Egy új gravitációs elmélet egy nagy lépéssel közelebb hozza a régóta keresett Mindenség Elméletet

Egy gravitációs kvantumelmélet segíthet megválaszolni a fizika néhány legnagyobb kérdését. Végre elérhető közelségbe került az egyesített elmélet, ami kombinálja a gravitációt a többi alapvető erővel. A fizikusok régóta küzdenek azzal, hogy kibékítsék a modern fizika két inkompatibilis sarokkövét: a kvantumtér-elméletet és Einstein relativitáselméletét. Az Aalto Egyetem kutatói egy új kvantumgravitációs elméletet dolgoztak ki, ami oly módon írja le a gravitációt, ami kompatibilis a Standard Modellel. Bár az elméleti fizika világa távolinak tűnhet az alkalmazható technikától, a felfedezés figyelemre méltó.

Mikko Partanen és Jukka Tulkki új elméletüket a Reports on Progress in Physics magazinban publikálták. Ha kiderül, hogy az elmélet egy teljes kvantumgravitációs elmélethez vezet, akkor nehéz problémákra kaphatunk válaszokat, például a szingularitással és az Ősrobbanással kapcsolatban.

A gravitációs térelméletet sík téridőben számítják ki. A görbült, klasszikus metrikát a gravitációs kvantumtér várható értékének felhasználásával számítják ki.
Fotó: Aalto Egyetem

Gyakran Mindenség Elméletének nevezünk egy olyan elméletet, ami minden alapvető természeti erőt koherensen ír le, de Partanan nem szereti ezt a kifejezést használni, mert vannak alapvető fizikai kérdések, amik megválaszolatlanok maradnak. 

 

Például a jelenlegi elméletek nem magyarázzák meg, hogy a megfigyelhető univerzumban miért van több anyag, mint antianyag.

 

Kibékíteni a kibékíthetetlent

 

Az volt a kulcs, hogy egy megfelelő elméletben találjanak egy olyan módot a gravitáció leírására, amelyben a részecskék egy mezőn keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással. A legismertebb ilyen mező az elektromágneses mező. Amikor az elektromosan töltött részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással, az elektromágneses mezőn keresztül teszik ezt. Tehát amikor energiával rendelkező részecskéink vannak, a kölcsönhatások, amik azért vannak, mert energiával rendelkeznek, a gravitációs mezőn keresztül történnének. A régóta fennálló probléma az, hogy találjanak egy olyan gravitációs térelméletet, ami kompatibilis a másik 3 alapvető erő (elektromágneses erő, erős kölcsönhatás, gyenge kölcsönhatás).

A Standard Modell a 3 erő térelméletét írja le, és rendelkezik bizonyos szimmetriákkal. A fő elképzelés az, hogy legyen egy olyan szimmetriával rendelkező gravitációs térelmélet, ami hasonló a Standard Modell szimmetriáihoz, nem pedig a az általános relativitáselmélet nagyon más téridő szimmetriáján alapszik. Egy ilyen elmélet nélkül a fizikusok nem tudják kibékíteni a két legerősebb elméletünket, a kvantumtér-elméletet és az általános relativitáselméletet. 

A kvantumelmélet a nagyon kis dolgok világát írja le, a kis részecskékét, melyek valószínűségi módokon lépnek kölcsönhatásba egymással, míg az általános relativitáselmélet az ismerős, nagy objektumok és gravitációs kölcsönhatásuk világát írja le. A két elmélet eltérő perspektívából írja le az univerzumunkat és mindkét elmélet rendkívüli precizitással be lett bizonyítva, mégis inkompatibilisek egymással.

Ráadásul, mivel a gravitációs kölcsönhatások gyengék, nagyobb precizitás szükséges az általános relativitáselméleten túli, valódi kvantumgravitációs hatások tanulmányozásához. 

 

Kvantumgravitációs elmélet szükséges ahhoz, hogy megtudjuk, milyen jelenségek vannak olyan esetekben, ahol gravitációs mező és nagy energiák vannak. Ilyen körülmények vannak a fekete lyukak körül és a közvetlenül az Ősrobbanás utáni nagyon korai univerzumban, ezek azok a területek, ahol a fizika elméletei megszűnnek működni. 

 

Tulkki felfedezett egy új, szimmetria-alapú módszert a gravitációs elmélethez és az ötletet továbbfejlesztette. Az eredmény a tudományos ismeretek egy egészen új korszakát nyithatja meg, ahogyan a gravitáció megértése utat nyitott a GPS létrehozásához. A modern technológia, például az okostelefonokban lévő GPS, Einstein gravitációs elméletének köszönhetően működik.

Mikko Partanan (balra) és Jukka Tulkki.

Bár az elmélet ígéretes, a duó rámutat, hogy a bizonyítás még nem fejeződött be. Az elmélet a renormalizálást alkalmazza, egy olyan matematikai módszert, ami a számításokban felbukkanó végteleneket kezeli. Partanen és Tulkki bebizonyították, hogy egy bizonyos pontig, az első rendű tagok esetén működik, de biztosítaniuk kell, hogy a végtelenek a teljes számítás során eliminálhatók. Ha a renormalizálás nem működik magasabb rendű tagoknál, akkor végtelen eredményeket kapunk. Ezért alapvető, annak bizonyítása, hogy a renormalizálás folyamatosan működik. Még el kell végezniük a teljes bizonyítást, de a kutatók úgy vélik, hogy ez valószínűleg sikerülni fog.

(Forrás: Aalto Egyetem: https://www.aalto.fi/en/)