Kwadratowa teoria kwantowa panaceum na problemy z łączeniem ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową
Zespół naukowców z University of Waterloo oraz Perimeter Institute zaproponował model, w którym początki wszechświata nie są opisywane jako osobliwość o nieskończonej gęstości i temperaturze, lecz jako stan fizyczny podlegający bardziej fundamentalnym, kwantowym prawom grawitacji. W klasycznym ujęciu, opartym na ogólnej teorii względności Einsteina, Wielki Wybuch prowadzi do osobliwości, czyli punktu, w którym prawa fizyki przestają działać. Taka teoria była więc niekompletna w ekstremalnych warunkach.
Czytaj też: Kosmita, który przełącza się jak na zawołanie. Astronomowie zidentyfikowali niespotykany wcześniej obiekt
Nowa propozycja, określana jako kwadratowa teoria kwantowa (QQG), rozszerza teorię Einsteina o dodatkowe składniki matematyczne, które stają się istotne przy bardzo wysokich energiach. Mówimy o ekstremach, jakie panowały tuż po narodzinach Wszechświata. Co istotne, teoria ta pozostaje matematycznie spójna tam, gdzie klasyczna grawitacja zawodzi.
Jednym z najbardziej przełomowych aspektów tej koncepcji jest sposób, w jaki tłumaczy ona tzw. kosmiczną inflację, a więc gwałtowne rozszerzanie się wszechświata w pierwszych chwilach jego istnienia. Dotychczas w modelach kosmologicznych konieczne było wprowadzanie hipotetycznego pola inflatonowego, aby wyjaśnić ten proces. Nowa teoria sugeruje jednak, iż inflacja może wynikać naturalnie z samej struktury kwantowej grawitacji. Oznaczałoby to brak potrzeby dodawania dodatkowych elementów w ręczny sposób.
Nawet Einstein biłby autorom brawo
Co więcej, model przewiduje istnienie pierwotnych fal grawitacyjnych – subtelnych zaburzeń czasoprzestrzeni powstałych w pierwszych momentach po Wielkim Wybuchu. W przeciwieństwie do wielu wcześniejszych teorii, tutaj ich minimalny poziom jest ściśle określony, co daje nadzieję na empiryczne przetestowanie tej koncepcji w przyszłych eksperymentach kosmologicznych.
To właśnie możliwość testowania stanowi jeden z największych atutów nowego podejścia. W fizyce teoretycznej wiele modeli kwantowej grawitacji pozostaje poza zasięgiem obserwacji, ponieważ wymagają energii znacznie przekraczających możliwości współczesnych eksperymentów. W tym przypadku jednak naukowcy podkreślają, iż ślady tej teorii mogą być widoczne w danych dotyczących mikrofalowego promieniowania tła lub fal grawitacyjnych, które już dziś są przedmiotem intensywnych badań.
Czytaj też: Brakujące ogniwo komputerów kwantowych. Fizycy na tropie długo poszukiwanego stopu
Próby stworzenia teorii kwantowej grawitacji, czyli spójnego opisu wszystkich czterech fundamentalnych oddziaływań w naturze, mają miejsce od lat. Obecnie trzy z nich (elektromagnetyzm oraz oddziaływania silne i słabe) są dobrze opisane przez mechanikę kwantową, natomiast grawitacja pozostaje domeną klasycznej teorii Einsteina. Próby ich połączenia napotykają poważne trudności, zwłaszcza przy skalach bliskich tzw. długości Plancka, gdzie efekty kwantowe i grawitacyjne są równie istotne. Jeśli przyszłe obserwacje potwierdzą przewidywania najnowszej teorii, może to oznaczać prawdziwą rewolucję w kosmologii.
Źródło: Physical Review Letters
