Einstein skal kaste lys over sorte huller
Danske forskere vil parre Einsteins relativitetsteori med kvantemekanikken for at løse gåden om, hvordan universet blev skabt og kaste lys over dets sorte huller. Deres værktøj er matematiske modeller.

For at forstå skabelsen af universet skal Einsteins almene relativitetsteori og kvantemekanikken forenes. En forskergruppe fra Niels Bohr Institutet har et bud på hvordan. (Foto: Colourbox)

 

Hvert eneste atom – inde i din krop – er i sin tid skabt i en supernova ved en eksplosion (Bortset fra brintatomer, som formentlig er skabt umiddelbart efter Big Bang).

Det er i hvert fald fysikernes bedste bud indtil videre. Præcis hvordan universet er skabt, og hvordan det har udviklet sig i de første milliardtedele af et sekund, er dog stadig en nød, som det endnu ikke er lykkedes forskerne at knække.

For at forstå skabelsen af universet kræves det, at Einsteins almene relativitetsteori og kvantemekanikken kan forenes. Noget som fysikerne har prøvet uden succes de seneste 40 år. Nu har en forskergruppe på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet et bud på, hvordan det kan gøres.

Med støtte fra Det Frie Forskningsråd tester de netop nu matematiske modeller, der kan smelte teorierne sammen til én – og dermed bidrage til forståelsen af Big Bang og sorte huller.

Modsætningen mellem gravitationsteori og kvantemekanik

Fakta

Planck-massen anses af fysikere for at angive den omtrentlige energiskala for kvantegravitation. Den er bestemt ved dimensionsanalyse og er en kombination af de fundamentale naturkonstanter for tyngdekraften, relativitetsteorien og kvantemekanikken. Planck-massen svarer til ca. 1/5000 af en loppes vægt. Planck-længden kan ligeledes konstrues. Med 10-35 er den omkring 1.020 gange mindre end størrelsen af en proton. Kilde: Kvant og Den Store Danske

Relativitetsteorien fastslår, at tyngdekraft (gravitation) er grundlaget for universets sammenhængskraft. Den forklarer, hvordan rum og tid fungerer i universet. Det er makroskopisk klassisk fysik, hvor man kan måle sig frem til hastighed, retning og position.

Samme relativitetsteori er utilstrækkelig, når der er tale om små afstande på atomart niveau. Her styrer kvantemekanikken vores mikroverden. I kvantemekanikken sker ændringer oftest i spring, og de kan derfor ikke måles som i den klassiske fysik.

I den almindelige dagligdag betyder det i praksis ikke så meget, at man ikke kan måle ting præcist ned på såkaldt Planck-længde (10-35 meter), en måleenhed etableret af den tyske fysiker Max Planck.

Men hvis vi til fulde skal begribe astronomiske fænomener som Big Bang og sorte huller – hvor der er meget høj energi og derfor så små distancer involveret, at kvantemekanikken bliver vigtig – er det nødvendigt at udvide relativitetsteorien. At finde en såkaldt kvantegravitationsteori.

Professor Jan Ambjørn var i 1988 med til at formulere en teori om kvantegravitation, som resulterer i universer, der minder om det univers, vi kan observere. (Foto: Københavns Universitet)

»Vi mangler at finde ud af, præcis hvad der skete, da vores univers opstod. Måske er det kun ét ud af flere universer. Der er mange teorier, som er blevet fremsat gennem tiden, men det har aldrig været muligt at teste dem,« forklarer professor Jan Ambjørn fra Niels Bohr Instituttet.

 

Computersimuleringer bekræftede ny teori

For et par år siden formulerede Jan Ambjørn sammen med kollegaerne Jerzy Jurkiewicz fra det polske Jagiellonian University og Renate Loll fra Utrecht University i Holland en teori, der kunne forene begge aspekter.

I modsætning til hidtidige teorier på området viste det sig muligt at lave konkrete computersimuleringer af ganske små ’kvante-universer’. Noget som hidtil fremsatte teorier havde fejlet med.

I computersimuleringerne bruger man små, firedimensionelle byggeklodser, som man ’limer’ sammen til et rumtidsunivers. Det er fire dimensioner, fordi man udover de tre rumlige dimensioner, vi kender, tilføjer en tidsdimension.

Fakta

I Danmark er det professor og gruppeleder Niels Obers og professor Jan Ambjørn ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet, der viderefører arbejdet med at teste matematiske modeller. Det Frie Forskningsråd har ydet økonomisk støtte til deres arbejde med at forstå, hvordan universet blev skabt.

Dette har været forsøgt før, men resulterede i, at computeruniverset enten krøllede sig sammen og dannede små kugler eller straktes ud til at danne en tynd todimensionel flade. Ingen af de to muligheder ligner det fysiske verdensrum.

 

Rumtid skal have tidsstruktur

Det fandt Jan Ambjørn og hans kollegaer en simpel løsning på:

»Vi fik den idé, at det, der manglede for at forstå universet, er kausalitet. Den tomme rumtid skal have en tidsstruktur.«

Ved at udstyre de småbitte geometriske byggesten med en tidspil, der peger fra fortiden til fremtiden, og indføre en regel om, at byggestene skal sættes sammen, så pilene peger i samme retning, fik forskerne nogle helt andre resultater.

