Naukowcy z Finlandii są na tropie fizycznej Teorii Wszystkiego

Kilkadziesiąt lat poszukiwań może zbliżać się ku końcowi. Dwóch fińskich fizyków, Mikko Partanen i Jukka Tulkki z Uniwersytetu Aalto, opracowało nową koncepcję grawitacji, która może stanowić kluczowy krok w kierunku stworzenia Teorii Wszystkiego. Ich badanie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Reports on Progress in Physics, wprowadza rewolucyjne podejście do jednego z największych wyzwań współczesnej fizyki.

Grawitacja to siła, która – jest zasadniczo najsłabsza spośród czterech fundamentalnych – pozostaje jednym z największych wyzwań dla współczesnej fizyki. Przez ponad sto lat fizycy bezskutecznie próbują pogodzić dwa sprzeczne ze sobą opisy rzeczywistości: mechanikę kwantową, która perfekcyjnie wyjaśnia świat cząstek elementarnych, i ogólną teorię względności Einsteina, która opisuje grawitację w skali kosmicznej.

Problem leży w fundamentalnej niezgodności tych teorii. Kwantowa teoria pola wykorzystuje kompaktowe, skończenie wymiarowe symetrie związane z wewnętrznymi stopniami swobody pól kwantowych, podczas gdy ogólna teoria względności opiera się na niekompaktowych, nieskończenie wymiarowych symetriach zewnętrznej czasoprzestrzeni.

Kluczem okazało się znalezienie sposobu opisania grawitacji w odpowiedniej teorii cechowania — rodzaju teorii, w której cząstki oddziałują ze sobą za pośrednictwem pola. Naukowcy z Aalto postanowili opisać grawitację jako pole miernicze, podobnie jak pole elektromagnetyczne jest polem cechowania dla cząstek posiadających ładunek elektryczny.

W ich nowym podejściu, gdy cząstki mają energię, oddziaływania wynikające z posiadania energii zachodzą poprzez pole grawitacyjne. To prostota, która może okazać się genialna. Grawitacja zostaje w ten sposób włączona do struktury matematycznej Modelu Standardowego fizyki cząstek, zamiast być czymś zupełnie innym.

W odróżnieniu od poprzednich podejść do grawitacji kwantowej, które opierały się na niekompaktowych, nieskończenie wymiarowych symetriach, ujednolicona grawitacja wykorzystuje kompaktowe, skończenie wymiarowe symetrie znane jako symetrie cechowania U(1). To podejście odzwierciedla strukturę matematyczną, która okazała się tak skuteczna w opisie elektromagnetyzmu oraz oddziaływań jądrowych silnych i słabych.

Zamiast opierać teorię na bardzo odmiennym rodzaju symetrii czasoprzestrzeni ogólnej teorii względności, badacze stworzyli teorię grawitacji z symetriami podobnymi do tych w Modelu Standardowym.

Nowa teoria może pomóc w zrozumieniu najbardziej ekstremalnych środowisk we Wszechświecie. Jeśli to doprowadzi do kompletnej kwantowej teorii pola grawitacji, to ostatecznie da odpowiedzi na bardzo trudne problemy zrozumienia osobliwości w czarnych dziurach i Wielkim Wybuchu.

Teorii brakuje jednak jeszcze pełnego dowodu. Jeśli renormalizacja nie działa dla wyższych rzędów, otrzymuje się nieskończone wyniki. Dlatego kluczowe jest wykazanie, że ta renormalizacja nadal działa. Naukowcy musieli zastosować procedurę techniczną zwaną renormalizacją, matematyczny sposób radzenia sobie z nieskończonościami pojawiającymi się w obliczeniach, ale udowodnili jej działanie tylko dla pierwszego rzędu.

Mimo fundamentalnego charakteru badania, jego implikacje mogą być ogromne. Jak zauważają naukowcy, nawet teoria względności Einsteina kiedyś wydawała się abstrakcyjna, dziś jednak stanowi podstawę technologii GPS. Oprócz potencjalnego rozwiązania problemów teoretycznych, ujednolicona grawitacja mogłaby ostatecznie pomóc odpowiedzieć na głębokie pytania dotyczące najbardziej ekstremalnych środowisk we Wszechświecie, takich jak wnętrza czarnych dziur i pierwsze chwile po Wielkim Wybuchu.

Nowa teoria zawiera również konkretne przewidywania dotyczące tego, jak grawitacja modyfikowałaby efekty kwantowe, które można przetestować eksperymentalnie, w tym jak oddziaływania grawitacyjne przyczyniałyby się do korekt w potencjale Coulomba, momencie magnetycznym elektronów, a nawet rozpraszaniu cząstek elementarnych.

Teoria, która spójnie opisuje wszystkie fundamentalne siły natury, często nazywana jest Teorią Wszystkiego. Choć Partanen unika tego terminu, nie ukrywa, że jego praca może stanowić kluczowy krok na tej długiej drodze. Model ten może również pomóc w zrozumieniu pewnych zagadek, na które obecne teorie nie dają odpowiedzi, takich jak dlaczego we Wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.

Badacze mają świadomość, że przed nimi jeszcze długa droga. Wciąż pozostają wyzwania, ale z czasem i wysiłkiem spodziewam się, że zostaną one pokonane. Nie sposób powiedzieć kiedy, ale w ciągu kilku lat będziemy wiedzieć o tym znacznie więcej.

Opublikowali swoją teorię w obecnym kształcie, aby społeczność naukowa mogła zapoznać się z nią, sprawdzić wyniki, pomóc w dalszym jej rozwoju i budować na jej podstawie. Tak jak mechanika kwantowa i teoria względności przed nią, ta teoria otworzy niezliczone ścieżki do eksploracji dla naukowców.