Исследователи из Университета Аалто разработали новую квантовую теорию гравитации, которая описывает гравитацию способом, совместимым со стандартной моделью физики элементарных частиц, открывая путь к лучшему пониманию того, как возникла Вселенная. Хотя мир теоретической физики может показаться далеким от применимых технологий, полученные результаты замечательны. 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, только что опубликованной в журнале Reports on Progress in Physics. Ведущий автор Партанен ожидает, что в течение нескольких лет полученные результаты приведут к критическому пониманию.

"Если окажется, что это приведет к созданию полной квантовой теории поля гравитации, то в конечном итоге это даст ответы на очень сложные проблемы понимания сингулярностей в черных дырах и Большого взрыва", - говорит он.

"Теорию, которая последовательно описывает все фундаментальные силы природы, часто называют теорией всего", - говорит Партанен, хотя сам он не любит употреблять этот термин. "Некоторые фундаментальные вопросы физики до сих пор остаются без ответа. Например, существующие теории пока не объясняют, почему в наблюдаемой вселенной больше материи, чем антивещества.'

Примирение непримиримого

Ключевым моментом было найти способ описать гравитацию в подходящей калибровочной теории - своего рода теории, в которой частицы взаимодействуют друг с другом через поле. "Наиболее знакомым измерительным полем является электромагнитное поле. Когда электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они взаимодействуют через электромагнитное поле, которое является соответствующим калибровочным полем", - объясняет Тулкки. "Итак, когда у нас есть частицы, обладающие энергией, взаимодействия, которые они имеют только потому, что у них есть энергия, будут происходить через гравитационное поле".

Задача, давно стоящая перед физиками, состоит в том, чтобы найти калибровочную теорию гравитации, совместимую с калибровочными теориями трех других фундаментальных взаимодействий - электромагнитного взаимодействия, слабого ядерного взаимодействия и сильного ядерного взаимодействия. Стандартная модель физики элементарных частиц - это калибровочная теория, которая описывает эти три силы, и она обладает определенными симметриями. "Основная идея состоит в том, чтобы создать гравитационную калибровочную теорию с симметрией, подобной симметриям стандартной модели, вместо того, чтобы основывать теорию на совершенно ином виде пространственно-временной симметрии общей теории относительности", - говорит Партанен, ведущий автор исследования.

Без такой теории физики не смогут согласовать две наши самые мощные теории - квантовую теорию поля и общую теорию относительности. Квантовая теория описывает мир очень малых - крошечных частиц, взаимодействующих вероятностным образом, - в то время как общая теория относительности описывает более плотный мир знакомых объектов и их гравитационное взаимодействие. Это описания нашей Вселенной с разных точек зрения, и обе теории были подтверждены с необычайной точностью, однако они несовместимы друг с другом. Более того, поскольку гравитационные взаимодействия слабы, требуется большая точность для изучения истинных эффектов квантовой гравитации, выходящих за рамки общей теории относительности, которая является классической теорией.

"Квантовая теория гравитации необходима, чтобы понять, какие явления происходят в тех случаях, когда существует гравитационное поле и высокие энергии", - говорит Партанен. Таковы условия вокруг черных дыр и в самой ранней Вселенной, сразу после Большого взрыва - области, где существующие физические теории перестают работать.

Всегда очарованный очень важными вопросами физики, он открыл новый подход к теории гравитации, основанный на симметрии, и начал развивать эту идею дальше вместе с Тулкки. Получившаяся в результате работа обладает огромным потенциалом для открытия совершенно новой эры научного понимания, во многом так же, как понимание гравитации проложило путь к созданию GPS.

Открытое приглашение научному сообществу

Хотя теория многообещающая, дуэт отмечает, что они еще не завершили ее доказательство. Теория использует техническую процедуру, известную как перенормировка, математический способ работы с бесконечностями, которые обнаруживаются в вычислениях. До сих пор Партанен и Тулкки показывали, что это работает до определенного момента - для так называемых членов "первого порядка", - но им нужно убедиться, что бесконечности могут быть устранены на протяжении всего вычисления. "Если перенормировка не сработает для членов более высокого порядка, вы получите бесконечные результаты. Поэтому жизненно важно показать, что эта перенормировка продолжает работать", - объясняет Тулкки. "Нам все еще предстоит представить полное доказательство, но мы считаем, что очень вероятно, что у нас все получится".

Партанен согласен с этим. По его словам, впереди все еще есть проблемы, но он ожидает, что со временем и усилиями они будут преодолены. "Я не могу сказать, когда, но могу сказать, что через несколько лет мы узнаем об этом гораздо больше".

На данный момент они опубликовали теорию в ее нынешнем виде, чтобы остальная часть научного сообщества могла ознакомиться с ней, проверить ее результаты, помочь в ее дальнейшем развитии и опираться на нее.

"Подобно квантовой механике и предшествующей ей теории относительности, мы надеемся, что наша теория откроет перед учеными бесчисленные возможности для исследований", - заключает Партанен.