Более ста лет ключевым вызовом для теоретической физики остаётся создание единой теории, способной объединить гравитацию с тремя другими фундаментальными взаимодействиями: сильным и слабым ядерными силами, а также электромагнетизмом. Основная трудность заключается в кажущейся несовместимости двух великих столпов современной науки — общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающей гравитацию и макромир, и квантовой теории поля, объясняющей поведение элементарных частиц.
Прорыв в этом направлении может быть связан с работой исследователей из Университета Аалто в Финляндии. В статье, опубликованной в журнале Reports on Progress in Physics, учёные Микко Партанен и Юкка Тулкки представили новую теоретическую модель квантовой гравитации. Важно, что их подход сформулирован таким образом, чтобы быть совместимым со Стандартной моделью физики элементарных частиц. Это открывает перспективы для более глубокого понимания происхождения Вселенной и экстремальных астрофизических объектов, таких как чёрные дыры.
По словам ведущего автора Микко Партанена, теоретический фундамент, заложенный в их работе, в ближайшие годы может помочь найти ответы на самые сложные вопросы, волнующие современных физиков.
Обратите внимание: Японцы хотят уничтожать космический мусор с помощью плазменной пушки.
Если предложенная структура разовьётся в полноценную квантовую теорию поля для гравитации, она сможет пролить свет на природу сингулярностей в центрах чёрных дыр или на условия, царившие в первые мгновения после Большого взрыва.Подобные теории, претендующие на последовательное описание всех фундаментальных взаимодействий, часто называют «теорией всего», хотя сам Партанен предпочитает избегать этого громкого термина, подчёркивая предварительный характер работы.
Новый способ понимания гравитации
Ключевым достижением финских исследователей стало описание гравитации в рамках калибровочной теории. В такой теории частицы взаимодействуют через поля, аналогичные тем, что описывают три другие фундаментальные силы. Как поясняет соавтор работы Юкка Тулкки, наиболее известный пример калибровочного поля — электромагнитное, которое отвечает за взаимодействие между заряженными частицами. По аналогии, частицы, обладающие энергией, должны взаимодействовать через гравитационное поле.
В отличие от общей теории относительности, которая опирается на симметрии пространства-времени, новая теория использует тип симметрии, более близкий к симметриям Стандартной модели. Этот подход позволяет включить гравитацию в непротиворечивую квантовую концептуальную схему и преодолеть разрыв между двумя несовместимыми, но экспериментально подтверждёнными картинами мира: квантовой физикой микромира с её вероятностными законами и общей теорией относительности, описывающей движение макроскопических объектов под действием гравитации.
Обе эти концепции блестяще подтверждены многочисленными экспериментами, однако их математические и концептуальные основы до сих пор не удавалось согласовать.
Поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабо по сравнению с другими силами, для обнаружения его квантовых эффектов требуются экстремальные энергетические условия и высочайшая точность измерений. Именно в таких сценариях — например, в окрестностях чёрной дыры или в первые доли секунды после Большого взрыва — теория квантовой гравитации становится абсолютно необходимой.
Партанен и Тулкки, давно интересующиеся фундаментальными вопросами физики, разработали новый подход, основанный на симметрии. Он может ознаменовать начало новой эры в научном понимании, подобно тому, как общая теория относительности когда-то заложила основу для таких технологий, как система глобального позиционирования (GPS), которая сегодня повсеместно используется в наших мобильных устройствах.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.