Albert Einsteins skrivbord finns fortfarande på andra våningen i Princetons fysikavdelning. Placerad framför en svart tavla från golv till tak täckt med ekvationer, skrivbordet verkar förkroppsliga andan hos det krusiga håret när han frågar avdelningens nuvarande invånare, "Så, har du löst det än? "

Einstein uppnådde aldrig sitt mål om en enhetlig teori för att förklara den naturliga världen på en enda, sammanhängande ram. Under förra seklet, forskare har sammanfogat länkar mellan tre av de fyra kända fysiska krafterna i en "standardmodell, "men den fjärde styrkan, allvar, har alltid stått ensam.

Inte längre. Tack vare insikter från Princeton -fakultetsmedlemmar och andra som utbildat sig här, tyngdkraften förs in från kylan - fast på ett sätt som inte är i närheten av hur Einstein hade tänkt sig det.

Även om det ännu inte är en "teori om allt, "denna ram, fastställdes för över 20 år sedan och fortfarande fylls i, avslöjar överraskande sätt på vilka Einsteins gravitationsteori relaterar till andra fysikområden, ger forskare nya verktyg för att ta itu med svårfångade frågor.

Den viktigaste insikten är att tyngdkraften, kraften som för tillbaka basbollar till jorden och styr tillväxten av svarta hål, är matematiskt relaterad till de säregna upptåg av de subatomära partiklarna som utgör allt material omkring oss.

Denna uppenbarelse gör det möjligt för forskare att använda en gren av fysiken för att förstå andra till synes orelaterade fysikområden. Än så länge, detta koncept har tillämpats på ämnen som sträcker sig från varför svarta hål löper en temperatur till hur en fjärils slagvingar kan orsaka storm på andra sidan världen.

Denna relaterbarhet mellan gravitation och subatomära partiklar ger en slags Rosetta -sten för fysiken. Ställ en fråga om gravitation, och du får en förklaring i termerna av subatomära partiklar. Och vice versa.

"Detta har visat sig vara ett otroligt rikt område, "sa Igor Klebanov, Princetons Eugene Higgins professor i fysik, som genererade några av de första inklingarna på detta område under 1990 -talet. "Det ligger i skärningspunkten mellan många fysikområden."

Från små bitar av sträng

Fröna till denna korrespondens strös på 1970 -talet, när forskare undersökte små subatomära partiklar som kallades kvarker. Dessa enheter häckar som ryska dockor inuti protoner, som i sin tur upptar de atomer som utgör all materia. Just då, fysiker tyckte det var konstigt att oavsett hur hårt du krossar två protoner tillsammans, du kan inte släppa kvarkerna - de förblir instängda inuti protonerna.

En person som arbetade med kvargstängning var Alexander Polyakov, Princetons Joseph Henry professor i fysik. Det visar sig att kvarker "limmas ihop" av andra partiklar, kallas gluoner. Ett tag, forskare trodde att gluoner kunde sättas ihop till strängar som knyter kvarkar till varandra. Polyakov skymtade en koppling mellan teorin om partiklar och teorin om strängar, men arbetet var, med Polyakovs ord, "handvågig" och han hade inga exakta exempel.

Under tiden, tanken att grundläggande partiklar faktiskt är små bitar av vibrerande sträng tog fart, och i mitten av 1980-talet, "strängteori" hade tappat fantasin hos många ledande fysiker. Tanken är enkel:precis som en vibrerande fiolsträng ger upphov till olika toner, varje strängs vibration förutsäger en partikels massa och beteende. Den matematiska skönheten var oemotståndlig och ledde till en svall av entusiasm för strängteori som ett sätt att förklara inte bara partiklar utan själva universum.

En av Polyakovs kollegor var Klebanov, som 1996 var docent vid Princeton, efter att ha tagit sin doktorsexamen i Princeton ett decennium tidigare. Det året, Klebanov, med doktorand Steven Gubser och postdoktoral forskningsassistent Amanda Peet, använde strängteori för att göra beräkningar om gluoner, och jämförde sedan sina fynd med ett strängteoretiskt tillvägagångssätt för att förstå ett svart hål. De blev förvånade över att finna att båda metoderna gav ett mycket liknande svar. Ett år senare, Klebanov studerade absorptionshastigheter med svarta hål och fann att den här gången var de helt överens.

Det arbetet var begränsat till exemplet med gluoner och svarta hål. Det krävdes en insikt av Juan Maldacena 1997 för att dra bitarna in i ett mer allmänt förhållande. Vid den tiden, Maldacena, som hade tjänat sin doktorsexamen i Princeton ett år tidigare, var biträdande professor vid Harvard. Han upptäckte en överensstämmelse mellan en speciell tyngdkraft och teorin som beskriver partiklar. När man ser vikten av Maldacenas gissningar, ett Princeton -team bestående av Gubser, Klebanov och Polyakov följde upp med ett relaterat papper som formulerade idén i mer exakta termer.

En annan fysiker som omedelbart togs med tanken var Edward Witten från Institute for Advanced Study (IAS), ett oberoende forskningscenter som ligger cirka en mil från universitetets campus. Han skrev ett papper som ytterligare formulerade idén, och kombinationen av de tre tidningarna i slutet av 1997 och början av 1998 öppnade slussarna.

"Det var en helt ny typ av anslutning, "sa Witten, en ledare inom strängteori som hade tjänat sin doktorsexamen. vid Princeton 1976 och är gästföreläsare med professor i fysik vid Princeton. "Tjugo år senare, vi har inte helt tagit tag i det. "

Två sidor av samma mynt

Detta förhållande innebär att gravitationen och subatomära partikelinteraktioner är som två sidor av samma mynt. På ena sidan finns en utökad version av tyngdkraften härledd från Einsteins 1915 teori om allmän relativitet. På andra sidan är teorin som grovt beskriver beteendet hos subatomära partiklar och deras interaktioner.

