De zoektocht naar een theorie van alles – Wetenschappers hebben Einstein op de proef gesteld

Lang voordat Archimedes suggereerde dat alle voor ons waarneembare verschijnselen door fundamentele principes konden worden begrepen, stelden mensen zich de mogelijkheid voor van een theorie van alles. De afgelopen eeuw zijn natuurkundigen dichter bij het ontrafelen van dit mysterie gekomen. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein biedt een solide basis voor het begrijpen van het universum op grote schaal, terwijl de kwantummechanica ons in staat stelt de werking ervan op subatomair niveau te begrijpen. Het probleem is dat de twee systemen het niet eens zijn over hoe de zwaartekracht werkt.

Tegenwoordig biedt kunstmatige intelligentie nieuwe hoop voor wetenschappers die de enorme computationele uitdagingen aanpakken die gepaard gaan met het ontrafelen van de geheimen van zoiets complex als het universum en alles daarin, zegt Kent Yagi, universitair hoofddocent aan de School of Arts and Graduate Studies van de Universiteit van Virginia. De wetenschap leidt een onderzoekspartnerschap tussen theoretische natuurkundigen en computationele natuurkundigen aan de Universiteit van Virginia, dat nieuw inzicht zou kunnen verschaffen in de mogelijkheid van een theorie van alles, of op zijn minst een beter begrip van de zwaartekracht, een van de fundamentele krachten van het universum . Dit werk leverde hem een ​​carrièresubsidie ​​op van de National Science Foundation, een van de meest prestigieuze prijzen die beschikbaar zijn voor de meest veelbelovende jonge onderzoekers en docenten van het land.

Doorbraken in het observeren van het universum

Eén aspect van Einsteins algemene relativiteitstheorie is dat objecten die door de ruimte bewegen golven genereren, zoals een boot die door water beweegt, maar zelfs als die golven worden gecreëerd door planeten, sterren, sterrenstelsels of zelfs zwarte gaten kunnen ze de sterkst mogelijke zwaartekrachtvelden creëren. , ze zijn nog steeds… Ongelooflijk klein. Het was dus bijna honderd jaar nadat Einstein zijn ideeën voor het eerst publiceerde Zwaartekrachtgolven Er zijn technologische middelen ontwikkeld om deze te monitoren. In 2015 verscheen een programma dat bekend staat als Legoof Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, een van de grootste projecten ooit gefinancierd door de National Science Foundation, heeft voor het eerst zwaartekrachtgolven gedetecteerd, wat leidde tot een Nobelprijs voor natuurkunde voor de projectleiders.

Natuurkundige Kent Yagi, universitair hoofddocent aan de Graduate School of Arts and Sciences van de Universiteit van Virginia, heeft een carrièrebeurs gewonnen van de National Science Foundation, een van de meest prestigieuze prijzen die beschikbaar zijn voor de meest veelbelovende jonge onderzoekers en docenten van het land. Universiteit van Virginia College en Graduate School of Arts and Sciences

“Deze ontdekking was een van de belangrijkste momenten in de natuurkunde van de afgelopen honderd jaar”, zegt Yagi.

Naarmate de technologie die nodig is om subatomaire verschijnselen waar te nemen zich heeft ontwikkeld, is ook de rekenkracht toegenomen die nodig is om de enorme hoeveelheden gegevens te verwerken die astronomen over het universum verzamelen. Naast nieuwe ontwikkelingen in Machinaal leren Kunstmatige intelligentie heeft wetenschappers de afgelopen jaren in staat gesteld complexe wiskundige modellen te creëren en te testen die de verschijnselen die zij waarnemen beschrijven in een tempo dat ooit onvoorstelbaar was.

Yaghi bestudeert enorme zwaartekrachtsgolven die worden gegenereerd door paren zwarte gaten en binaire neutronensterren – enkele van de dichtste objecten in het universum en die volgens Yaghi tot 1013 keer sterker zijn dan een typische koelkastmagneet – en gebruikt deze verschijnselen om de theorieën van Einstein te testen over zwaartekracht en fundamentele wetten onderzoeken, tot kernfysica op zoek naar informatie die de kloof tussen Einsteins theorie en de kwantummechanica zou kunnen helpen oplossen.

