Jakten på universums källkod

Pasterski är en teoretisk fysiker inom högenergifysik vid Perimeter Institute for Theoretical Physics, och hon är en av ett fåtal människor på planeten som kan navigera i det matematiska minfält som kallas kvantgravitation. Hennes mål är vad hon kallar för ”universums källkod”. Det är det ultimata sökandet efter en huvudfil: en enskild, konsekvent uppsättning regler som förklarar varför stjärnorna stannar kvar i sina galaxer medan subatomära partiklar beter sig som koffeinstinna spöken. För närvarande är våra bästa beskrivningar av verkligheten skrivna på två olika, oförenliga språk, och fysiker har börjat ana att det enda sättet att förena dem är att erkänna att den tredimensionella värld vi bebor i själva verket är en sofistikerad projektion.

Detta är ingen konspirationsteori om att leva i en datorsimulering, även om terminologin ofta överlappar. Istället är det ett rigoröst matematiskt försök att lösa en paradox som har försatt vetenskapens främsta hjärnor i förlägenhet under ett sekel. Den allmänna relativitetsteorin, Einsteins mästerverk, förklarar gravitationen och det stora – planeter, svarta hål och kosmos expansion. Kvantmekaniken förklarar det lilla – elektroner, fotoner och den subatomära världens märkligheter. Problemet är att när man försöker använda båda samtidigt går matematiken sönder. Det är som att försöka köra ett PlayStation 5-spel på en miniräknare från 1980-talet. Universums operativsystem kraschar vid gränserna, och teoretiker letar efter en patch.

Felet i gravitationsmaskinen

Fysiken är för närvarande full av motsägelser som antyder att vår förståelse av rum och tid bara är en grov approximation av något djupare. En av de mest kända ”buggarna” i systemet är informationsparadoxen i svarta hål. Enligt den allmänna relativitetsteorin är allt som faller in i ett svart hål borta för alltid, krossat till en singularitet. Men enligt kvantmekaniken kan information aldrig gå helt förlorad. Om du kastar en bok i ett svart hål bör informationen i atomernas arrangemang i teorin bevaras. När ett svart hål så småningom avdunstar via Hawking-strålning verkar den informationen försvinna. Detta är ett katastrofalt fel i universums logik.

Pasterski och hennes kollegor arbetar på ett ramverk kallat celestial holografi för att fixa detta. Idén bygger på den ”holografiska principen”, som antyder att all information som finns i en rymdvolym kan beskrivas av data på rymdens gränsyta. Tänk dig en soppburk. All information om soppan – dess temperatur, antalet morötter, salthalten – skulle teoretiskt sett kunna skrivas på den tvådimensionella etiketten som sitter runt utsidan. I denna synvinkel är vår 3D-verklighet bara ”massan” (the bulk), medan den verkliga ”koden” är skriven på en 2D-yta längst ut i universums kant.

Varför Holometer misslyckades med att hitta rymdens pixlar

Om universum är en projektion bör själva rummet ha en upplösning. Precis som ett digitalt foto blir till ett rutnät av pixlar om man zoomar in tillräckligt mycket, anser många teoretiker att rumtiden inte är jämn, utan ”klumpig”. Vid Planck-skalan – det minsta möjliga avståndet, ungefär 10 upphöjt till minus 35 meter – borde verklighetens väv bli kornig. År 2015 försökte forskare vid Fermilab hitta denna kornighet med hjälp av en anordning kallad Holometer. Det var ett par massiva laserinterferometrar utformade för att upptäcka ”holografiskt brus”, ett svagt darrande i universum som skulle bevisa att vi lever i en projektion med låg upplösning.

