendelse og modtagelse af kraftoverførende partikler. Det bedst kendte eksempel er lyskvanter – fotoner – som overfører den elektromagnetiske kraft.

Jeg føler ikke at det forklarer mere med kraftoverførende partikler. Det er muligt det gør, at man kan regne mere på det, men i bund og grund må vi vel bare tage det for givet at masser har tyngdekraft og elektriske ladninger giver elektriske felter. På et eller andet tidspunkt skal vel disse partikler også forklares?

  • 0
  • 0

Siden har en serie af simulationer vist, at Kausale Dynamiske Trianguleringer ikke er i modstrid med relativitetsteoriens beskrivelse af rumtiden, og tilmed giver teorien kun mening, når man inkluderer en kosmologisk konstant; en frastødende kraft, som udspringer af selv det tomme rum. Det er interessant, fordi astronomiske observationer gennem de seneste ti år tyder stærkt på, at en sådan frastødende kraft – mørk energi – accelererer hastigheden af universets udvidelse.

Det lyder interessant. Som bekendt 'snød' Einstein da han udviklede sin relativitetsteori. Den gav nemlig enten et ekspanderende eller imploderende univers, mens astronomerne var overbevist om at vi havde et statisk univers. Derfor opfandt han en kosmologisk konstant.

I den her beskrevne hypotese, ikke teori, er der så blot en anden kosmologisk konstant, der skal 'forklare' hvorfor universet udvider sig med stigende hastighed.

  • 0
  • 0