Новая квантовая теория гравитации делает решающий шаг к долгожданной "Теории Всего"

На горизонте наконец-то появилась единая теория, объединяющая гравитацию с другими фундаментальными силами — электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Включение гравитации в эту систему было целью нескольких поколений физиков, которые пытались преодолеть несовместимость двух краеугольных камней современной физики: квантовой теории поля и теории гравитации Эйнштейна.

Исследователи из Университета Аалто разработали новую квантовую теорию гравитации, которая описывает гравитацию способом, совместимым со стандартной моделью физики частиц, открывая путь к улучшенному пониманию начала Вселенной.

Хотя мир теоретической физики может казаться далеким от прикладных технологий, эти открытия впечатляющи. Современные технологии основаны на таких фундаментальных достижениях — например, GPS в вашем смартфоне работает благодаря теории гравитации Эйнштейна.

Микко Партанен и Юкка Тулкки описывают свою новую теорию в статье, опубликованной в журнале Reports on Progress in Physics. Ведущий автор Партанен ожидает, что в течение нескольких лет эти результаты приведут к важным открытиям.

«Если это приведет к полной квантовой теории поля для гравитации, то в конечном итоге она даст ответы на очень сложные вопросы, такие как понимание сингулярностей в черных дырах и Большом взрыве», — говорит он.

«Теория, которая последовательно описывает все фундаментальные силы природы, часто называется теорией всего», — говорит Партанен, хотя сам он предпочитает избегать этого термина. «Некоторые фундаментальные вопросы физики все еще остаются без ответа. Например, современные теории пока не объясняют, почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антиматерии».

Примирение непримиримого

Ключевым моментом стало нахождение способа описания гравитации в рамках подходящей теории Калибровочной инвариантности — типа теории, в которой частицы взаимодействуют друг с другом через поле.

«Наиболее важное калибровочное поле — это электромагнитное поле. Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это через электромагнитное поле, которое является соответствующим калибровочным полем», — объясняет Тулкки.

«Таким образом, когда у нас есть частицы с энергией, их взаимодействия, обусловленные этой энергией, происходят через гравитационное поле».

Долгое время физики сталкивались с проблемой нахождения калибровочной теории гравитации, совместимой с калибровочными теориями трех других фундаментальных сил — электромагнитной, слабой ядерной и сильной ядерной. Стандартная модель физики частиц — это калибровочная теория, которая описывает эти три силы и обладает определенными симметриями.

«Основная идея заключается в том, чтобы создать калибровочную теорию гравитации с симметрией, аналогичной симметриям стандартной модели, вместо того чтобы основывать теорию на совершенно ином типе пространственно-временной симметрии общей теории относительности», — говорит Партанен, ведущий автор исследования.

Без такой теории физики не могут примирить две наши самые мощные теории — квантовую теорию поля и общую теорию относительности. Квантовая теория описывает мир очень малого — крошечные частицы, взаимодействующие вероятностным образом, — в то время как общая теория относительности описывает более крупный мир знакомых объектов и их гравитационное взаимодействие.

Обе теории подтверждены с необыкновенной точностью, но они несовместимы друг с другом. Более того, поскольку гравитационные взаимодействия слабы, для изучения истинных квантовых эффектов гравитации, выходящих за рамки классической общей теории относительности, требуется больше точности.

«Квантовая теория гравитации необходима для понимания того, какие явления происходят в условиях сильного гравитационного поля и высоких энергий», — говорит Партанен. Такие условия существуют вокруг черных дыр и в очень ранней Вселенной, сразу после Большого взрыва — в областях, где существующие физические теории перестают работать.

Всегда увлеченный большими вопросами физики, Партанен обнаружил новый подход, основанный на симметриях, к теории гравитации и начал развивать эту идею вместе с Тулкки. Полученная работа имеет огромный потенциал для открытия новой эры научного понимания, подобно тому, как понимание гравитации в свое время проложило путь к созданию GPS.

Открытое приглашение научному сообществу

Хотя теория многообещающая, авторы отмечают, что ее доказательство еще не завершено. Теория использует техническую процедуру, известную как перенормировка, — математический способ работы с бесконечностями, которые появляются в расчетах.

На данный момент Партанен и Тулкки показали, что это работает до определенного уровня — для так называемых терминов «первого порядка», — но им нужно убедиться, что бесконечности можно устранить на протяжении всех вычислений.

«Если перенормировка не работает для терминов высшего порядка, вы получите бесконечные результаты. Поэтому крайне важно показать, что перенормировка продолжает работать», — объясняет Тулкки. «Нам еще предстоит завершить полное доказательство, но мы считаем, что с большой вероятностью нам это удастся».

Партанен согласен. Впереди еще есть трудности, говорит он, но со временем и усилиями он ожидает, что они будут преодолены. «Я не могу сказать, когда, но могу сказать, что через несколько лет мы будем знать гораздо больше».

На данный момент они опубликовали теорию в ее текущем виде, чтобы научное сообщество могло ознакомиться с ней, проверить результаты, помочь в ее дальнейшем развитии и использовать ее как основу для новых исследований.

«Как квантовая механика и теория относительности до нее, мы надеемся, что наша теория откроет бесчисленные пути для исследований ученых», — заключает Партанен.