Het bureau van Albert Einstein is nog steeds te vinden op de tweede verdieping van de natuurkundeafdeling van Princeton. Geplaatst voor een schoolbord van vloer tot plafond vol vergelijkingen, het bureau lijkt de geest van het kroeshaar genie te belichamen als hij de huidige bewoners van de afdeling vraagt, "Dus, heb je het al opgelost?"

Einstein bereikte nooit zijn doel van een verenigde theorie om de natuurlijke wereld in één enkele, samenhangend kader. In de afgelopen eeuw is onderzoekers hebben verbanden gelegd tussen drie van de vier bekende fysieke krachten in een "standaardmodel, " maar de vierde kracht, zwaartekracht, heeft altijd alleen gestaan.

Niet langer. Dankzij inzichten van Princeton-faculteitsleden en anderen die hier hebben getraind, zwaartekracht wordt vanuit de kou naar binnen gehaald - hoewel op een manier die niet in de verste verte in de buurt komt van hoe Einstein het zich had voorgesteld.

Hoewel nog geen "theorie van alles, " dit kader, meer dan 20 jaar geleden vastgelegd en nog steeds ingevuld, onthult verrassende manieren waarop Einsteins zwaartekrachtstheorie zich verhoudt tot andere gebieden van de natuurkunde, onderzoekers nieuwe tools geven om ongrijpbare vragen aan te pakken.

Het belangrijkste inzicht is dat zwaartekracht, de kracht die honkballen terug naar de aarde brengt en de groei van zwarte gaten regelt, is wiskundig te relateren aan de eigenaardige capriolen van de subatomaire deeltjes waaruit alle materie om ons heen bestaat.

Deze onthulling stelt wetenschappers in staat om één tak van de natuurkunde te gebruiken om andere schijnbaar niet-gerelateerde gebieden van de natuurkunde te begrijpen. Tot dusver, dit concept is toegepast op onderwerpen variërend van waarom zwarte gaten een temperatuur hebben tot hoe de kloppende vleugels van een vlinder een storm aan de andere kant van de wereld kunnen veroorzaken.

Deze relativiteit tussen zwaartekracht en subatomaire deeltjes levert een soort Rosetta-steen op voor de natuurkunde. Stel een vraag over zwaartekracht, en je krijgt een uitleg in termen van subatomaire deeltjes. En vice versa.

"Dit is een ongelooflijk rijk gebied gebleken, " zei Igor Klebanov, Princeton's Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde, die in de jaren negentig enkele van de eerste inzichten op dit gebied opwekte. "Het ligt op het kruispunt van vele natuurkundegebieden."

Van kleine stukjes touw

De zaden van deze correspondentie werden in de jaren zeventig gestrooid, toen onderzoekers kleine subatomaire deeltjes, quarks genaamd, aan het onderzoeken waren. Deze entiteiten nestelen als Russische poppen in protonen, die op hun beurt de atomen bezetten waaruit alle materie bestaat. Destijds, natuurkundigen vonden het vreemd dat hoe hard je ook twee protonen tegen elkaar slaat, je kunt de quarks niet loslaten - ze blijven opgesloten in de protonen.

Een persoon die aan quark-opsluiting werkte, was Alexander Polyakov, Joseph Henry Professor in de natuurkunde van Princeton. Het blijkt dat quarks "aan elkaar worden gelijmd" door andere deeltjes, gluonen genoemd. Voor een poosje, onderzoekers dachten dat gluonen konden assembleren tot snaren die quarks aan elkaar binden. Polyakov zag een verband tussen de theorie van deeltjes en de theorie van snaren, maar het werk was in de woorden van Polyakov, "hand-golvend" en hij had geen precieze voorbeelden.

In de tussentijd, het idee dat fundamentele deeltjes eigenlijk minuscule stukjes trillend snaartje zijn, nam een ​​vlucht, en tegen het midden van de jaren tachtig, 'snaartheorie' had de verbeelding van veel vooraanstaande natuurkundigen in de war gebracht. Het idee is simpel:net zoals een trillende vioolsnaar verschillende tonen doet ontstaan, de trilling van elke snaar voorspelt de massa en het gedrag van een deeltje. De wiskundige schoonheid was onweerstaanbaar en leidde tot een golf van enthousiasme voor de snaartheorie als een manier om niet alleen deeltjes, maar ook het universum zelf te verklaren.

