Fyzici mohou být na cestě k „teorii všeho“ po reenvizingu Einsteinovy nejslavnější teorie
Fyzici vyvinuli nový přístup k řešení jednoho z nejtrvalejších problémů v teoretické fyzice: spojování gravitace s kvantovým světem.
V nedávném článku zveřejněném v časopise Zprávy o pokroku ve fyziceVědci nastíní přeformulování gravitace, která by mohla vést k plně kvantově kompatibilnímu popisu-bez vyvolání dalších rozměrů nebo exotických funkcí vyžadovaných spekulativními modely, jako jsou Teorie řetězců.
Jádrem návrhu je přehodnocení toho, jak se gravitace chová na základní úrovni. Zatímco elektromagnetické, slabé a silné síly jsou popsány pomocí teorie kvantového pole-matematický rámec, který zahrnuje nejistotu a dualitu vlnových částí– gravitace zůstává odlehlé. Obecná relativita, Einsteinova teorie gravitace, je čistě klasická teorie, která popisuje gravitaci jako deformaci geometrie prostoru času hmotou a energií. Pokusy o smíchání kvantové teorie s obecnou relativitou se však často setkávají s fatálními matematickými nesrovnalostmi, jako jsou nekonečné pravděpodobnosti.
Nový přístup reinterpretuje gravitační pole způsobem, který odráží strukturu známých teorií kvantového pole. „Klíčovým zjištěním je, že naše teorie poskytuje nový přístup k kvantové gravitaci způsobem, který se podobá formulaci dalších základních interakcí standardního modelu,“ spoluautor studie Mikko PartanenFyzik na Aalto University ve Finsku řekl Live Science v e -mailu.
Místo zakřivení časoprostoru je gravitace v jejich modelu zprostředkována čtyřmi propojenými poli, přičemž každá z nich je podobná pole, které řídí elektromagnetismus. Tato pole reagují na hmotnost téměř stejným způsobem, jakým elektrická a magnetická pole reagují na náboj a proud. Také spolupracují mezi sebou a s polími Standardní model způsobem, který reprodukuje obecnou relativitu na klasické úrovni a zároveň umožňuje důsledně začlenit kvantové účinky.
Protože nový model odráží strukturu dobře zavedených kvantových teorií, odchází matematické problémy, které historicky bránily úsilí kvantizovat obecnou relativitu. Podle autorů jejich rámec produkuje dobře definovanou kvantovou teorii, která se vyhýbá běžným problémům-jako je nefyzické nekonečna v pozorovatelných množstvích a negativní pravděpodobnosti fyzikálních procesů-, která obvykle vzniká, když je obecná relativita kvantizována pomocí konvenčních, přímých metod.
Klíčovou výhodou přístupu je jeho jednoduchost. Na rozdíl od mnoha modelů kvantové gravitace, které vyžadují nezjištěné částice a další síly, se tato teorie drží známého terénu.
„Hlavními výhodami nebo rozdíly ve srovnání s mnoha dalšími teoriemi kvantové gravitace jsou to, že naše teorie nepotřebuje další dimenze, které dosud nemají přímou experimentální podporu,“ Jukka tlumočníkProfesor na Aalto University a spoluautor příspěvku řekl Live Science v e-mailu. „Teorie navíc nepotřebuje žádné volné parametry mimo známé fyzické konstanty.“
To znamená, že teorie může být testována bez čekání na objev nových částic nebo revizi stávajících fyzických zákonů. „Jakékoli budoucí experimenty s kvantovou gravitací lze přímo použít k testování jakýchkoli (nadcházejících) předpovědí teorie,“ dodal Tulkki.
Těšíme se dopředu
Navzdory slibným funkcím je model stále ve svých raných fázích. Ačkoli předběžné výpočty naznačují, že se teorie chová při obvyklé kontrole konzistence, zbývá je vypracovat úplný důkaz jeho konzistence.
Navíc se rámec musí ještě použít na některé z nejhlubších otázek v gravitační fyzice, jako je skutečná povaha Singularity černé díry nebo fyzika velkého třesku. „Teorie dosud není schopna řešit tyto hlavní výzvy, ale má to potenciál v budoucnu,“ řekl Partanen.
Experimentální ověření může být ještě nepolapitelnější. Gravitace je nejslabší ze známých sil a jeho kvantové aspekty jsou neuvěřitelně jemné. Přímé testy kvantových gravitačních efektů jsou mimo dosah současných nástrojů.
„Testování kvantových gravitačních účinků je náročné kvůli slabosti gravitační interakce,“ řekl Tulkki. Přesto, protože teorie neobsahuje žádné nastavitelné parametry, jakýkoli budoucí experiment, který zkoumá kvantové gravitační chování, by mohl potenciálně potvrdit – nebo vyloučit – nový návrh.
„Vzhledem k současnému tempu teoretických a observačních pokroků může trvat několik desetiletí, než se první experimentální průlomy, které nám poskytují přímý důkaz kvantových gravitačních účinků,“ řekl Partanen. „Nepřímé důkazy prostřednictvím pokročilých pozorování lze získat dříve.“
Práce Partanen a Tulkki prozatím otevírá nový směr pro teoretiky, kteří hledají kvantovou teorii gravitace – ta, která zůstává uzemněna v úspěšných rámcích fyziky částic a zároveň potenciálně uvolní některé z nejhlubších tajemství vesmíru.