Professor i teoretisk partikelfysik Niels Obers er udnævnt til viceinstitutleder for forskning på Niels Bohr Institutet, hvor han de seneste fem år har været gruppeleder for Teoretisk Partikelfysik og Kosmologi. (Foto: Københavns Universitet)

»Resultaterne bekræftede nogle af de ting, vi håbede kunne være rigtige. Byggestenene arrangerer sig på en måde, så det ligner det univers, vi kan observere,« fortæller Jan Ambjørn.

 

Sorte huller er fortsat et mysterium

Selvom de første resultater var lovende, er der fortsat problemer, der skal løses. Endnu har forskerne ikke forstået, hvordan man inkluderer sorte huller i teorien.

Arbejdet fortsætter derfor på Niels Bohr Instituttet under ledelse af de to professorer i højenergifysik Jan Ambjørn og Niels Obers.

»Sorte huller er tilsyneladende meget vigtige for vores univers. Formodentlig meget vigtigere end man oprindelig har troet. Vi opdager efterhånden sorte huller alle steder. I hver eneste galakse er der – mener man – et supermassivt sort hul i centrum af galaksen. Måske er det ligefrem sådan, at galaksen slet ikke kunne formes, hvis ikke de her sorte huller var der i forvejen,« forklarer Niels Obers.

Fakta

Bag Planck-skalaen står Max Planck, der var samtidig med Niels Bohr og en af datidens førende forskere inden for teoretisk fysik. Max Planck var ophavsmand til kvanteteorien og den første af de kendte fysikere, der fuldt ud accepterede Einsteins relativitetsteori fra 1905.

»Når vi har forstået, hvordan vi kan inkludere sorte huller i computersimuleringerne, er vejen åbnet til at forstå deres rolle i vores univers og forstå mange af de forbløffende kvantefænomener, der knytter sig til sorte huller og det tidlige univers,« supplerer Jan Ambjørn.

 

Formulerer love for vores univers

Det har ikke skortet på fantasifulde gæt på oprindelsen af universet og dets kvantemekaniske natur. Men det har i stor udstrækning netop kun været gæt. Med en teori, der tillader at lave konkrete beregninger, kan forskerne forhåbentlig luge lidt ud i de mange forslag, der har været fremsat om skabelsen af vort univers.

»Vi er interesserede i, om vores teori kan forudsige den måde, vores univers ser ud på i dag. Hvis det er muligt, hvor typisk er det så, at et univers arrangerer sig, som vi ser det? Skal nogle helt bestemte omstændigheder være til stede, eller sker dannelsen af et univers som vores næsten automatisk?« spørger Jan Ambjørn og tilføjer, at det faktisk er en luksus, at forskere overhovedet diskuterer disse ting.

»Hidtil har vi bare kunnet tage ad notam, at vi lever i det her univers, og så prøve at forstå hvilke love der styrer det. Nu kan vi gå et skridt videre og formulere nogle love, der giver mulighed for at skabe et univers som det, vi lever i i dag,« siger han.

Teorier om kvantegravitation

Kvantegravitation kræver, at tyngdekraften (gravitation) kan gøres op i kvanter og dermed fungere på samme måde som de tre naturkræfter, der kendes fra atomfysikken: elektromagnetisme, stærk kernekraft og svag kernekraft. De virker ved udveksling af kraftoverførende partikler.

Det er endnu ikke lykkedes at beskrive en teori, der kan kvantificere relativitetsteorien. Der er flere bud på teorier, der dog hver især har løse ender.

Superstrengsteori

Den mest populære teori blandt teoretiske fysikere. Den er baseret på den ide, at universet ikke består af partikler, men af vibrerende strenge.

Vibrationerne kan danne elementpartikler og kraftoverførende partikler. Teorien bygger på, at strengene også danner gravitoner, som hypotetisk set menes at være de elementpartikler, som danner tyngdekraft.

Loop kvantegravitation

Med loop kvantegravitation anvendes kvanteregler på Einstein’s almene relativitetsteori. Det vil sige, at rumtiden i stedet for at være kontinuer, deles op i bittesmå rumtids-kvanter i plancklængde. Rummets kvantetilstand bliver beskrevet som punkter og mellem dem er links, der forbinder punkterne. På den måde dannes et netværk i rumtiden.

Klassisk kvantegravitationsteori

Teorien blev introduceret af Stephen Hawking i 1970’erne og antager, at tiden kan roteres fra at være et almindeligt reelt tal til et imaginært tal. Men computersimuleringer af modeluniverser viste sig enten at krølle sammen med et uendeligt antal dimensioner eller at blive helt todimensionelle.

Kausale dynamiske Trianguleringer

Er den teori som Jan Ambjørn og hans kollegaer kom op med i 1998. Det er en moderne udgave af Hawkings indfaldsvinkel, hvor kausalitet spiller en væsentlig rolle. Det resulterer i universer, der minder om det univers, vi kan observere.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.