Een van Polyakovs collega's was Klebanov, die in 1996 universitair hoofddocent was aan Princeton, na het behalen van zijn Ph.D. in Princeton een decennium eerder. Dat jaar, Klebanov, met afgestudeerde student Steven Gubser en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Amanda Peet, gebruikte snaartheorie om berekeningen te maken over gluonen, en vergeleken hun bevindingen vervolgens met een snaartheorie-benadering om een ​​zwart gat te begrijpen. Ze waren verrast toen ze ontdekten dat beide benaderingen een zeer vergelijkbaar antwoord opleverden. Een jaar later, Klebanov bestudeerde de absorptiesnelheden van zwarte gaten en ontdekte dat ze dit keer precies overeenkwamen.

Dat werk beperkte zich tot het voorbeeld van gluonen en zwarte gaten. Er was een inzicht van Juan Maldacena in 1997 voor nodig om de stukken in een meer algemene relatie te brengen. In die tijd, Maldacena, die zijn Ph.D. in Princeton een jaar eerder, was assistent-professor aan Harvard. Hij ontdekte een overeenkomst tussen een speciale vorm van zwaartekracht en de theorie die deeltjes beschrijft. Gezien het belang van Maldacena's vermoeden, een Princeton-team bestaande uit Gubser, Klebanov en Polyakov volgden met een verwant document waarin het idee in meer precieze bewoordingen werd geformuleerd.

Een andere natuurkundige die meteen enthousiast was over het idee was Edward Witten van het Institute for Advanced Study (IAS), een onafhankelijk onderzoekscentrum op ongeveer anderhalve kilometer van de universiteitscampus. Hij schreef een paper dat het idee verder formuleerde, en de combinatie van de drie kranten eind 1997 en begin 1998 opende de sluizen.

"Het was een fundamenteel nieuw soort verbinding, " zei Witten, een leider op het gebied van snaartheorie die zijn Ph.D. aan Princeton in 1976 en is gastdocent met de rang van professor in de natuurkunde aan Princeton. "Twintig jaar later, we hebben het nog niet helemaal onder de knie."

Twee kanten van dezelfde munt

Deze relatie betekent dat zwaartekracht en subatomaire deeltjesinteracties als twee kanten van dezelfde medaille zijn. Aan de ene kant staat een uitgebreide versie van de zwaartekracht, afgeleid van Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915. Aan de andere kant staat de theorie die ruwweg het gedrag van subatomaire deeltjes en hun interacties beschrijft.

De laatste theorie omvat de catalogus van deeltjes en krachten in het "standaardmodel" (zie kader), een raamwerk om materie en zijn interacties te verklaren dat de strenge tests in talloze experimenten heeft overleefd, onder meer bij de Large Hadron Collider.

In het standaardmodel kwantumgedrag is ingebakken. Onze wereld, als we naar het niveau van deeltjes gaan, is een kwantumwereld.

Opvallend afwezig in het standaardmodel is de zwaartekracht. Maar kwantumgedrag ligt aan de basis van de andere drie krachten, dus waarom zou de zwaartekracht immuun moeten zijn?

Het nieuwe kader brengt zwaartekracht in de discussie. Het is niet precies de zwaartekracht die we kennen, maar een licht verwrongen versie met een extra dimensie. Het universum dat we kennen heeft vier dimensies, de drie die een object in de ruimte lokaliseren - de hoogte, breedte en diepte van Einsteins bureau, bijvoorbeeld - plus de vierde dimensie van tijd. De zwaartekrachtbeschrijving voegt een vijfde dimensie toe die ervoor zorgt dat de ruimtetijd kromt naar een universum dat kopieën bevat van bekende vierdimensionale platte ruimte die zijn geschaald volgens waar ze zich in de vijfde dimensie bevinden. Dit vreemde, gekromde ruimtetijd wordt anti-de Sitter (AdS) ruimte genoemd naar Einsteins medewerker, Nederlands
astronoom Willem de Sitter.

De doorbraak eind jaren negentig was dat wiskundige berekeningen van de rand, of grens, van deze anti-de Sitter-ruimte kan worden toegepast op problemen met kwantumgedrag van subatomaire deeltjes die worden beschreven door een wiskundige relatie die conforme veldentheorie (CFT) wordt genoemd. Deze relatie geeft de link, die Polyakov eerder had gezien, tussen de theorie van deeltjes in vier ruimte-tijd dimensies en snaartheorie in vijf dimensies. De relatie heeft nu verschillende namen die zwaartekracht relateren aan deeltjes, maar de meeste onderzoekers noemen het de AdS/CFT-correspondentie (uitgesproken als A-D-S-C-F-T).

