Введение: Поиск единого кода Вселенной
Гравитация — последняя непокорённая вершина в мире фундаментальных сил.
Представьте, что вы хотите собрать пазл, но одна из его частей сделана из другого материала. Так обстоит дело с гравитацией: три из четырёх фундаментальных сил природы (электромагнитная, слабая и сильная) описываются Стандартной моделью частиц, а гравитация остаётся вне рамок, опираясь на совсем иную теорию — общую теорию относительности Эйнштейна. Однако физики Микко Партанен и Юкка Тулкки из Университета Аалто (Финляндия) предложили новый подход, который может наконец «подружить» эти две теории.
1. Проблема: Почему гравитация не вписывается в Стандартную модель?
Стандартная модель — это своего рода «руководство» по устройству микромира. Она объясняет, как элементарные частицы взаимодействуют через три силы:
- Электромагнитная (связывает электроны и ядра атомов),
- Слабая (отвечает за радиоактивный распад),
- Сильная (удерживает протоны в ядре).
Однако четвёртая сила — гравитация — ускользает от объединения.
Почему?
- Стандартная модель строится на компактных симметриях , как если бы частицы «танцевали» в ограниченном пространстве (например, SU(3)×SU(2)×U(1)).
- Общая теория относительности (теория гравитации) опирается на некомпактные симметрии пространства-времени — как будто гравитация «танцует» на бесконечной сцене.
Эти различия делают теории несовместимыми.
2. Решение: Гравитация как калибровочная сила
Как гравитационное поле может быть частью Стандартной модели.
Партанен и Тулкки предложили новый взгляд:
- Описать гравитацию как калибровочное поле , подобное электромагнитному.
- Использовать четыре одномерные унитарные симметрии (U(1)), как в случае электромагнетизма.
Что такое калибровочное поле?
Представьте, что частицы общаются через «посредника». Для электромагнитного поля таким посредником является фотон , переносящий силу между зарядами. Авторы теории считают, что гравитация должна использовать аналогичный механизм, где «посредник» — гипотетический гравитон — связывает массы.
Цитата д-ра Микко Партанена:
«Если мы создадим квантовую теорию гравитации, это поможет разгадать тайны сингулярностей в чёрных дырах и Большом взрыве. Это будет похоже на открытие квантовой электродинамики — теории, которая изменила мир».
3. Как это работает: Математика симметрии
Стандартная модель использует симметрии (SU(3), SU(2), U(1)) для описания взаимодействий. Эти симметрии компактны, как шестерёнки в часах, которые всегда возвращаются в исходное положение.
Партанен и Тулкки предложили использовать четыре U(1)-симметрии для гравитации. Это позволяет:
- Описать гравитацию через поля , как в Стандартной модели.
- Избежать противоречий с ОТО, где гравитация искривляет пространство-время.
Ключевая идея:
- Частицы с массой взаимодействуют через гравитационное поле , подобно тому, как заряды взаимодействуют через электромагнитное.
- Симметрии U(1) обеспечивают инвариантность (сохранение законов физики при изменениях координат), что критично для теории.
4. Зачем это нужно?
- Чёрные дыры : Понять, что происходит внутри горизонта событий, где гравитация и квантовые эффекты сталкиваются.
- Большой взрыв : Разгадать, как возникло пространство-время из квантового вакуума.
- Теория всего : Шаг к единой теории, объединяющей все четыре силы природы.
Пример из жизни:
GPS работает благодаря поправкам на гравитацию из ОТО. Квантовая теория гравитации может породить технологии, о которых мы сейчас не мечтали — например, гравитационные компьютеры или новые способы манипуляции с пространством-временем.
5. Вызовы: Бесконечности и перенормировка
Метод перенормировки помогает убрать бесконечности в расчётах.
Главный риск новой теории — бесконечности в уравнениях. Чтобы справиться с этим, учёные применяют перенормировку — математический трюк, который «убирает» лишние бесконечности.
На данный момент:
- Теория работает для первого порядка (простые взаимодействия).
- Нужно доказать, что она выдержит высшие порядки (сложные процессы).
Цитата д-ра Юкки Тулкки:
«Если перенормировка не сработает для высоких порядков, мы получим абсурдные бесконечные результаты. Но мы уверены, что сможем это преодолеть».
6. Перспективы: От теории к эксперименту
- Проверка через LIGO/Virgo : Если теория верна, гравитационные волны должны иметь новые характеристики.
- Решение проблемы материи и антиматерии : Почему во Вселенной больше материи? Возможно, квантовая гравитация даёт ответ.
- Новые технологии : Как GPS возник из ОТО, так и эта теория может породить инновации в навигации, энергетике или даже в изучении времени.
7. Заключение: Большой шаг для науки
Теория Партанена и Тулкки — это не просто математическая головоломка. Это попытка ответить на самые глубокие вопросы:
- Что было до Большого взрыва?
- Можно ли путешествовать во времени?
- Как работает Вселенная в микроскопическом масштабе?
Цитата д-ра Микко Партанена:
«Всегда интересовались великой физикой. Наша идея — мост между квантовым и гравитационным миром. Через несколько лет мы узнаем, правы ли мы».