Единая теория, объединяющая гравитацию с другими фундаментальными силами — электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями, — стала реальностью. Привлечение гравитации в свои ряды было целью многих поколений физиков, которые пытались примирить несовместимость двух краеугольных камней современной физики: квантовой теории поля и теории гравитации Эйнштейна. Исследователи из Университета Аалто разработали новую квантовую теорию гравитации, которая описывает гравитацию таким образом, что она совместима со стандартной моделью физики элементарных частиц, открывая путь к более глубокому пониманию того, как возникла Вселенная.

Хотя мир теоретической физики может показаться далёким от прикладных технологий, результаты исследований впечатляют. Современные технологии основаны на таких фундаментальных достижениях — например, GPS в вашем смартфоне работает благодаря теории гравитации Эйнштейна. Микко Партанен и Юкка Тулки описывают свою новую теорию в статье, опубликованной в журнале "Доклады о прогрессе в физике". Ведущий автор Партанен ожидает, что в течение нескольких лет результаты исследований позволят получить критическое понимание.

Если это приведёт к созданию полной квантовой теории поля гравитации, то в конечном итоге это даст ответы на очень сложные вопросы о сингулярностях в чёрных дырах и Большом взрыве. Теория, которая последовательно описывает все фундаментальные силы природы, часто называется теорией всего.

Микко Партанен, ведущий автор исследования

Эксперт пояснил, что некоторые фундаментальные вопросы физики до сих пор остаются без ответа. Например, существующие теории пока не объясняют, почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антиматерии.

Примирение непримиримого

Ключевым моментом было найти способ описать гравитацию в подходящей калибровочной теории — своего рода теории, в которой частицы взаимодействуют друг с другом посредством поля. Юкка Тулки указал на то, что ниболее знакомое калибровочное поле — это электромагнитное поле. Когда электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они взаимодействуют посредством электромагнитного поля, которое является соответствующим калибровочным полем".

Таким образом, когда у нас есть частицы, обладающие энергией, взаимодействия, которые они испытывают только потому, что обладают энергией, происходят через гравитационное поле.

Юкка Тулки, автор рисследования

Перед физиками уже давно стоит задача найти калибровочную теорию гравитации, которая была бы совместима с калибровочными теориями трёх других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного.Стандартная модель физики элементарных частиц — это калибровочная теория, описывающая эти три взаимодействия, и она обладает определёнными симметриями.

Основная идея состоит в том, чтобы создать калибровочную теорию гравитации с симметрией, аналогичной симметриям стандартной модели, вместо того, чтобы основывать теорию на совершенно ином типе пространственно-временной симметрии общей теории относительности.

Микко Партанен, ведущий автор исследования

Без такой теории физики не смогут объединить две наши самые мощные теории — квантовую теорию поля и общую теорию относительности. Квантовая теория описывает мир очень маленьких частиц, взаимодействующих вероятностным образом, а общая теория относительности описывает более крупный мир знакомых нам объектов и их гравитационное взаимодействие.

Это описания нашей Вселенной с разных точек зрения, и обе теории были подтверждены с исключительной точностью, но они несовместимы друг с другом. Кроме того, поскольку гравитационные взаимодействия слабы, для изучения реальных эффектов квантовой гравитации, выходящих за рамки общей теории относительности, которая является классической теорией, требуется более высокая точность. Ученые говорят  о том, что квантовая теория гравитации необходима для понимания того, какие явления происходят в случаях, когда есть гравитационное поле и высокие энергии. Таковы условия вокруг чёрных дыр и в очень ранней Вселенной, сразу после Большого взрыва, — области, где существующие физические теории перестают работать.

Всегда интересовавшийся фундаментальными вопросами физики, он открыл новый подход к теории гравитации, основанный на симметрии, и начал развивать эту идею вместе с Тулки. Получившаяся в результате работа обладает огромным потенциалом для открытия совершенно новой эры научного понимания, подобно тому, как понимание гравитации проложило путь к созданию GPS.

Хотя теория многообещающая, дуэт отмечает, что они ещё не завершили её доказательство. В теории используется техническая процедура, известная как перенормировка, — математический способ работы с бесконечностями, которые появляются в расчётах. Пока что Партанен и Тулки показали, что это работает до определённого момента — для так называемых "членов первого порядка", — но им нужно убедиться, что бесконечности можно устранить на протяжении всего расчёта.

Если перенормировка не сработает для членов более высокого порядка, вы получите бесконечные результаты. Поэтому важно показать, что эта перенормировка продолжает работать.

Юкка Тулки, автор рисследования

На данный момент специалисты опубликовали теорию в том виде, в котором она существует, чтобы научное сообщество могло ознакомиться с ней, проверить результаты, помочь в её дальнейшем развитии и опираться на неё. Партанен заметил, что как и квантовая механика и теория относительности до неё, авторы научной работы надеются, что наша теория откроет учёным множество новых возможностей для исследований.

Дизайн "магнитных бутылок" предлагает решение сложной задачи по термоядерному синтезу, над которой бились 70 лет.

Фото: Aalto University