De grote vragen aanpakken

Deze correspondentie, het blijkt, heeft veel praktische toepassingen. Neem zwarte gaten, bijvoorbeeld. Wijlen natuurkundige Stephen Hawking deed de natuurkundige gemeenschap opschrikken door te ontdekken dat zwarte gaten een temperatuur hebben die ontstaat omdat elk deeltje dat in een zwart gat valt een verstrengeld deeltje heeft dat als warmte kan ontsnappen.

Met behulp van AdS/CFT, Tadashi Takayanagi en Shinsei Ryu, vervolgens aan de Universiteit van Californië-Santa Barbara, een nieuwe manier van studeren ontdekt

verstrengeling in termen van geometrie, Hawkings inzichten uitbreiden op een manier die experts als opmerkelijk beschouwen.

In een ander voorbeeld, onderzoekers gebruiken AdS/CFT om de chaostheorie vast te stellen, die zegt dat een willekeurige en onbeduidende gebeurtenis, zoals het klapperen van de vleugels van een vlinder, kan resulteren in enorme veranderingen in een grootschalig systeem zoals een verre orkaan. Het is moeilijk om chaos te berekenen, maar zwarte gaten - die enkele van de meest chaotische kwantumsystemen zijn die mogelijk zijn - zouden kunnen helpen. Werk van Stephen Shenker en Douglas Stanford aan de Stanford University, samen met Maldacena, laat zien hoe, via AdS/CFT, zwarte gaten kunnen kwantumchaos modelleren.

Een open vraag die Maldacena hoopt te beantwoorden met de AdS/CFT-correspondentie is de vraag hoe het is in een zwart gat, waar zich een oneindig dicht gebied bevindt dat een singulariteit wordt genoemd. Tot dusver, de relatie geeft ons een beeld van het zwarte gat van buitenaf gezien, zei Maldacena, die nu de Carl P. Feinberg Professor aan de IAS is.

"We hopen de singulariteit in het zwarte gat te begrijpen, "Zei Maldacena. "Als we dit begrijpen, zou dit waarschijnlijk leiden tot interessante lessen voor de oerknal."

De relatie tussen zwaartekracht en snaren heeft ook nieuw licht geworpen op quark-opsluiting, aanvankelijk door werk van Polyakov en Witten, en later door Klebanov en Matt Strassler, die toen bij IAS was.

Dit zijn slechts enkele voorbeelden van hoe de relatie kan worden gebruikt. "Het is een enorm succesvol idee, " zei Gubser, die tegenwoordig hoogleraar natuurkunde is aan Princeton. "Het dwingt je aandacht. Het snoert je in, het touwen op andere gebieden, en het geeft je een uitkijkpunt op theoretische fysica dat zeer overtuigend is."

De relatie kan zelfs de kwantumaard van zwaartekracht ontsluiten. "Het is een van onze beste aanwijzingen om zwaartekracht te begrijpen vanuit een kwantumperspectief, "zei Witten. "Omdat we niet weten wat er nog ontbreekt, Ik kan je niet vertellen hoe groot een deel van de foto het uiteindelijk zal zijn."

Nog altijd, de AdS/CFT-correspondentie, terwijl krachtig, vertrouwt op een vereenvoudigde versie van ruimtetijd die niet precies hetzelfde is als het echte universum. Onderzoekers proberen manieren te vinden om de theorie breder toepasbaar te maken op de dagelijkse wereld, waaronder Gubser's onderzoek naar het modelleren van de botsingen van zware ionen, evenals hoge temperatuur supergeleiders.

Ook op de takenlijst staat het ontwikkelen van een bewijs van deze correspondentie die gebaseerd is op onderliggende fysieke principes. Het is onwaarschijnlijk dat Einstein tevreden zou zijn zonder een bewijs, zei Herman Verlinde, Princeton's Class of 1909 hoogleraar natuurkunde, de voorzitter van het departement Natuurkunde en een expert in snaartheorie, die kantoorruimte deelt met Einsteins bureau.

"Soms beeld ik me in dat hij daar nog zit, "Verlinde zei, 'en ik vraag me af wat hij van onze vooruitgang zou vinden.'