Гравитация повсюду: тянет вас за ноги, удерживает спутники на орбите и заставляет Землю вращаться вокруг Солнца. Тем не менее, несмотря на всю свою известность, гравитация остается одной из самых неразрешимых загадок физики. Мы знаем, что она делает. Мы на самом деле не знаем, что это такое .
Теперь пара финских исследователей полагает, что они могут быть ближе к ответу — и, возможно, к долгожданной Теории Всего . Их новый взгляд на гравитацию может наконец помочь физикам преодолеть зияющую пропасть между общей теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой, двумя великими научными структурами, которые в настоящее время отказываются уживаться. Все начинается со смелого переосмысления того, что такое гравитация на самом деле.
Две теории входят в лабораторию…
На протяжении более века физики жонглировали двумя невероятно успешными, но принципиально разными теориями. С одной стороны: общая теория относительности , шедевр Эйнштейна. Она описывает гравитацию как искривление самого пространства-времени массивными объектами. Она объясняет планетарные орбиты, черные дыры, гравитационные волны, все это с потрясающей точностью.
С другой стороны: квантовая механика , набор правил, управляющих странным поведением частиц в субатомных масштабах. Электроны, фотоны и кварки танцуют под квантовые ритмы, и эта теория управляет всем, от лазеров до смартфонов.
Проблема? Сложите эти два понятия вместе — эй, внутри черной дыры — и математика растает. Они просто не смешиваются. Десятилетиями ученые пытались разработать теорию квантовой гравитации , чтобы все это осмыслить. Теория струн, петлевая квантовая гравитация, дополнительные измерения — идеи ошеломляют, но доказательство остается неуловимым. Вот тут-то и появляется финская команда.
Университет Аалто предлагает более простой подход
Исследователи Матти Партанен и Микко Тулкки из финского Университета Аалто поражают воображение новым подходом. Они предложили новую калибровочную теорию гравитации — ту, которая придерживается знакомых правил Стандартной модели физики элементарных частиц и не требует от нас представлять струны, вибрирующие в десяти измерениях.
Их основная идея: гравитация может не быть какой-то космической кривизной пространства-времени. Вместо этого она может возникнуть из тех же типов квантовых полевых взаимодействий , которые управляют электричеством, магнетизмом и ядерными силами.
В их модели гравитация — это эффект — результат того, как частицы обмениваются энергией и импульсом в квантовой структуре. Думайте об этом не как о искривлении пространства-времени, а скорее как о частицах, вежливо балансирующих своими книгами. Другими словами: никакого искривления, просто бухгалтерия.
Большинство теорий квантовой гравитации добавляют множество экзотических особенностей: неизвестные частицы, дополнительные силы или совершенно новые измерения. Версия Партанена и Тулкки остается обоснованной. Она использует ту же физику, которую мы уже знаем, но реорганизует математику, чтобы приспособить гравитацию как калибровочное взаимодействие , тип полевой силы, которая уже используется для описания электромагнетизма.
Вот что отличает это. Это не попытка изобрести велосипед. Это просто переподключение концентратора. Если их теория подтвердится, это может послужить долгожданным мостом между квантовым миром и космосом — то, за чем гонялся сам Эйнштейн, но так и не поймал.
Как и большинство теорий квантовой гравитации, эта в настоящее время является математической — доказательством концепции. Но она внутренне непротиворечива, не нарушает того, что мы уже знаем, и открывает дверь для проверяемых предсказаний. Последняя часть имеет решающее значение. Чтобы перейти от теории к общепринятой науке, ей нужно будет предсказать что-то, что мы можем наблюдать, но не могут текущие модели. Тем не менее, это больше, чем пустые домыслы. Это серьезная попытка построить квантовую гравитацию с нуля.
Изменение в наших представлениях о гравитации
Эта идея также затрагивает растущую тенденцию в физике: представление о том, что гравитация может вообще не быть фундаментальной силой. Некоторые ученые полагают, что она может быть эмерджентной , побочным эффектом более глубоких квантовых правил. Если это так, то гравитация не является встроенной чертой реальности: это своего рода космическая иллюзия, созданная взаимодействием более мелких частей.
Это немного похоже на открытие того, что тепло само по себе не существует — это просто колебание частиц. Точно так же гравитация может быть тем, что происходит, когда все остальное во вселенной складывается.
Забудьте о яблоках, падающих на голову Ньютона. Реальная история может заключаться в квантовых полях, тихо работающих за кулисами.
Для концепции, которую мы считали понятной ( «вещи падают» ), гравитация продолжает нас удивлять. И с этой последней работой, похоже, что сила, которая удерживает наши ноги на земле, на самом деле может быть создана из чего-то гораздо менее приземленного.
«Квантовая теория гравитации необходима для понимания того, какие явления происходят в случаях, когда есть гравитационное поле и высокие энергии», — говорит Партанен. Это условия вокруг черных дыр и в самой ранней Вселенной, сразу после Большого взрыва — области, где существующие теории в физике перестают работать.
Всегда увлеченный очень большими вопросами физики, он открыл новый подход к теории гравитации, основанный на симметрии, и начал развивать эту идею дальше с Тулкки. Полученная работа имеет большой потенциал для открытия совершенно новой эры научного понимания, во многом так же, как понимание гравитации проложило путь к созданию GPS.
Открытое приглашение в научное сообщество
Хотя теория многообещающая, дуэт отмечает, что они еще не завершили ее доказательство. Теория использует техническую процедуру, известную как перенормировка, математический способ работы с бесконечностями, которые появляются в вычислениях. Пока что Партанен и Тулкки показали, что это работает до определенной точки — для так называемых членов «первого порядка», — но им нужно убедиться, что бесконечностей можно избежать на протяжении всего вычисления. «Если перенормировка не работает для членов более высокого порядка, вы получите бесконечные результаты. Поэтому жизненно важно показать, что эта перенормировка продолжает работать», — объясняет Тулкки. «Нам еще предстоит сделать полное доказательство, но мы считаем, что весьма вероятно, что мы добьемся успеха».
Партанен соглашается. По его словам, впереди еще много трудностей, но он ожидает, что со временем и усилиями они будут преодолены. «Я не могу сказать, когда, но могу сказать, что через несколько лет мы узнаем об этом гораздо больше».
На данный момент они опубликовали теорию в ее нынешнем виде, чтобы остальное научное сообщество могло с ней ознакомиться, проверить ее результаты, помочь в ее дальнейшем развитии и дополнить ее.
«Мы надеемся, что наша теория, как и квантовая механика и предшествовавшая ей теория относительности, откроет ученым бесчисленные возможности для исследований», — заключает Партанен.
Научная статья: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/adc82e
Новости: