Гравитация как калибровочное поле: новый путь к квантовой теории всего

Физика уже более столетия сталкивается с фундаментальной проблемой: две ее главные теории — квантовая механика и общая теория относительности — описывают Вселенную на разных масштабах, но остаются математически несовместимыми. Квантовая теория поля успешно объясняет электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия в рамках Стандартной модели, однако гравитация, описанная Эйнштейном как искривление пространства-времени, не поддается квантованию традиционными методами. Это создает непреодолимые барьеры в понимании сингулярностей черных дыр, ранней Вселенной и природы пространства-времени на планковских масштабах.

Новая работа Микко Партанена и Юкки Тулкки из Университета Аалто предлагает свежий подход к квантовой гравитации, основанный на калибровочной теории, что потенциально позволяет объединить гравитацию с остальными фундаментальными взаимодействиями. Их теория, опубликованная в Reports on Progress in Physics, может стать ключом к решению одной из величайших проблем современной физики.

В отличие от общей теории относительности, где гравитация возникает из геометрии пространства-времени, авторы предлагают описывать ее как калибровочное поле, аналогичное электромагнитному. В калибровочных теориях взаимодействия частиц происходят через поля, обладающие определенными симметриями. Например, электромагнитное поле связано с U(1)-симметрией, а сильное взаимодействие — с SU(3). Партанен и Тулкки разработали калибровочную теорию гравитации, которая сохраняет симметрии, близкие к Стандартной модели, вместо использования общей ковариантности ОТО.

Главное преимущество подхода — совместимость с уже известными квантовыми теориями. Если гравитация действительно может быть описана как калибровочное поле, это упростит ее включение в единую модель фундаментальных взаимодействий. Это также открывает путь к решению проблемы перенормируемости — устранения бесконечностей, возникающих при квантовании гравитации.

Пока авторы доказали работоспособность теории для членов первого порядка, но необходимо проверить ее на высших порядках. Если теория окажется перенормируемой, это станет серьезным аргументом в ее пользу. Однако, как отмечают сами исследователи, полное доказательство еще требует доработки.

Теория может дать новые инструменты для изучения сингулярностей — точек с бесконечной плотностью, где ОТО «ломается». Это касается как центра черных дыр, так и момента Большого взрыва. Возможно, новая модель позволит описать раннюю Вселенную без сингулярности, предложив альтернативный сценарий ее рождения.

Один из нерешенных вопросов физики — асимметрия материи и антиматерии во Вселенной. Если гравитация действительно связана с другими взаимодействиями через калибровочные поля, это может привести к новым механизмам объяснения барионной асимметрии.

Хотя прямое применение квантовой гравитации в технологиях пока маловероятно, история показывает, что фундаментальные открытия (например, ОТО в GPS) со временем находят практическое применение. Возможно, новая теория проложит путь к управлению гравитационными эффектами на квантовом уровне.

Несмотря на оптимизм авторов, теория требует тщательной проверки. Научное сообщество должно проверить перенормируемость на всех порядках, сравнить предсказания теории с экспериментальными данными (например, в гравитационных волнах или квантовых системах в сильных полях), а также исследовать, как новая модель согласуется с другими подходами к квантовой гравитации, такими как теория струн или петлевая квантовая гравитация.

Партанен и Тулкки открыто приглашают коллег к сотрудничеству, подчеркивая, что их работа — лишь первый шаг. Если теория выдержит проверку, она может стать основой для «Теории Всего» — единого описания всех фундаментальных сил природы.

Исследование финских физиков — смелая попытка преодолеть вековой разрыв между квантовой теорией и гравитацией. Хотя до полного подтверждения еще далеко, их калибровочный подход предлагает новый путь к объединению физики. В случае успеха это не только изменит наше понимание Вселенной, но и откроет двери к новым технологическим прорывам, подобно тому, как квантовая механика и ОТО сделали это в XX веке.