Aproape am reușit! O descoperire în domeniul gravitației cuantice ne apropie de celebra „teorie a tuturor lucrurilor”.

De mai bine de un secol, fizicienii încearcă să reconcilieze două dintre cele mai fundamentale teorii ale fizicii: relativitatea generală a lui Einstein, care descrie gravitația la scară macroscopică, și mecanica cuantică, care guvernează lumea ciudată și complexă a particulelor subatomice. Aceste două teorii au fost extrem de eficiente în explicarea fenomenelor din domeniile lor respective. Din păcate, ele sunt incompatibile atunci când vine vorba de fenomene extreme, cum ar fi cele observate în inima găurilor negre sau imediat după Big Bang. Prin urmare, una dintre cele mai mari provocări ale fizicii moderne este reconcilierea gravitației cu mecanica cuantică. Recent, cercetătorii de la Universitatea Aalto din Finlanda, Mikko Partanen și Jukka Tulkki, au propus o nouă teorie care ar putea deține cheia acestei unificări. Abordarea lor revoluționară integrează gravitația într-un model cuantic, folosind un cadru matematic cunoscut sub numele de „teoria gauge”. Aceasta ar putea deschide calea către o înțelegere complet nouă a forțelor fundamentale ale universului.

În mecanica cuantică, forțele fundamentale ale universului (precum electromagnetismul sau forța nucleară) sunt descrise prin ceea ce se numesc câmpuri gauge. Aceste câmpuri sunt instrumente matematice care explică modul în care particulele interacționează între ele la o scară subatomică. De exemplu, electromagnetismul, care guvernează interacțiunile dintre particulele încărcate, este mediat de fotoni, în timp ce forța nucleară puternică, care ține protonii și neutronii împreună în nucleele atomilor, este mediată de gluoni. Aceste interacțiuni pot fi modelate prin teorii gauge. Gravitația, spre deosebire de aceste forțe, a scăpat acestei descrieri. Relativitatea generală a lui Einstein ne spune că gravitația este o deformare a spațiu-timpului cauzată de masă și energie. Această abordare nu implică schimbul de particule, spre deosebire de celelalte forțe fundamentale. Aceasta a reprezentat o provocare majoră: cum ar putea gravitația să fie descrisă în același mod ca și celelalte forțe în cadrul mecanicii cuantice?

Acesta este punctul în care propunerea lui Partanen și Tulkki devine revoluționară. Ea a fost publicată într-un articol în Reports on Progress in Physics. În loc să continue să considere gravitația ca o deformare continuă a spațiu-timpului, ei sugerează să o exprime printr-un câmp gauge, la fel ca celelalte forțe. Aceasta înseamnă că gravitația ar putea fi privită ca o interacțiune între particule, mediată de o particulă ipotetică, adesea numită graviton, deși aceasta nu a fost încă observată. Această abordare este similară cu cea a electromagnetismului, unde interacțiunea dintre particulele încărcate este mediată de fotoni. În teorie, această abordare ar face posibilă integrarea gravitației în cadrul cuantic al celorlalte forțe fundamentale, prin descrierea coerentă a acesteia la scară subatomică. Acest lucru ar apropia gravitația de celelalte forțe, care sunt deja bine înțelese în contextul fizicii cuantice.

Modelul standard al particulelor este una dintre cele mai solide teorii din fizica modernă. Acesta descrie trei din cele patru forțe fundamentale ale naturii: electromagnetismul și cele două forțe nucleare (forța nucleară puternică și forța nucleară slabă). În acest model, fiecare forță este asociată cu un câmp cuantic și o particulă mediatoare: fotonul pentru electromagnetism, gluonii pentru forța nucleară puternică și bosonii W și Z pentru forța nucleară slabă. Toate aceste interacțiuni sunt cuantificate, ceea ce înseamnă că pot fi descrise prin ecuații matematice precise la scară subatomică. Provocarea majoră rămâne, însă, integrarea gravitației în acest model unificat. Deși relativitatea generală a lui Einstein a oferit o înțelegere foarte precisă a gravitației la scară macroscopică, aceasta nu este compatibilă cu mecanica cuantică. Astfel, la nivelul particulelor, este încă imposibil să se aplice în mod consecvent legile gravitației.

Aici intervine abordarea lui Partanen și Tulkki. Prin utilizarea câmpurilor gauge pentru a descrie gravitația, ei au încercat să extindă modelul standard la cele patru forțe fundamentale și să integreze gravitația în acest cadru coerent. Scopul este de a crea un model unificat care să explice toate interacțiunile fundamentale – un fel de „teorie a totului”. Acest lucru ar elimina paradoxurile care apar în prezent atunci când încercăm să aplicăm relativitatea generală (care descrie gravitația) și mecanica cuantică (care guvernează celelalte forțe) la fenomene extreme. De exemplu, în situații extreme precum cele care apar în interiorul găurilor negre sau imediat după Big Bang, unde efectele gravitației și ale celorlalte forțe se întrepătrund, teoriile noastre actuale devin incompatibile. Abordarea lui Partanen și Tulkki ar face posibilă depășirea acestor contradicții și ar oferi o descriere mai unificată și mai precisă a universului la aceste scări extreme.

Unificarea gravitației în acest mod cu celelalte forțe fundamentale ar putea avea repercusiuni majore. Aceasta ar oferi o mai bună înțelegere a fenomenelor extreme pe care teoriile actuale se străduiesc să le descrie, cum ar fi natura găurilor negre sau condițiile speciale de la începutul universului. De asemenea, ar putea deschide calea unor descoperiri privind originea materiei și antimateriei în univers, o întrebare care îi intrigă pe fizicieni de zeci de ani. Asimetria dintre cantitatea de materie și antimaterie din universul observabil este unul dintre cele mai fascinante mistere ale cosmologiei. Prin reconcilierea gravitației cu mecanica cuantică, teoria lui Partanen și Tulkki ar putea oferi, de asemenea, o mai bună înțelegere a fenomenelor de înaltă energie, în care forțele gravitaționale devin la fel de importante ca și celelalte forțe fundamentale, cum ar fi în zonele din apropierea găurilor negre sau în primele momente după Big Bang.

Deși această abordare este promițătoare, ea trebuie încă testată riguros. Unul dintre aspectele esențiale ale modelului este tehnica renormalizării, care este utilizată pentru a gestiona „infinitățile” care apar în calculele teoretice. S-a demonstrat că renormalizarea funcționează pentru termenii de prim ordin, dar rămâne de văzut dacă poate fi aplicată termenilor de ordin superior necesari pentru ca teoria să fie pe deplin valabilă. Dacă renormalizarea eșuează în acest context, aceasta ar putea invalida anumite aspecte ale teoriei.  Partanen și Tulkki sunt optimiști. În opinia lor, cu mai multă cercetare și timp, teoria lor ar putea fi rafinată și validată. Rezultatele preliminare ale activității lor au fost deja publicate și prezentate comunității științifice pentru validare și dezbatere. Prin această validare colectivă, teoria ar putea lua avânt.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România