Den senare teorin innehåller katalogen över partiklar och krafter i "standardmodellen" (se sidofältet), en ram för att förklara materia och dess interaktioner som har överlevt rigorösa tester i många experiment, inklusive på Large Hadron Collider.

I standardmodellen, kvantbeteenden bakas in. Vår värld, när vi kommer ner till nivån av partiklar, är en kvantvärld.

Tyngdkraften saknas särskilt från standardmodellen. Men kvantbeteendet är grunden för de tre andra krafterna, så varför ska gravitationen vara immun?

Det nya ramverket för in gravitationen i diskussionen. Det är inte precis gravitationen vi känner till, men en lite skev version som innehåller en extra dimension. Universum vi känner har fyra dimensioner, de tre som identifierar ett objekt i rymden - höjden, bredd och djup på Einsteins skrivbord, till exempel - plus tidens fjärde dimension. Gravitationsbeskrivningen lägger till en femte dimension som får rymdtiden att kurva in i ett universum som innehåller kopior av välbekant fyrdimensionellt platt utrymme som skalas om efter var de finns i den femte dimensionen. Det här konstiga, krökt rymdtid kallas anti-de Sitter (AdS) -utrymme efter Einsteins samarbetspartner, Holländska
astronomen Willem de Sitter.

Genombrottet i slutet av 1990 -talet var att matematiska beräkningar av kanten, eller gräns, av detta anti-de Sitter-utrymme kan tillämpas på problem som involverar kvantbeteenden hos subatomära partiklar som beskrivs av ett matematiskt förhållande som kallas konform fältteori (CFT). Denna relation ger länken, som Polyakov hade skymtat tidigare, mellan teorin om partiklar i fyra rymddimensioner och strängteori i fem dimensioner. Förhållandet går nu under flera namn som relaterar gravitationen till partiklar, men de flesta forskare kallar det AdS/CFT (uttalad A-D-S-C-F-T) korrespondens.

Att ta itu med de stora frågorna

Denna korrespondens, det visar sig, har många praktiska användningsområden. Ta svarta hål, till exempel. Den sena fysikern Stephen Hawking skrämde fysikgemenskapen genom att upptäcka att svarta hål har en temperatur som uppstår eftersom varje partikel som faller i ett svart hål har en intrasslad partikel som kan fly som värme.

Med AdS/CFT, Tadashi Takayanagi och Shinsei Ryu, sedan vid University of California-Santa Barbara, upptäckte ett nytt sätt att studera

trassel när det gäller geometri, utvidga Hawkings insikter på ett sätt som experter anser vara ganska anmärkningsvärt.

I ett annat exempel, forskare använder AdS/CFT för att fastställa kaosteorin, som säger att en slumpmässig och obetydlig händelse som att en fjärils vingar klappar kan resultera i massiva förändringar av ett storskaligt system som en avlägsen orkan. Det är svårt att beräkna kaos, men svarta hål - som är några av de mest kaotiska kvantsystem som är möjliga - kan hjälpa. Arbete av Stephen Shenker och Douglas Stanford vid Stanford University, tillsammans med Maldacena, visar hur, genom AdS/CFT, svarta hål kan modellera kvantkaos.

En öppen fråga Maldacena hoppas att AdS/CFT -korrespondensen kommer att svara på är frågan om hur det är inuti ett svart hål, där en oändligt tät region kallad singularitet bor. Än så länge, förhållandet ger oss en bild av det svarta hålet sett utifrån, sa Maldacena, som nu är Carl P. Feinbergprofessorn vid IAS.

"Vi hoppas kunna förstå singulariteten i det svarta hålet, "Maldacena sa." Att förstå detta skulle förmodligen leda till intressanta lärdomar för Big Bang. "

Förhållandet mellan tyngdkraft och strängar har också kastat nytt ljus över kvarhållning av kvark, inledningsvis genom arbete av Polyakov och Witten, och senare av Klebanov och Matt Strassler, vem var då på IAS.

Det är bara några exempel på hur relationen kan användas. "Det är en oerhört lyckad idé, "sa Gubser, som idag är professor i fysik vid Princeton. "Det tvingar ens uppmärksamhet. Det täcker in dig, det repar på andra områden, och det ger dig en utsiktspunkt om teoretisk fysik som är mycket övertygande. "

Förhållandet kan till och med låsa upp tyngdkraftens kvantitet. "Det är bland våra bästa ledtrådar att förstå gravitationen ur ett kvantperspektiv, "sa Witten." Eftersom vi inte vet vad som fortfarande saknas, Jag kan inte berätta hur stor del av bilden det kommer att bli i slutändan. "

Fortfarande, AdS/CFT -korrespondensen, medan den är kraftfull, förlitar sig på en förenklad version av rymdtid som inte exakt liknar det verkliga universum. Forskare arbetar för att hitta sätt att göra teorin mer allmänt tillämplig i vardagen, inklusive Gubsers forskning om modellering av kollisioner av tunga joner, samt högtemperatur superledare.

På att göra-listan utvecklas också ett bevis på denna korrespondens som bygger på underliggande fysiska principer. Det är osannolikt att Einstein skulle bli nöjd utan bevis, sa Herman Verlinde, Princetons klass 1909 professor i fysik, ordförande för institutionen för fysik och en expert på strängteori, som delar kontorslokaler med Einsteins skrivbord.

"Ibland föreställer jag mig att han fortfarande sitter där, "Sade Verlinde, "och jag undrar vad han skulle tycka om våra framsteg."