Experimentet misslyckades. Lasrarna förblev stabila och inget holografiskt brus upptäcktes på de känslighetsnivåer som testades. För många var detta ett bakslag för idén att vi lever i ett bokstavligt hologram. Men för teoretiker som Pasterski var resultatet inte en återvändsgränd – det var en förfining. Det antydde att ”källkoden” inte är så enkel som en pixlad skärm. Kopplingen mellan 2D-gränsytan och 3D-massan är mer subtil. Bristen på bevis för ett darrigt universum motbevisade inte den holografiska principen; det bevisade bara att universum inte ”glitchar” på det specifika sätt som Craig Hogan och hans team vid Fermilab förväntade sig.

Detta är jaktens iterativa natur. Du bygger en maskin för att hitta ett specifikt fel, du hittar det inte, och du går tillbaka till skrivtavlan för att ta reda på varför koden är bättre dold än du trodde. Spänningen kvarstår eftersom matematiken fortfarande kräver en enande förklaring. Vi vet till exempel att mörk materia existerar eftersom vi kan se dess gravitation dra i galaxer, men vi har aldrig sett ”koden” för själva partikeln. Vi betraktar effekterna av ett programvaruprogram samtidigt som vi inte kan se textraderna som får det att köra.

Att skala av universum till dess fundament

När Pasterski beskriver sitt arbete refererar hon ofta till det som ett ”existentiellt pussel”. Det finns en viss ironi i att man för att förstå kosmos enormhet måste ägna sitt liv åt att stirra på ett papper täckt av grekiska symboler och linjeintegraler. Men det är det enda sättet att undersöka miljöer som ingen människa eller rymdsond någonsin kommer att besöka. Vi kan inte resa till universums utkant, och vi kan inte överleva resan inuti ett svart hål, men vi kan bygga matematiska modeller som representerar dessa extremiteter med skrämmande precision.

Detta tillvägagångssätt kräver en fokusnivå som gränsar till meditation. Pasterski pratar om att hamna i ett mindset där ekvationerna för ett förenklat, fyrdimensionellt universum – tre av rum, en av tid – flödar i timmar tills tiden själv tycks försvinna. Det är en process där man skalar bort verklighetens ”användargränssnitt” – träden, människorna, ljuset – för att hitta de råa variablerna därunder. Om vi kan hitta källkoden förstår vi inte bara hur universum började; vi kanske förstår vad det faktiskt består av på dess mest grundläggande nivå.

Det finns också frågan om vad som händer om vi faktiskt lyckas. Genom historien har varje gång vi har avslöjat ett nytt lager av koden byggt en ny värld. Förståelsen av termodynamikens lagar gav oss ångmaskinen. Förståelsen av elektronen gav oss datorn. Om vi förstår koden för gravitation och kvantmekanik kan de tekniska tillämpningarna vara bortom allt vi ser i science fiction. Vi pratar inte bara om bättre raketer; vi pratar om förmågan att manipulera själva rumtidens väv.

Arvets börda

Jakten på en ”teori om allt” har en vana att förtära liven för världens mest briljanta människor. Einstein tillbringade de sista tre decennierna av sitt liv med att försöka hitta en enhetlig fältteori och misslyckades. Stephen Hawking, som Pasterski en gång mötte och deltog i en congalinje med vid ett Harvard-event, tillbringade sin karriär med att jaga samma spöke. Det finns en tyngd i detta arv som kan vara förkrossande, men Pasterski verkar betrakta det med samma pragmatiska nyfikenhet som hon tillämpade på sin Cessna. Det är bara ännu ett svårt problem som behöver lösas.

Samfundet är djupt kollaborativt, även om det är litet. Eftersom matematiken är så tät sker framsteg i små steg. En forskare hittar ett sätt att beskriva en specifik typ av partikelinteraktion på ett 2D-plan; en annan räknar ut hur man mappar det på ett 3D-gravitationsfält. Sakta börjar bilden klarna. De är som utvecklare som arbetar på ett massivt projekt med öppen källkod som har kört i miljarder år, i ett försök att genom omvänd ingenjörskonst förstå den ursprungliga programmerarens avsikt.