Науковці розробили нову теорію квантової гравітації для об'єднання фундаментальних сил

Дослідники з Університету Аалто здійснили потенційно революційний прорив у теоретичній фізиці, розробивши новий підхід до розуміння гравітації. Їхня теорія, названа «об'єднаною гравітацією», може розв'язати одну з найскладніших проблем фізики — узгодження теорії гравітації Ейнштейна з квантовими теоріями поля, які описують інші фундаментальні сили природи.

Мікко Партанен та Юкка Тулккі, автори дослідження, опублікованого в журналі Reports on Progress in Physics, пояснюють: «Нашою метою було максимально наблизити калібрувальну теорію гравітації до калібрувальної теорії Стандартної моделі».

На відміну від попередніх спроб квантування гравітації, які спиралися на некомпактні, нескінченновимірні симетрії, об'єднана гравітація використовує компактні, скінченновимірні симетрії, відомі як U (1) калібрувальні симетрії. Цей підхід відображає математичну структуру, яка успішно описує електромагнетизм та сильні й слабкі ядерні взаємодії.

Основа теорії ґрунтується на новому розумінні того, як сам простір-час виникає з квантових полів. Науковці запровадили поняття «поля просторово-часового виміру», яке дозволяє отримати чотиривимірні просторово-часові величини з восьмивимірних математичних структур, відомих як спінори.

Однією з найцікавіших особливостей теорії є те, що вона не вводить жодних нових вільних параметрів, окрім фізичних констант, які вже визначені попередніми експериментами. Ця властивість відрізняє її від інших запропонованих теорій квантової гравітації, таких як теорія струн, які зазвичай містять численні неперевірені параметри.

«Теорія виражена через відомі фізичні константи, і всі результати є кількісними та можуть бути безпосередньо порівняні з результатами можливих майбутніх лабораторних експериментів чи астрономічних спостережень», — зазначають дослідники.

Класична межа об'єднаної гравітації еквівалентна тому, що фізики називають «телепаралельним еквівалентом загальної теорії відносності», що означає її узгодженість з усіма встановленими спостереженнями та експериментами, які підтвердили теорію відносності Ейнштейна. Це включає прецесію орбіти Меркурія, викривлення світла навколо Сонця та нещодавні вимірювання гравітаційних хвиль.

Можливо, найважливішим є те, що дослідники показали: їхня теорія є перенормовуваною на квантовому рівні, принаймні до першого порядку в теорії збурень. Перенормовуваність була постійною перешкодою для попередніх теорій квантової гравітації, оскільки вона визначає, чи може теорія надавати змістовні передбачення на всіх енергетичних масштабах без появи математичних нескінченностей, які унеможливлюють обчислення.

Професор Тулккі наголосив, що їм все ще потрібно розширити доведення перенормовуваності на всі порядки, але послідовна математична структура теорії переконливо свідчить про те, що це має бути можливим. «Безрозмірна константа зв'язку об'єднаної гравітації переконливо вказує на те, що теорія є перенормовуваною», — пояснив він.

Окрім розв'язання теоретичних проблем, об'єднана гравітація може зрештою допомогти відповісти на глибокі питання про найекстремальніші середовища Всесвіту, такі як внутрішні частини чорних дір та перші миті після Великого вибуху.

Теорія також робить конкретні передбачення про те, як гравітація модифікувала б квантові ефекти, які можна перевірити експериментально. Наприклад, дослідники обчислили, як гравітаційні взаємодії сприяли б корекціям у потенціалі Кулона, магнітному моменті електронів і навіть розсіюванні елементарних частинок.

Хоча математичні основи виглядають багатообіцяючими, дослідники визнають, що залишаються значні виклики. Прогрес у галузі обмежений відсутністю експериментальних даних щодо квантової гравітації через слабкість гравітаційної взаємодії. Проте з розвитком експериментальних методів у найближчі роки можуть з'явитися можливості перевірити деякі передбачення теорії.

«Після розширення доведення перенормовуваності теорії на всі порядки та отримання подальшого розуміння непертурбативного режиму теорії, фізики можуть нарешті отримати довгоочікуваний інструмент для дослідження інтенсивних гравітаційних полів у чорних дірах та на можливому початку часу», — підсумовують дослідники.