Объяснение гравитации без теории струн

На протяжении десятилетий большинство физиков соглашались с тем, что теория струн является недостающим звеном между общей теорией относительности Эйнштейна, описывающей законы природы в наибольшем масштабе, и квантовой механикой, описывающей их в наименьшем масштабе. Однако международная коллаборация физиков, теперь предоставила убедительные доказательства того, что теория струн — не единственная теория, которая могла бы установить такую связь. Они продемонстрировали, что можно построить теорию квантовой гравитации, подчиняющуюся всем фундаментальным законам физики, без каких-либо условий. На прошлой неделе они описали свои выводы в Physical Review Letters.

Когда мы наблюдаем работу гравитации в нашей Вселенной, например движение планет или свет, проходящий близко к черной дыре, кажется, что все подчиняется законам, описанным Эйнштейном в его общей теории относительности.

С другой стороны, квантовая механика — это теория, которая описывает физические свойства природы в мельчайших масштабах атомов и субатомных частиц. Хотя эти две теории позволили нам объяснить все наблюдаемые фундаментальные физические явления, они также противоречат друг другу. На сегодняшний день физикам трудно согласовать две теории, чтобы объяснить гравитацию как в самом большом, так и в самом маленьком масштабе.

В 1970-х годах физики предложили новый набор физических принципов для решения этой проблемы, расширив законы, предложенные общей теорией относительности. Согласно этой так называемой «теории струн», все вокруг нас образовано не точечными частицами, а струнами: вибрирующими одномерными объектами. С момента своего появления теория струн стала самой распространенной теоретической основой, которая, как считается, завершает общую теорию относительности Эйнштейна до теории квантовой гравитации.

Однако новая демонстрация физиков-теоретиков из Университета Радбауд показывает, что теория струн — не единственный способ сделать это.

«Мы показываем, что все еще возможно объяснить гравитацию с помощью квантовой механики, вообще не используя законы теории струн», — говорит физик-теоретик Франк Заурессиг.

«Мы демонстрируем, что идея о том, что все состоит из точечных частиц, все еще может соответствовать квантовой гравитации без включения струн. Эта структура физики элементарных частиц также проверена экспериментально, например, на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе».

«Для ученых эта альтернативная теория привлекательна для использования, потому что было чрезвычайно сложно связать теорию струн с экспериментами. Наша идея использует физические принципы, которые уже проверены экспериментально. Другими словами: никто никогда не наблюдал струны в экспериментах, но частицы определенно видят в экспериментах на БАК. Это позволяет нам легче преодолевать разрыв между теоретическими предсказаниями и экспериментами».

После демонстрации того, что их идеи способны решить давние проблемы в физике элементарных частиц, ученые в настоящее время изучают вытекающие последствия своих новых законов на уровне черных дыр.

«В конце концов, существует только один набор законов природы, и этот набор должен быть применим ко всем видам вопросов, включая то, что происходит, когда мы сталкиваемся с частицами при фантастически высоких энергиях, или что происходит, когда частицы падают в черную дыру. Было бы здорово продемонстрировать, что на самом деле существует связь между этими, казалось бы, несвязанными вопросами, которая позволяет решать головоломки, возникающие с обеих сторон».

Tom Draper et al. Finite Quantum Gravity Amplitudes: No Strings Attached, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.181301