Den moderna teoretiska fysikern står inför en krävande uppförsbacke. "När vi lär oss mer, verkligheten blir allt mer subtil; det absoluta blir relativt, det fasta blir dynamiskt, det bestämda är laddat med osäkerhet, "skriver fysikern Yasha Neiman.

En professor och chef för Quantum Gravity Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), han kämpar med denna gåta dagligen. Quantum gravitation, Neimans fysikgren, syftar till att förena kvantmekanik, som beskriver naturen i skalan av atomer och subatomära partiklar, med Einsteins allmänna relativitetsteori - den moderna gravitationsteorin som krökning av rum och tid. Hur, han frågar, kan fysiker skriva ekvationer när själva rymdens geometri blir föremål för kvantosäkerhet? Quantum gravitation, den nuvarande gränsen i grundläggande teori, har visat sig vara svårare att lossna än tidigare begrepp, enligt Neiman.

"Med begreppet rymd glider mellan våra fingrar, vi letar efter alternativa fotfästen för att basera vår beskrivning av världen, " han skriver.

Denna sökning efter alternativa fotfästen är, i huvudsak, en sökning efter ett nytt språk för att beskriva verkligheten - och det är ämnet för hans senaste arbete, publicerad i Journal of High Energy Physics . I tidningen, Neiman föreslår en ny utsiktspunkt för rymdens och tidens geometri-en som bygger på väletablerade tillvägagångssätt inom fysik, som holografi och twistor teori, att nå ny mark.

Holografi är en utlöpare av strängteori, teorin om att universum består av endimensionella objekt som kallas strängar, som utvecklades i slutet av 1990 -talet. Holografi föreställer universums ändar som ytan på en oändligt stor sfär som bildar gränsen för rymden. Även om geometrin fluktuerar inom denna sfär, denna "gräns vid oändlighet" på sfärens yta kan förbli fast.

Under de senaste 20 åren har holografi har varit ett ovärderligt verktyg för att genomföra kvante-gravitationstänkande experiment. Dock, astronomiska observationer har visat att detta tillvägagångssätt inte riktigt kan tillämpas på vår värld. "Den accelererande expansionen av vårt universum och ljusets slutliga hastighet konspirerar för att begränsa alla möjliga observationer, nuvarande eller framtida, till en ändlig - fast mycket stor - rymdregion, "Neiman skriver.

I en sådan värld, gränsen i oändlighet, där den holografiska bilden av universum är baserad, är inte längre fysiskt meningsfullt. En ny referensram kan behövas - en som inte försöker hitta en fast yta i rymden, men som lämnar utrymme efter sig helt och hållet.

På 1960 -talet, i ett försök att förstå kvantgravitation, fysikern Roger Penrose föreslog ett så radikalt alternativ. I Penrose's twistor -teori, geometriska punkter ersätts av twistors - enheter som mest liknar sträckta, ljusstrålliknande former. Inom detta vridningsutrymme, Penrose upptäckte ett mycket effektivt sätt att representera fält som färdas med ljusets hastighet, såsom elektromagnetiska och gravitationella fält. Verklighet, dock, består av mer än fält - någon teori behöver också ta hänsyn till samspelet mellan fält, såsom den elektriska kraften mellan laddningar, eller, i det mer komplicerade fallet med allmän relativitet, gravitationsattraktion som härrör från själva fältets energi. Dock, att inkludera den allmänna relativitetens interaktioner i denna bild har visat sig vara en formidabel uppgift.

Så kan vi i twistorspråk uttrycka en fullfjädrad kvantgravitationsteori, kanske enklare än allmän relativitet, men med både fält och interaktioner fullt beaktade? Ja, enligt Neiman.

Neimans modell bygger på högre centrifugering, en modell utvecklad av Mikhail Vasiliev på 1980- och 90-talen. Högre centrifugering kan tyckas vara "den mindre kusinen" till String Theory, "för enkelt för att återge allmän relativitet, men mycket lärorikt som lekplats för idéer, "som Neiman uttrycker det. I synnerhet den är perfekt lämpad för att utforska möjliga broar mellan holografi och twistorsteori.

Å ena sidan, som upptäcktes av Igor Klebanov och Alexander Polyakov 2001, högre centrifugering, precis som strängteori, kan beskrivas holografiskt. Dess beteende inom rymden kan fångas helt i termer av en gräns i oändlighet. Å andra sidan, dess ekvationer innehåller twistorliknande variabler, även om dessa fortfarande är knutna till särskilda punkter i vanligt utrymme.

Från dessa utgångspunkter, Neimans papper tar ytterligare ett steg, konstruera en matematisk ordbok som binder samman språken holografi och twistorteorin.

"Den underliggande matematiken som får den här historien att kryssa handlar om kvadratrötter, "skriver Neiman." Det handlar om att identifiera subtila sätt på vilka en geometrisk operation, såsom en rotation eller reflektion, kan göras 'halvvägs'. En smart kvadratrot är som att hitta en spricka i en fast vägg, öppnar den i två, och avslöjar en ny värld. "

Att använda kvadratrötter på detta sätt har en mångårig historia inom matte och fysik. Faktiskt, den inneboende formen av alla materiepartiklar – såsom elektroner och kvarkar – såväl som twistors, beskrivs med en kvadratrot av vanliga riktningar i rymden. I en subtil teknisk mening, Neimans metod för att ansluta rymden, dess gräns i oändlighet, och vridutrymme, handlar om att ta en sådan kvadratrot igen.

Neiman hoppas att hans bevis på konceptet kan bana väg mot en kvantitetsteori om tyngdkraften som inte förlitar sig på en gräns i oändligheten.

"Det kommer att krävas mycket kreativitet för att avslöja världens kod, säger Neiman. Och det är glädje i att fumla efter det.