Onderwijsfinanciering en outreach

De CAREER-subsidie, die de komende vijf jaar 400.000 dollar aan financiering voor het college zal opleveren, zal kansen bieden aan huidige en toekomstige studenten die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen en toepassen van machine learning-algoritmen die zwaartekrachtsgolfobservaties zullen helpen verklaren en voorspellen en ons een dieper inzicht zullen geven. begrip. Het gedrag van de zwaartekracht begrijpen.

Zodra de computationele algoritmen zijn verfijnd – een proces dat minder dan een paar weken zou moeten duren – zei Yaghi dat zijn team de door LIGO verzamelde gegevens zal kunnen verwerken om de theorie van Einstein 100 keer sneller te testen.

“De hoeveelheid ruimte die we kunnen doorzoeken naar die gegevens zal vertienvoudigen”, zegt Yagi.

Een van de vereisten van de CAREER Award is dat de ontvangers ook educatieve en gemeenschapsprojecten in hun werk inbouwen, en een deel van de financiering zal werkgelegenheid creëren voor studenten die met Yagi zullen samenwerken om educatieve programma's te ontwikkelen voor middelbare scholieren die geïnteresseerd zijn in natuurkunde. , waarvan Yagi hoopt dat het de volgende generatie CAREER-winnende wetenschappers zal inspireren.

De uitdaging van het bewijzen van theorieën

Hoeveel dichter zal dit ons bij de theorie van alles brengen?

“Er moeten nog veel problemen worden opgelost”, zei Yaghi. “Ik hoop dat nog tijdens mijn leven te zien, maar ik wil niet te optimistisch zijn.”

“Het bewijzen van de theorie is bijna onmogelijk”, legde Yaghi uit. “Er zal altijd sprake zijn van meetfouten in elk experiment, maar we zullen blijven proberen om te zien of we enig bewijs vinden dat de algemene relativiteitstheorie weerlegt. Tegelijkertijd blijven we ontdekken hoe mooi en waar het eruit ziet.”

Yaghi's werk en de aandacht die hij krijgt, worden geprezen door collega's en leiders van de Universiteit van Virginia.

“Er is de laatste tijd een grote stap gezet in de richting van een beter begrip van zwaartekrachtgolven, niet alleen als een theoretische voorspelling of concept, maar ook om ze direct te kunnen detecteren”, zegt Phil Arras, voorzitter van de afdeling astronomie van de Universiteit van Virginia. “Deze inspanning heeft een heel nieuw venster op het universum geopend en ons een nieuwe manier gegeven om onze theorieën over hoe sterren evolueren te verifiëren. Kents onderzoek is erg belangrijk geweest voor ons begrip hiervan.”

Despina Lucca, voorzitter van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Virginia, beschreef Yaghi als een zeer gerespecteerde astrofysicus met een uitgebreid onderzoeksportfolio.

“Kent is een boeiende leraar en een veelgevraagd mentor, wiens werk een enorme invloed heeft gehad op vele disciplines van de natuurkunde,” voegde Luca eraan toe. “Hij maakt de weg vrij voor het gebruik van machinaal leren om de algemene relativiteitstheorie te testen terwijl hij de astrofysische eigenschappen van neutronensterren onderzoekt, en zijn werk met studenten van de Universiteit van Virginia bij het bouwen van online games die onderzoek en onderwijs integreren, zal jonge mensen over de hele wereld inspireren.”

“Het werk van professor Yagi is uitstekend en we zijn er trots op hem op onze faculteit te hebben, niet alleen vanwege de erkenning die hij heeft gekregen terwijl hij de grenzen van ons begrip van het universum verlegt, maar ook vanwege zijn inzet voor innovatie in STEM-onderwijs,” zei Christa Acampora, decaan van het college en de Graduate School of Arts and Sciences.