Физики приблизились к «Теории всего» за счет нового объяснения гравитации

Физики из Университета Аалто в Финляндии предложили новый взгляд на гравитацию, который по их словам, совместим со Стандартной моделью элементарных частиц и может приблизить ученых к так называемой «Теории всего».

Уже долгое время ученые пытаются объединить между собой общую теорию относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени под действием массы и энергии, с квантовой механикой и квантовой теорией поля, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных сил (электромагнитное, слабое и сильное ядерное взаимодействия) за счет обмена квантами. Эти две теории не очень совместимы между собой.

Попытки применить правила квантовой механики к гравитации, или наоборот, добавить гравитацию к Стандартной модели физики элементарных частиц наталкиваются на математические парадоксы, которые не удается решить традиционными методами. В связи с этим физики Микко Партанен и Юкка Тулкки предложили промежуточный шаг, который может помочь объединить эти две теории.

Предложение ученых заключается в том, чтобы рассматривать гравитацию как калибровочное поле. Концепция «Калибровочной теории» относится к квантовой теории поля, которая описывает поведение элементарных частиц в определенном поле. Например, заряженные частицы взаимодействуют, осуществляя обмен фотонами, которые представляют собой кванты электромагнитного поля. Это поле и является калибровочным.

То есть, частицы имеют энергию, а их гравитационное взаимодействие должно происходить через обмен некоторыми гипотетическими частицами-переносчиками — квантами гравитационного поля. Особенностью того, что предложили финские ученые, является смещение акцента на симметрию. Стандартная модель физики элементарных частиц построена на математических симметриях. В то же время общая теория относительности опирается на симметрию пространства-времени. Микко Партанен и Юкка Тулкки предложили строить квантовую теорию гравитации на основе симметрии, похожей на те, что легли в основу Стандартной модели.

Для чего вообще это все нужно? Дело в том, что существующие теории перестают работать в экстремальных условиях. Например, общая теория относительности предполагает, что в центре черных дыр должна быть сингулярность — точка с бесконечными плотностью и кривизной пространства-времени. Однако что на самом деле там происходит, общая теория не объясняет, а квантовая механика также не имеет соответствующего аппарата для этого.

Чтобы объяснить, что происходило в первые мгновения после Большого взрыва, когда Вселенная представляла собой сочетание сверхвысоких энергий и плотностей, а гравитация по силе была равна другим видам взаимодействия. Тогда квантовые эффекты могли играть для нее ключевую роль. Для того, чтобы это все понять ученым необходима полноценная теория квантовой гравитации. Асимметрия материи и антиматерии: почему наш мир состоит из вещества, а антивещества почти нет, хотя при Большом Взрыве их должно было образоваться поровну?

При этом сами ученые признают, что их работа все еще далека от полноценной теории квантовой гравитации. Математически, предложенная финскими физиками теория, хорошо работает в приближении первого порядка. Однако будет ли она работать с более сложными вариантами взаимодействия.

Результаты исследования опубликованы в журнале Reports on Progress in Physics

Источник: ScienceAlert