Хотя попытки объединить квантовую теорию и гравитацию десятилетиями терпели неудачу, ученые продолжают выдвигать новые, порой крайне спорные гипотезы. Авторы нового исследования, например, предложили посмотреть на гравитацию так же, как на другие фундаментальные силы природы — через симметрии и поля.
Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства-времени — геометрическую картину, призванную объяснить движение и взаимодействие таких крупных объектов, как планеты, звезды и другие небесные тела. Квантовая механика, напротив, описывает мироздание на примере атомов и субатомных частиц, опираясь на вероятности и дискретные состояния. Каждая из этих теорий прекрасно работает по отдельности, однако все попытки свести их к единому знаменателю обернулись парадоксами и математическими бесконечностями.
Считается, что объединение теорий может решить ряд фундаментальных проблем современной науки, включая загадку космологической постоянной и сингулярности в момент Большого взрыва. Альберт Эйнштейн, как известно, работал над теорией всего до конца своих дней, но успеха, к сожалению, не достиг. Многие современные физики, однако, полагают, что объединить квантовую механику и ОТО в одну теорию невозможно, да и не нужно: например, проблемы космологической постоянной и сингулярности вполне решаются и в рамках одной лишь ОТО.
Тем не менее авторы нового исследования, опубликованного в журнале Reports on Progress in Physics, предложили посмотреть на гравитацию как на калибровочную теорию с четырьмя U(1)-симметриями — по аналогии с электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиями (фундаментальными силами природы).
Теоретическая модель под названием «унифицированная гравитация» призвана дополнить геометрическую картину Эйнштейна компактной и квантово-«дружелюбной» структурой. Ключевую роль в ней играет так называемое поле размерности пространства-времени (space-time dimension field) — скалярное поле, выступающее связующим звеном между внутренними симметриями Стандартной модели и ОТО.
В отличие от классической теории гравитации, где пространство-время предстает как динамическая структура, поле размерности пространства-времени представляет собой дополнительную «степень свободы», взаимодействующую с другими полями через симметрии U(1) — один из самых простых и фундаментальных видов симметрий в теоретической физике.
Именно с ее помощью Микко Партанен (Mikko Partanen) и Юкка Тулкки (Jukka Tulkki) из Университета Аалто (Финляндия) смогли построить калибровочную модель гравитации (unified gravity) без искривленного пространства. Вычисления в рамках модели показали, что теория потенциально лишена бесконечностей, обычно мешающих объединению и характерных для других моделей квантовой гравитации. Еще физики разработали «правила» для гравитона — гипотетического кванта гравитации, взаимодействующего с другими частицами, что сделало их работу амбициозной заявкой на создание теории всего.
Но есть и проблемы. Во-первых, модель не подкреплена данными наблюдений, способными подтвердить или опровергнуть ее предположения. Во-вторых, на текущем этапе структура с несколькими U(1)-симметриями и дополнительными полями едва ли поддается математическому анализу. В-третьих, совместимость с ОТО и Стандартной моделью при экстремальных условиях по-прежнему не ясна. Значит, несмотря на нововведения и радикальный взгляд на устройство Вселенной, предложение финских ученых, хотя и весьма интересное, остается сугубо гипотетическим.