Fizycy opracowali nowe podejście do rozwiązywania jednego z najbardziej uporczywych problemów w fizyce teoretycznej: łączenie grawitacji ze światem kwantowym.
W ostatnim artykule opublikowanym w czasopiśmie Raporty na temat postępów w fizycenaukowcy przedstawiają przeformułowanie grawitacji, które mogłyby prowadzić do w pełni kompatybilnego z kwantą opis Teoria strun.
Sercem propozycji jest przemyślenie tego, jak grawitacja zachowuje się na podstawowym poziomie. Podczas gdy wszystkie siły elektromagnetyczne, słabe i silne są opisywane przy użyciu teorii pola kwantowego-ramy matematycznej, które zawiera niepewność i dualność cząstki fali- powaga Pozostaje wartości odstające. Ogólna względnośćTeoria grawitacji Einsteina, jest czysto klasyczną teorią, która opisuje grawitację jako wypaczenie geometrii czasoprzestrzennej przez masę i energię. Ale próby połączenia teorii kwantowej z ogólną względnością często napotykają śmiertelne niespójności matematyczne, takie jak nieskończone prawdopodobieństwa.
Nowe podejście ponownie interpretuje pole grawitacyjne w sposób odzwierciedlający strukturę znanych teorii pola kwantowego. „Kluczowym odkryciem jest to, że nasza teoria zapewnia nowe podejście do grawitacji kwantowej w sposób, który przypomina sformułowanie innych podstawowych interakcji modelu standardowego”, powiedział współautor badań Mikko Partanen, fizyk na Uniwersytecie Aalto w Finlandii, w wiadomości e-mail.
Zamiast zakrzywionej czasu przestrzeni, w grawitacji w ich modelu pośredniczy cztery powiązane pola, z których każdy jest podobny do pola regulującego elektromagnetyzm. Te pola reagują na masę w taki sam sposób, jak pola elektryczne i magnetyczne reagują na ładunek i prąd. Również wchodzą w interakcje ze sobą i z pola Model standardowy W sposób, który odtwarza ogólną względność na poziomie klasycznym, jednocześnie umożliwiając konsekwentne włączanie efektów kwantowych.
Ponieważ nowy model odzwierciedla strukturę dobrze ustalonych teorii kwantowych, omija problemy matematyczne, które historycznie utrudniały wysiłki w celu kwantyzacji ogólnej względności. Według autorów ich ramy wytwarzają dobrze zdefiniowaną teorię kwantową, która pozwala uniknąć wspólnych problemów-takich jak niesfezyczne nieskończoności w obserwowalnych ilościach i negatywne prawdopodobieństwo procesów fizycznych-które zwykle powstają, gdy ogólna względność jest kwantowana przy użyciu konwencjonalnych, prostych metod.
Kluczową zaletą tego podejścia jest jego prostota. W przeciwieństwie do wielu modeli grawitacji kwantowej, które wymagają niewykrytych cząstek i dodatkowych sił, teoria ta pozostaje w znanym terenie.
„Głównymi zaletami lub różnicami w porównaniu z wieloma innymi teoriami grawitacyjnymi kwantowymi jest to, że nasza teoria nie potrzebuje dodatkowych wymiarów, które nie mają jeszcze bezpośredniego wsparcia eksperymentalnego”-powiedział Live Science w e-mailu Jukka Tulkki, profesor na Uniwersytecie Aalto i współautor artykułu. „Ponadto teoria nie wymaga żadnych wolnych parametrów wykraczających poza znane stałe fizyczne”.
Oznacza to, że teorię można przetestować bez oczekiwania na odkrycie nowych cząstek lub rewizji istniejących przepisów fizycznych. „Wszelkie przyszłe eksperymenty grawitacyjne kwantowe mogą być bezpośrednio wykorzystane do przetestowania wszelkich (nadchodzących) prognoz teorii” – dodał Tulkki.
Patrząc w przyszłość
Pomimo obiecujących funkcji model jest wciąż na wczesnym etapie. Chociaż wstępne obliczenia wskazują, że teoria zachowuje się dobrze w zwykłych kontrolach spójności, pozostaje pełny dowód jej spójności.
Co więcej, ramy nie zostały jeszcze zastosowane do niektórych z najgłębszych pytań w fizyce grawitacyjnej, takie jak prawdziwa natura Osobliwości czarnej dziury lub fizyka Wielkiego Wybuchu. „Teoria nie jest jeszcze w stanie rozwiązać tych głównych wyzwań, ale ma to potencjał w przyszłości” – powiedział Partanen.
Weryfikacja eksperymentalna może okazać się jeszcze bardziej nieuchwytna. Grawitacja jest najsłabsza ze znanych sił, a jej aspekty kwantowe są niezwykle subtelne. Bezpośrednie testy efektów grawitacji kwantowej wykraczają poza zasięg obecnych instrumentów.
„Testowanie efektów grawitacji kwantowej jest trudne ze względu na osłabienie interakcji grawitacyjnych” – powiedział Tulkki. Ponieważ jednak teoria nie zawiera żadnych parametrów regulowanych, jakikolwiek przyszły eksperyment, który sonduje zachowanie grawitacyjne kwantowe, może potencjalnie potwierdzić – lub wykluczyć – nową propozycję.
„Biorąc pod uwagę obecne tempo postępów teoretycznych i obserwacyjnych, może potrwać kilka dziesięcioleci, aby dokonać pierwszych przełomów eksperymentalnych, które dają nam bezpośrednie dowody na efekty grawitacyjne kwantowe” – powiedział Partanen. „Pośrednie dowody poprzez zaawansowane obserwacje można było uzyskać wcześniej”.
Na razie praca Partanen i Tulkki otwiera świeży kierunek dla teoretyków szukających kwantowej teorii grawitacji – takiej, która pozostaje uziemiona w udanych ramach fizyki cząstek, a potencjalnie odblokowuje niektóre z najgłębszych tajemnic wszechświata.
