Фізики наблизились до «Теорії всього» через нове пояснення гравітації

Фізики з Університету Аалто у Фінляндії запропонували новий погляд на гравітацію, який за їх словами, сумісний зі Стандартною моделлю елементарних частинок і може наблизити науковців до так званої «Теорії всього».

Вже довгий час науковці намагаються поєднати між собою загальну теорію відносності, яка описує гравітацію як викривлення простору-часу під дією маси та енергії, з квантовою механікою та квантовою теорією поля, що описує поведінку елементарних частинок та три з чотирьох фундаментальних сил (електромагнітну, слабку та сильну ядерну взаємодії) за рахунок обміну квантами. Ці дві теорії не дуже сумісні між собою.

Спроби застосувати правила квантової механіки до гравітації, або навпаки, додати гравітацію до Стандартної моделі фізики елементарних частинок наштовхуються на математичні парадокси, які не вдається вирішити традиційними методами. У зв’язку з цим фізики Мікко Партанен та Юкка Тулккі запропонували проміжний крок, який може допомогти поєднати ці дві теорії. 

Пропозиція науковців полягає у тому, щоб розглядати гравітацію як калібрувальне поле. Концепція «Калібрувальної теорії» належить до квантової теорії поля, яка описує поведінку елементарних частинок у певному полі. Наприклад, заряджені частинки взаємодіють, здійснюючи обмін фотонами, які представляють собою кванти електромагнітного поля. Це поле і є калібрувальним.

Тобто, частинки мають енергію, а їхня гравітаційна взаємодія має відбуватися через обмін деякими гіпотетичними частинками-переносниками — квантами гравітаційного поля. Особливістю того, що запропонували фінські науковці, є зміщення акценту на симетрію. Стандарта модель фізики елементарних частинок побудована на математичних симетріях. У той же час загальна теорія відносності спирається на симетрію простору-часу. Мікко Партанен та Юкка Тулккі запропонували будувати квантовую теорію гравітації на основі симетрії, схожої на ті, що лягли в основу Стандартної моделі. 

Для чого взагалі це все потрібно? Справа у тому, що існуючі теорії перестають працювати в екстремальних умовах. Наприклад, загальна теорія відносності передбачає, що в центрі чорних дір має бути сингулярність — точка з безкінечними щільністю та кривизною простору-часу. Однак що насправді там відбувається, загальна теорія не пояснює, а квантова механіка також не має відповідного апарату для цього.

Щоб пояснити, що відбувалось у перші миті після Великого вибуху, коли Всесвіт представляв собою поєднання надвисоких енергій та щільностей, а гравітація за силою була рівна іншим видам взаємодії. Тоді квантові ефекти могли відігравати для неї ключову роль. Для того, аби це все зрозуміти науковцям необхідна повноцінна теорія квантової гравітації. Асиметрія матерії та антиматерії: чому наш світ складається з речовини, а антиречовини майже немає, хоча за Великого Вибуху їх мало утворитися порівну? 

При цьому самі науковці визнають, що їхня робота все ще далека від повноцінної теорії квантової гравітації. Математично запропонована фінськими фізиками теорія добре працює у наближенні першого порядку. Однак чи буде вона працювати із більш складними варіантами взаємодії.

Результати дослідження опубліковані у журналі Reports on Progress in Physics

Джерело: ScienceAlert