Введение в загадки Вселенной

На протяжении десятилетий ученые пытаются найти пятую основную силу природы, способную объяснить загадочные аспекты нашей Вселенной, такие как темная энергия и темная материя. Эти компоненты космоса не могут быть объяснены с помощью известных четырех основных сил: гравитации, электромагнетизма, а также сильных и слабых ядерных взаимодействий.

Долгий путь к теории квантовой гравитации

Параллельно с поисками этой силы, исследователи активно работают над созданием теории квантовой гравитации. Эта теория могла бы объединить лучшее описание нашей Вселенной в больших масштабах — теорию общего относительности Альберта Эйнштейна — и физику субатомных частиц, известную как квантовая механика. Обе эти теории возникли в начале XX века и были экспериментально подтверждены многократно, однако они упорно отказываются объединяться в единую теорию.

Новые открытия в области квантовой гравитации

Теперь эти две научные задачи пересеклись. Новые исследования разработали рамки квантовой гравитации, которые предоставляют подсказки о возможных пятой основной силе природы. Выяснилось, что не все предположения о пятой силе могут быть правдой. Эта сила могла бы проявляться как небольшое отклонение от закона гравитации Исаака Ньютона на малых расстояниях и описываться двумя параметрами: силой действия и диапазоном.

Проблемы и решения

«Одной из основных проблем было преодоление концептуального барьера: квантовая гравитация часто рассматривается как чрезвычайно абстрактная тема, почти невозможно связать ее с наблюдаемыми явлениями», — отметил Альфио Бонанно из Национального института астрофизики (INAF) в письме, переведенном с итальянского. «Это похоже на то, как стоять перед скалистой стеной, которую все считают неприступной. Первый шаг не технический, а ментальный: убедить себя, что возможный путь действительно существует».

Концепция асимптотической безопасности

Рамки квантовой гравитации, исследуемые командой, называются асимптотической безопасностью, которая утверждает, что гравитация может оставаться последовательной и контролируемой даже на высоких энергиях благодаря замедлению силы гравитационного притяжения. Если эта теория будет оставаться в силе на высоких уровнях энергии, Бонанно и его коллеги обнаружили, что диапазон и сила пятой основной силы будут ограничены, что приведет к исключенной области этих параметров.

Экспериментальные перспективы

«Самый захватывающий аспект заключается в том, что часть теоретически исключенной области еще не была исследована экспериментально», — добавил Бонанно. «Это означает, что будущие высокоточные измерения гравитации могут непосредственно протестировать — и потенциально опровергнуть — этот класс моделей, вдохновленных квантовой гравитацией». Обычно физики выдвигают гипотезы о новых силах, а затем определяют, можно ли их обнаружить с помощью экспериментов; это исследование принимает другой подход, исключая определенные возможности для характеристик предложенной силы.

Следы квантовой гравитации в макромире

«Наше исследование показывает, что квантовая гравитация может быть не только действительной теорией при экстремальных и недоступных энергиях, но также может иметь конкретные и проверяемые последствия на значительно больших масштабах», — сказал Эмилиано Главиано из INAF. «Физика бесконечно малых расстояний может оставлять наблюдаемые следы в макроскопическом мире: некоторые возможные новые силы природы могли бы быть исключены не экспериментально, а непосредственно фундаментальными законами теории».

Тестирование квантовой гравитации

Это исследование относится к физике на крошечных масштабах квантовой физики, где должна возникать квантовая гравитация, до масштабов планетарных объектов. Таким образом, следы этой теории квантовой гравитации или пятой основной силы, проявляющиеся как отклонения от законов Ньютона, должны быть подвержены тестированию с помощью широкого спектра экспериментов. Это включает в себя использование техники, называемой атомной интерферометрией, или квантовыми сенсорами для проведения измерений по всей солнечной системе, таких как лазерные раунды на Луне, или на более широких астрономических масштабах, таких как измерение динамики планет.

Заключение

Исследование было опубликовано в мае в журнале Physical Review Letters. Открытия команды открывают новые горизонты для понимания фундаментальных сил природы и их взаимодействий, подчеркивая важность дальнейших испытаний и наблюдений в этой увлекательной области науки.