O nouă teorie unificată a totului: un progres semnificativ în direcția îmbinării gravitației cu mecanica cuantică
De mai bine de un secol, cercetătorii fizicieni din diverse colțuri ale lumii se străduiesc să dezvolte o „teorie unificată a totului” — un sistem teoretic capabil să explice toate forțele fundamentale ale universului printr-un ansamblu de ecuații coerente. Trei dintre aceste forțe — electromagnetismul, forța nucleară slabă și forța nucleară tare — sunt explicate cu succes prin Modelul Standard al fizicii particulelor, folosind teoria câmpurilor cuantice (QFT). Totuși, gravitația, forța ce descrie atracția dintre corpurile masive, nu se poate integra ușor în acest parcurs, deoarece este reglementată de o teorie complet diferită: teoria relativității generale a lui Albert Einstein.
Această incompatibilitate fundamentală dintre QFT, care consideră forțele ca interacțiuni într-un spațiu-timp fix, și relativitatea generală, care redefinește gravitația ca o curbură a spațiu-timpului, a reprezentat, până recent, una dintre cele mai mari provocări în domeniul fizicii teoretice. Totuși, un nou studiu realizat de o echipă de cercetători de la Universitatea Aalto (Finlanda) pare să ofere o schimbare de paradigmă promițătoare.
Cadrul teoretic al Modelului Standard și gravitația
Modelul Standard descrie cele trei forțe fundamentale (cu excepția gravitației) prin intermediul teoriei câmpurilor cuantice. Acest model se bazează pe conceptul simetriilor interne, care generează forțele prin particule mediatice, precum fotonii (pentru electromagnetism), bosonii W și Z (pentru forța slabă) sau gluonii (pentru forța tare).
În contrast, teoria relativității generale a lui Einstein nu implică particule mediatice, ci concepe gravitația ca o manifestare a geometriei spațiu-timpului în jurul maselor. Spre deosebire de modul în care celelalte trei forțe acționează într-un câmp definit pe un fundal static, gravitația este o modificare a acelui fundal — o distincție conceptuală crucială.
Noua idee: simetriile spațiu-timpului generează gravitația
Pentru a aborda această discrepanță, echipa de cercetători finlandezi propune o abordare inedită: introducerea unei entități matematice numită „câmp al dimensiunii spațiu-timp”. Acest câmp este legat de simetrii geometrice fundamentale care operează în fiecare punct al universului. Asemenea Modelului Standard, unde forțele derivă din simetrii ale câmpurilor cuantice, în noua teorie gravitația se evidențiază ca un rezultat firesc al acestor simetrii spațio-temporale.
Această viziune inovatoare oferă o modalitate elegantă de a integra gravitația alături de celelalte trei forțe, reunind toate interacțiunile fundamentale sub umbrela simetriilor și a teoriei câmpurilor.
Teoria gravitației cuantice și problema renormalizării
O dintre provocările semnificative în formularea unei teorii a gravitației cuantice constă în apariția infinităților în calcule — în special în diversele încercări anterioare de a cuantifica gravitația, unde rezultatele matematice deveneau imposibil de interpretat fizic. Din această cauză, se caută teorii „renormalizabile” — adică structuri unde aceste infinități pot fi gestionate și eliminate prin tehnici de calcul standard.
Noua teorie propusă se dovedește a fi renormalizabilă până la primul ordin — o realizare notabilă, deși incompletă. Cu alte cuvinte, deși nu soluționează toate dificultățile de renormalizare, aceasta deschide calea pentru un cadru promițător în care se pot efectua calcule plauzibile și consistente până la o anumită precizie.
Corectitudine la limită: reducerea la teoria relativității generale
Un alt criteriu crucial pentru validarea unei noi teorii quantice a gravitației este că,
