Мы все пыль во Вселенной. Но теперь мы знаем почему.

После десятилетий поисков учёным наконец удалось сделать серьёзный шаг к созданию единой теории, объединяющей гравитацию с остальными фундаментальными силами природы — электромагнитным взаимодействием, а также сильным и слабым ядерными силами. Это давняя мечта физиков, ведь между двумя главными теориями современной науки — квантовой теорией поля и общей теорией относительности Эйнштейна — до сих пор не было согласия.

Исследователи из Университета Аалто (Финляндия) предложили новую квантовую теорию гравитации, которая совместима со стандартной моделью физики элементарных частиц. Если она подтвердится, это откроет путь к лучшему пониманию происхождения Вселенной. Ведущие авторы работы, Микко Партанен и Юкка Тулкки, опубликовали свою теорию в журнале Reports on Progress in Physics. Партанен надеется, что в течение нескольких лет их подход даст ответы на одни из самых сложных вопросов современной науки.

Он говорит, что если удастся довести работу до полноценной квантовой теории гравитации, это поможет объяснить такие явления, как сингулярности в чёрных дырах и сам момент Большого взрыва. Несмотря на масштабность задачи, авторы пока избегают громких заявлений. Хотя новая теория претендует на статус «теории всего» — то есть модели, описывающей все фундаментальные силы в природе — Партанен признаёт, что до окончательного ответа ещё далеко. Даже сегодня в физике остаются вопросы без ответа, например, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.

Ключом к разработке новой теории стало использование подхода, известного как калибровочная теория. Такие теории описывают взаимодействие частиц через поля. Простейший пример — электромагнитное поле, через которое взаимодействуют заряженные частицы. Авторы предполагают, что аналогично этому энергия частиц порождает взаимодействия через гравитационное поле.

Проблема заключалась в том, чтобы сформулировать калибровочную теорию гравитации, которая была бы согласована с калибровочными теориями трёх других фундаментальных сил. Стандартная модель физики частиц как раз является такой калибровочной теорией и основывается на определённых симметриях. Новая работа предлагает использовать аналогичные симметрии для описания гравитации — в отличие от геометрического подхода общей теории относительности, который опирается на совершенно другой тип симметрии, связанный с искривлением пространства-времени.

Без единой теории физики остаются разрозненными: квантовая теория точно описывает микромир, где частицы ведут себя вероятностным образом, а общая теория относительности — макромир, где всё подчиняется гравитации. Обе теории невероятно точны в своих пределах, но между собой они несовместимы. Кроме того, гравитационное взаимодействие слишком слабое, чтобы легко наблюдать квантовые эффекты, поэтому требуются более чувствительные подходы, чтобы выйти за пределы классического описания Эйнштейна.

Именно в экстремальных условиях — возле чёрных дыр и в первые мгновения после Большого взрыва — существующие теории дают сбои. Чтобы понять, что происходит в этих областях, нужна настоящая квантовая теория гравитации. Партанен с детства интересовался фундаментальными вопросами устройства Вселенной, и именно это вдохновило его на поиск нового симметрийного подхода. В сотрудничестве с Тулкки он разработал теоретическую модель, которая может изменить наше представление о мире столь же радикально, как когда-то это сделала теория относительности — без которой, кстати, не работал бы GPS в наших смартфонах.

Однако, как подчёркивают сами авторы, теория пока не доведена до конца. Чтобы сделать её пригодной для практических расчётов, они применяют метод перенормировки — математическую технику, позволяющую устранить бесконечности в вычислениях. На сегодняшний день удалось доказать, что этот метод работает на первом уровне приближения, но необходимо показать, что он будет работать и на более высоких уровнях. В противном случае расчёты дадут бесконечные, а значит, бессмысленные результаты.

«Мы пока не завершили доказательство, но считаем, что с высокой вероятностью всё получится», — говорит Тулкки. Партанен с ним согласен и добавляет: «Нельзя сказать, когда именно это произойдёт, но через несколько лет мы точно будем знать намного больше».

Сейчас они решили опубликовать промежуточный вариант теории, чтобы научное сообщество могло познакомиться с результатами, проверить их и, возможно, продолжить работу. По словам Партанена, как это было с квантовой механикой и теорией относительности, он надеется, что их теория откроет множество новых направлений для исследований.