En stor del av fysiken handlar om att förstå egenskaperna hos olika former av materia. En viktig del av detta är att klassificera och beskriva de olika faser som materia kan bilda. Ett bekant exempel är vatten, som ju oftast påträffas i flytande form, men som också kan bilda en gas – vattenånga – vid höga temperaturer eller låga tryck, eller is vid låga temperaturer. Metaller smälter vid tillräckligt höga temperaturer, och kan bilda exotiska faser såsom supraledare vid mycket låga temperaturer.

Intressant är också fasövergångar, alltså hur en fas omvandlas till en annan. Vatten som värms upp till 100 grader (vid normala tryck) bildar bubblor av vattenånga, som sedan expanderar. Det här är något ganska typiskt för många fasövergångar (av första ordningen); en bubbla eller kärna av den nya fasen bildas i den gamla på grund av fluktuationer, och börjar sedan expandera tills den nya fasen helt tagit över.

Här i HIP försöker många av mina kollegor beskriva nya exotiska faser och fasövergångar, som bara kan existera under extrema förhållanden. I det tidiga universumet kan de höga temperaturerna ha gett upphov till nya faser, och de eventuella fasövergångarna kunde i så fall ha bildat bubblor som expanderade och kolliderade. Dessa våldsamma kollisioner skulle ha skapat signaler (gravitationsvågor) som kan vara möjliga att fånga upp än idag, om vi bygger tillräckligt bra detektorer!

Vårt universum ger också upphov till enorma tryck och tätheter. Flera forskare vid HIP är intresserade av neutronstjärnor, vars inre delar kan vara upp emot en biljard gånger tätare än vanligt vatten under atmosfäriska tryck. Här tror många fysiker att nya exotiska faser kan bildas, till exempel “kvarkmateria” där neutroner och protoner upphör att existera och deras beståndsdelar – kvarkar – frigörs. Observationer av sådana stjärnor är troligtvis vår bästa chans att lära oss om hur extremt tät materia kan bete sig. I båda dessa exempel testas många av våra bästa fysikaliska teorier, och verktyg, till brytpunkten.

Behovet av nya teoretiska verktyg är en orsak till att jag själv på senare tid funderat en hel del på fasövergångar. Jag forskar inom teoretisk fysik, med fokus på något som kallas holografisk dualitet (också kallat gauge/gravitationsdualitet). Begreppet dualitet är något förvirrande i allmänhet; i det här fallet betyder det att samma fysikaliska system kan beskrivas på två olika sätt. De två sätten, eller teorierna, kan verka väldigt olika, men matematiken ger samma resultat. Holografisk dualitet relaterar två typer av teorier:

1. Kvantfältteorier (viktiga inom partikelfysik, kärnfysik, den kondenserade materiens fysik, med mera).
2. Gravitationsteorier (Einsteins allmänna relativitetsteori med diverse utsmyckningar).

Forskning inom strängteori, som försöker förena dessa två typer av teorier, har lett fram till insikten att vissa av dem, överraskande nog, är ekvivalenta! Det finns alltså ett slags “lexikon” med vars hjälp man kan översätta begrepp och ekvationer från den ena teorin till den andra. Holografisk dualitet kan användas som ett verktyg [1]: under vissa antaganden kan vi med gravitationsteorin beräkna olika egenskaper som inom motsvarande kvantteori skulle vara näst intill oåtkomliga. Det här kan ge många nya insikter om hur kvantfältteorier, och materien de ämnar beskriva, kan bete sig under extrema förhållanden. Dualiteten kan till exempel användas för att beräkna hur snabbt bubblorna i en fasövergång bildas och expanderar, något som jag och mina kollegor har varit med och demonstrerat [2] (se även denna intervju i HBL).

Holografisk dualitet har förstås begränsningar, som de flesta verktyg. Kanske viktigast är att dualiteten bara är välförstådd för en viss typ av kvantfältteorier; till exempel “kvantkromodynamik” – kvantfältteorin som beskriver hur kvarkar växelverkar genom den starka kärnkraften – är inte en av dessa. Så det är möjligt att holografisk dualitet aldrig kommer kunna förutsäga de exakta egenskaperna hos materien i neutronstjärnors mittpunkt, till exempel. Men jag, och många av mina kollegor, tror att holografisk dualitet kan hjälpa oss att förstå och utforska de olika möjligheterna på ett mer effektivt sätt. Med hjälp av holografi och andra teoretiska metoder (och förstås, experiment!), hoppas vi nå fram till en mer fulländad förståelse för materia under extrema förhållanden.

Under hösten hade jag nöjet att delta i flera konferenser som behandlade de här frågorna. Först var jag med och organiserade ett möte vid Nordita i Stockholm, som var inriktat på hur holografisk dualitet kan användas inom astrofysik och kosmologi. Här i Helsingfors ordnade mina kollegor ett möte som diskuterade diverse originella metoder för att studera extremt tät materia. Sist men inte minst ordnades en konferens i den Sydkoreanska staden Pohang som behandlade kvantkromodynamik och holografisk dualitet. Som vanligt var det stimulerande att träffa många kollegor, både gamla och nya bekanta, och diskutera det senaste inom dessa olika men sammanflätade områden. De påminde mig också om det kanske bästa med att forska inom den här grenen av teoretisk fysik: att få ta del av så många fascinerande, oväntade och världsvidgande idéer, allt under en “vanlig” dag på jobbet!

Oscar Henriksson
Forskardoktor
Phases of Strongly Interacting Matter (QCD Matter)
Helsingfors universitet

[1] Se också min kollega Niko Jokelas blogginlägg (på finska): “Holografinen dualiteetti hiukkasfyysikon työkalupakissa“.

[2] Fëanor Reuben Ares, Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh, Carlos Hoyos, and Niko Jokela, “Gravitational Waves at Strong Coupling from an Effective Action” Phys. Rev. Lett. 128, 131101, https://arxiv.org/abs/2110.14442.