Финские физики исследовали понятие гравитации с точки зрения взаимодействия частиц. Основой новой квантовой теории стали четыре особые симметрии, которые позволяют описать гравитацию так же, как уже описываются другие фундаментальные силы природы в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Кроме того, ученые проверили, что их теория не приводит к бесконечным и бессмысленным результатам: все возникающие сложности можно исправить с помощью известных математических методов, что делает теорию устойчивой и надежной. Это важный шаг к созданию полной квантовой теории гравитации. Свои выводы ученые изложили в журнале Reports on Progress in Physics.
Квантовая теория поля — это раздел физики, который описывает, как мельчайшие частицы, например электроны и фотоны, взаимодействуют друг с другом через специальные поля. В этой теории частицы рассматриваются не как отдельные точки, а как возбуждения этих полей, которые могут появляться и исчезать. Квантовая теория поля успешно объясняет три из четырех фундаментальных сил природы: электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Общая теория относительности Эйнштейна рассматривает гравитацию и хорошо работает для описания больших объектов. Она объясняет, почему планеты вращаются вокруг Солнца и как свет искривляется возле черных дыр. Однако существующие концепции действуют на разных уровнях и их не всегда удается соотнести в общую картину.
Физики из Университета Аалто в Хельсинки разработали новую квантовую теорию гравитации, чтобы объединить гравитацию с остальными фундаментальными силами — электромагнитной, сильной и слабой ядерными. Их цель — создать единую математическую структуру, не противоречащей Стандартной модели физики частиц.
«Квантовая теория гравитации необходима, чтобы понять, какие явления возникают в случаях, когда существует гравитационное поле и высокие энергии. Такие условия наблюдаются вокруг черных дыр и в самой ранней вселенной, сразу после Большого взрыва, — области, где существующие физические теории перестают работать», — говорит соавтор статьи Микко Партанен из Университета Аалто.
Вместо традиционного подхода Эйнштейна, где гравитация описывается как искривление пространства-времени, ученые предложили рассматривать гравитацию как калибровочное поле, аналогично тому, как описываются другие силы. Для создания своей теории ученые использовали понятие компактных, конечномерных симметрий U(1). Симметрия — это свойство системы оставаться неизменной. Симметрия U(1) лежит в основе электромагнитного взаимодействия и связана с законом сохранения электрического заряда.
Кроме того, ученые ввели новое математическое понятие — поле размерности пространства-времени. Это сложный инструмент, который помогает «выделять» четырехмерные объекты из более сложных восьмимерных математических объектов, называемых спинорами. Спиноры — это математические структуры, которые описывают свойства частиц с внутренним спином.
Исследователи построили лагранжиан с восьмиспинорным представлением и вывели правила Фейнмана для новой теории. Они применили метод перенормировки, чтобы справиться с бесконечностями в расчетах: на первом порядке перенормировка сработала, но требуется доказать теорию для всех порядков. Это критически важно — если метод не сработает на более высоких порядках, теория не будет математически состоятельной.
Ученые опубликовали теорию для обсуждения в научном сообществе. Если дальнейшие проверки подтвердят ее корректность, это может привести к созданию полной квантовой теории гравитации и дать ответы на вопросы о черных дырах, Большом взрыве и других фундаментальных явлениях.
Автор: Оксана Гриценко
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
