Symmetrie is een van de leidende principes geweest in de zoektocht van natuurkundigen naar fundamentele natuurwetten. Wat betekent het dat natuurwetten symmetrie hebben? Het betekent dat wetten er hetzelfde uitzien voor en na een operatie, vergelijkbaar met een spiegelreflectie, hetzelfde maar rechts is nu links in de reflectie.

Natuurkundigen hebben gezocht naar wetten die zowel de microscopische wereld van elementaire deeltjes als de macroscopische wereld van het universum en de oerknal aan het begin verklaren, in de verwachting dat zulke fundamentele wetten onder alle omstandigheden symmetrisch zouden moeten zijn. Echter, vorig jaar, twee natuurkundigen vonden een theoretisch bewijs dat, op het meest fundamentele niveau, de natuur respecteert de symmetrie niet.

Hoe hebben ze het gedaan? Zwaartekracht en hologram

Er zijn vier fundamentele krachten in de fysieke wereld:elektromagnetisme, sterke kracht, zwakke kracht, en zwaartekracht. Zwaartekracht is de enige kracht die nog onverklaarbaar is op kwantumniveau. De effecten op grote objecten, zoals planeten of sterren, zijn relatief gemakkelijk te zien, maar het wordt ingewikkeld als je de zwaartekracht probeert te begrijpen in de kleine wereld van elementaire deeltjes.

Om zwaartekracht op kwantumniveau te begrijpen, Hirosi Ooguri, de directeur van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Tokyo, en Daniel Harlow, een assistent-professor aan het Massachusetts Institute of Technology, begonnen met het holografische principe. Dit principe verklaart driedimensionale verschijnselen die worden beïnvloed door de zwaartekracht op een tweedimensionale platte ruimte die niet wordt beïnvloed door de zwaartekracht. Dit is geen echte weergave van ons universum, maar het is dichtbij genoeg om onderzoekers te helpen de basisaspecten ervan te bestuderen.

Het paar liet vervolgens zien hoe kwantumfoutcorrigerende codes, die verklaren hoe driedimensionale zwaartekrachtsverschijnselen uit twee dimensies tevoorschijn komen, zoals hologrammen, zijn niet compatibel met enige symmetrie; wat betekent dat een dergelijke symmetrie niet mogelijk is in kwantumzwaartekracht.

Zij publiceerden hun conclusie in 2019, oogst veel lof van tijdschriftredacteuren en veel media-aandacht. Maar hoe is zo'n idee ontstaan?

Het begon ruim vier jaar geleden, toen Ooguri een artikel tegenkwam over holografie en de relatie met kwantumfoutcorrigerende codes van Harlow, die toen een postdoc was aan de Harvard University. Snel na, de twee ontmoetten elkaar op het Institute for Advanced Study in Princeton toen Ooguri daar op sabbatical was en Harlow een seminar kwam geven.

"Ik ging naar zijn seminar voorbereid met vragen, "zegt Ooguri. "We hebben daarna veel gepraat, en toen begonnen we te denken dat dit idee dat hij had misschien kan worden gebruikt om een ​​van de fundamentele eigenschappen van kwantumzwaartekracht te verklaren, over het gebrek aan symmetrie."

Uit dergelijke gesprekken ontstaan ​​vaak nieuwe onderzoekssamenwerkingen en ideeën, zegt Ooguri, die ook professor is aan het California Institute of Technology in de VS. Ooguri reist minstens één keer per twee weken om lezingen te geven, congressen bijwonen, workshops en andere evenementen. Terwijl sommigen zich afvragen of al dat reizen afbreuk doet aan het concentreren op onderzoek, Ooguri gelooft juist het tegenovergestelde.

"Wetenschappelijke vooruitgang is toevallig, ' zegt hij. 'Het gebeurt vaak op een manier die je niet verwacht. Zo'n ontwikkeling is nog heel moeilijk te realiseren via uitwisseling op afstand.

"Ja, tegenwoordig is het makkelijker met e-mails en videoconferenties, " hij gaat door, "maar als je een e-mail schrijft, moet je iets hebben om over te schrijven. Als iemand in hetzelfde gebouw is, Ik kan door de gang lopen en domme vragen stellen."

Deze domme vragen zijn de sleutel tot vooruitgang in de fundamentele wetenschappen. In tegenstelling tot andere velden, zoals toegepaste wetenschap waar onderzoekers werken aan een specifiek doel, de eerste vraag of het eerste idee waar een theoretisch fysicus mee komt, is meestal niet de juiste, zegt Ooguri. Maar, door discussie, andere onderzoekers stellen vragen die voortkomen uit hun nieuwsgierigheid, het onderzoek een nieuwe richting inslaan, belandt op een zeer interessante vraag, die een nog interessanter antwoord heeft.