Самой сложной задачей теоретической физики вот уже более века является разработка единой теории, объединяющей гравитацию и три другие фундаментальные силы Вселенной: сильные и слабые ядерные силы, а также электромагнетизм. Физики пытались, но не смогли объединить два, казалось бы, несовместимых столпа современной науки: общую теорию относительности и квантовую теорию поля.
Новое открытие, сделанное исследователями из Университета Аалто в Финляндии, может стать поворотным пунктом в этих поисках. В недавно опубликованной статье в журнале Reports on Progress in Physics ученые Микко Партанен и Юкка Тулкки представляют новую квантовую теорию гравитации, которая сформулирована таким образом, что совместима со Стандартной моделью физики частиц. Это предложение открывает путь к более полному пониманию происхождения Вселенной и таких экстремальных явлений, как черные дыры.
По словам Партанена, ведущего автора исследования, возможно, что уже через несколько лет основы этой теории позволят разгадать важнейшие вопросы, которые до сих пор ставили под сомнение даже самые блестящие умы современной физики. Если эта теоретическая база закрепится в качестве полной квантовой теории поля для гравитации, она сможет дать ответы на такие сложные загадки, как природа сингулярностей, присутствующих в черных дырах, или условия существования Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва.
Хотя Партанен предпочитает избегать этого термина, такой тип теории, направленный на последовательное описание всех фундаментальных сил природы, часто называют Теорией всего.
Главный прорыв финских исследователей заключается в том, что они придумали формулировку гравитации как калибровочной теории — типа теории, в которой частицы взаимодействуют друг с другом через поле, подобное тем, что используются для описания трех других фундаментальных сил. Как объясняет Юкка Тулкки, наиболее знакомым калибровочным полем является электромагнитное поле, которое опосредует взаимодействие между частицами с электрическим зарядом. Точно так же, если мы рассматриваем частицы, обладающие энергией, то взаимодействия, возникающие из-за этой энергии, должны происходить через гравитационное поле.
В отличие от симметрии пространства-времени, принятой в общей теории относительности, новая теория использует симметрию, более близкую к симметрии Стандартной модели, поскольку позволяет включить гравитацию в последовательную квантовую концептуальную структуру и преодолеть разрыв между двумя несовместимыми, но верными представлениями о Вселенной: представлением квантовой физики о мире бесконечно малых частиц и вероятностных явлений и представлением общей теории относительности, описывающей движение макротел в присутствии гравитации.
Обе концепции были проверены во многих экспериментах с удивительной точностью, но оставались несовместимыми в своих математических и концептуальных структурах.
Поскольку гравитационное взаимодействие значительно слабее других сил, обнаружение квантовых эффектов в гравитации требует экстремальных условий по энергии и точности. Именно в таких сценариях — например, в окрестностях черных дыр или на ранних этапах существования Вселенной — квантовая теория гравитации становится незаменимой.
Партанен, давно увлеченный великими вопросами физики, вместе с Тулкки разработал новый подход, основанный на симметриях, который может открыть новую эру научного понимания, подобно тому, как общая теория относительности заложила основу для таких технологических приложений, как система глобального позиционирования (GPS), которая теперь повсеместно используется в наших мобильных телефонах.