Фінські фізики розробили нову теорію квантової гравітації

Двоє фізиків з Університету Аалто у Фінляндії, Мікко Партанен та Юкка Тулккі, можливо, знайшли розв'язання однієї з найскладніших загадок сучасної фізики — як узгодити фізику дуже великих об'єктів із фізикою мікросвіту.

Науковці розробили нову теоретичну структуру, яка розглядає гравітацію — найзагадковішу з чотирьох фундаментальних сил — у межах математичної структури квантової теорії поля. У своїй новій праці вони представили концепцію «об'єднаної гравітації» — калібрувальну теорію, яка розглядає гравітацію на тому самому рівні, що й інші три фундаментальні сили, описані у Стандартній моделі.

Хоча це ще не є довгоочікуваною «теорією всього», запропонована модель є значно конкретнішою, ніж може здатися з її назви. Це експериментально перевірювана, перенормована теорія, яка поєднує гравітацію з квантовою механікою та потенційно розв'язує деякі з найпроблемніших розбіжностей у фізиці.

«Якщо виявиться, що це призведе до повної квантової теорії поля гравітації, то зрештою це дасть відповіді на дуже складні проблеми розуміння сингулярностей у чорних дірах та Великому вибуху», — зазначив Партанен.

Гравітація, як її описав Ейнштейн, є викривленням простору-часу. Це пояснення надзвичайно добре працює у великих масштабах — від падіння яблук до руху планет і галактик. Натомість квантова механіка керує субатомним світом, де частинки рухаються крізь хмари ймовірностей. Квантова теорія поля, яка об'єднує квантову механіку зі спеціальною теорією відносності, є основою Стандартної моделі і досі успішно проходить усі експериментальні перевірки.

Проблема полягає в тому, що ці дві теорії не поєднуються. Математика загальної теорії відносності перестає працювати на мікроскопічних масштабах, де домінують квантові ефекти. Попередні спроби включити гравітацію до Стандартної моделі, включаючи теорію струн та петльову квантову гравітацію, здебільшого не змогли створити експериментально перевірювані передбачення.

Прорив Партанена та Тулккі прийшов не через відкриття нової частинки чи сили, а через нову симетрію. Стандартна модель базується на «калібрувальних теоріях» — математичних структурах, де частинки взаємодіють через поля, що переносять сили, як-от фотони для електромагнетизму. Ці калібрувальні теорії спираються на певні симетрії, такі як групи U (1), SU (2) та SU (3), які визначають, як поля трансформуються за певних операцій.

Ключовою ідеєю фінських фізиків стало описання гравітації за допомогою подібної калібрувальної структури, яка включає чотири одновимірні унітарні симетрії (U (1)×U (1)×U (1)×U (1)), замість нескінченновимірних симетрій простору-часу, що використовуються в загальній теорії відносності.

Для цього вони запровадили новий математичний об'єкт, який назвали полем просторово-часового виміру. Це поле діє як своєрідний міст, дозволяючи розглядати гравітацію подібно до інших квантових сил — як взаємодію на основі симетрії, що передається калібрувальним полем.

Результуюча теорія «об'єднаної гравітації» здатна описувати гравітаційні взаємодії у пласкому просторі — конкретно, у метриці Мінковського, що використовується в спеціальній теорії відносності — без необхідності викривлення простору-часу. Водночас, за певного вибору калібрування, вона точно відтворює рівняння загальної теорії відносності.

Можливо, найважливішим є те, що нова теорія виявляється перенормовуваною, принаймні в першому порядку теорії збурень. Перенормування — це математична процедура в квантовій теорії поля, яка дозволяє фізикам приборкати нескінченні результати, що виникають у їхніх рівняннях при обчисленні взаємодії частинок. Калібрувальні теорії Стандартної моделі є перенормовуваними, тоді як гравітація у своїх звичайних квантових формулюваннях — ні.

Партанен і Тулккі стверджують, що їхній підхід обходить цю проблему. В об'єднаній гравітації нескінченності можуть бути поглинуті скінченною кількістю параметрів — так само, як у квантовій електродинаміці чи квантовій хромодинаміці. Автори підкреслюють, що вони завершили доведення лише для членів першого порядку, а поправки вищих порядків ще потребують перевірки, але налаштовані оптимістично.

Хоча робота є теоретичною та високоматематичною, і поки що немає передбачень, які можна було б перевірити в лабораторії, її наслідки — якщо теорія підтвердиться — є глибокими. Квантова теорія гравітації необхідна для розуміння того, що відбувається всередині чорних дір або що сталося в перші миті після Великого вибуху. Без такої теорії ці космічні екстремуми неможливо пояснити з високою достовірністю.

Наразі автори запрошують широку наукову спільноту перевірити їхню модель, дослідити її наслідки та спробувати розширити її. Якщо об'єднана гравітація витримає майбутні випробування, це може стати наступним великим об'єднанням у фізиці.

Результати дослідження опубліковано в журналі Reports on Progress in Physics.