O echipă de fizicieni a dezvoltat o nouă abordare, deocamdată pur teoretică, pentru a rezolva una dintre cele mai mari probleme cu care se confruntă fizica teoretică: o teorie unificată care să explice deopotrivă gravitaţia şi lumea cuantică, transmite luni Live Science, potrivit Agerpres.
Într-un studiu publicat recent în jurnalul Reports on Progress in Physics, cercetătorii propun o reformulare a gravitaţiei care ar putea duce la o descriere pe deplin compatibilă cu lumea cuantică, fără a invoca artificii precum extra dimensiuni sau caracteristici exotice necesare în alte modele mai speculative, aşa cum este teoria corzilor.
În centrul acestei teorii se află o reconceptualizare a modului în care gravitaţia se comportă la nivel fundamental. În timp ce forţele electromagnetică, nucleară slabă şi nucleară tare sunt descrise în totalitate folosind teoria cuantică - un cadru matematic ca încorporează incertitudinea şi dualitatea undă-particulă - gravitaţia rămâne excepţia.
Relativitatea generală, teoria lui Einstein despre gravitaţie, susţine că aceasta este rezultatul deformării geometriei spaţiu-timpului în prezenţa masei şi energiei. Însă încercările de a unifica teoria cuantică cu relativitatea generală se lovesc de inconsistenţe matematice fatale, aşa cum sunt probabilităţile infinite.
Noua abordare reinterpretează câmpul gravitaţional într-un mod care oglindeşte structura teoriilor cuantice de câmp cunoscute. „Descoperirea cheie este că teoria noastră oferă o nouă abordare a gravitaţiei cuantice într-o modalitate care este similară formulării celorlalte interacţiuni fundamentale în Modelul Standard”, a declarat pentru Live Science Mikko Partanen, fizician la Universitatea Aalto din Finlanda şi co-autor al studiului.
În loc să curbeze continuul spaţiu-timp, în acest nou model gravitaţia este mediată de patru câmpuri interconectate, fiecare dintre ele fiind similar câmpului care guvernează electromagnetismul. Aceste câmpuri reacţionează la masă în aproape acelaşi mod în care câmpurile electric şi magnetic răspund la sarcină şi curent. Ele interacţionează şi între ele şi cu câmpurile din Modelul Standard într-un mod care reproduce relativitatea generală la nivel clasic, în timp ce permite şi explicarea consistentă a efectelor cuantice.
Pentru că noul model oglindeşte structura unor teorii cuantice bine stabilite, reuşeşte să ocolească problemele matematice care au împiedicat istoric eforturile de cuantificare a relativităţii generale. Conform autorilor, acest nou cadru produce o teorie cuantică bine definită care evită problemele obişnuite - cum ar fi infinităţi nefizice în cantităţi observabile şi probabilităţi negative pentru procese fizice - ce apar atunci când relativitatea generală este forţată în lumea cuantică folosind metode convenţionale, directe.
Principalul avantaj al acestei abordări este simplitatea sa. Spre deosebire de numeroase modele ale gravitaţiei cuantice care au nevoie de particule încă nedetectate sau de forţe adiţionale, această teorie rămâne pe un teren familiar.
„Principalul avantaj sau diferenţă faţă de numeroase alte teorii ale gravitaţiei cuantice este că teoria noastră nu are nevoie de alte dimensiuni care nu au încă suport experimental direct”, a declarat şi Jukka Tulkki, profesor la Universitatea Aalto şi co-autor al studiului. „Mai mult decât atât, teoria nu necesită niciun parametru liber în afara constantelor fizice cunoscute”.
Acest lucru înseamnă că teoria poate fi testată fără a fi nevoie să se aştepte descoperirea unor noi particule sau modificarea unor legi existente ale fizicii. „Orice viitoare experimente privind gravitaţia cuantică pot fi folosite în mod direct pentru a testa orice predicţii formulate de teorie”, a adăugat Jukka Tulkki.
Acest model este încă în stadiul de început. Deşi calculele preliminare arată că teoria se comportă bine în cadrul verificărilor obişnuite, de consistenţă, rămâne totuşi de elaborat o demonstraţie completă a consistenţei sale.
În plus, acest cadru teoretic nu a fost încă aplicat pentru a răspunde la unele dintre cele mai profunde întrebări din fizica gravitaţională, aşa cum ar fi adevărata natură a singularităţilor din găurile negre sau fizica Big Bang-ului, explozia primordială despre care se crede că a dus la naşterea Universului. „Teoria nu este capabilă încă să răspundă la aceste provocări majore, dar are potenţialul să o facă în viitor”, a susţinut Mikko Partanen.
Verificarea experimentală a teoriei s-ar putea dovedi foarte dificilă. Gravitaţia este cea mai slabă dintre forţele cunoscute, iar proprietăţile sale cuantice sunt incredibil de subtile. Testarea directă a efectelor gravitaţiei la nivel cuantic sunt dincolo de capacitatea de măsurare a instrumentelor noastre actuale.
„Testarea efectelor gravitaţiei la nivel cuantic este o mare provocare din cauza interacţiunii gravitaţionale extraordinar de slabă”, conform lui Tulkki. Şi totuşi, pentru că teoria nu include parametri reglabili, orice viitor experiment care demonstrează comportamentul gravitaţiei la nivel cuantic are potenţialul de a confirma sau de a infirma această nouă teorie.
„Ţinând cont de ritmul din prezent al progresului teoretic şi observaţional, ar putea fi nevoie de câteva decenii până la primele experimente de pionierat care să ne ofere dovezi directe ale efectelor cuantice ale gravitaţiei. Dovezi indirecte prin observaţii avansate ar putea fi obţinute mai devreme”, a mai precizat Partanen.
Deocamdată, cadrul teoretic schiţat de Mikko Partanen şi Jukka Tulkki deschide o nouă direcţie de cercetare pentru fizicienii teoreticieni care caută o teorie cuantică a gravitaţiei, una care să rămână fundamentată în cadrul de succes la fizicii particulelor şi care să aibă potenţialul să descifreze unele dintre cele mai profunde mistere ale Universului.
Editor : B.E.
