Квантовая гравитация без свободных параметров: новое исследование подтверждает давнюю идею Эйнштейна

Одна из главных целей современной фундаментальной физики заключается в создании единой теории, способной объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Несмотря на огромные успехи науки в XX и XXI веках, эти два столпа современной физики по-прежнему остаются несовместимыми на глубинном уровне. Именно поэтому поиск теории квантовой гравитации считается одной из важнейших задач современной науки.

Недавнее исследование международной группы ученых позволило сделать важный шаг в этом направлении. Физики получили результаты, которые поддерживают одну из наиболее известных идей Альберта Эйнштейна о природе фундаментальных законов Вселенной. Согласно этой идее, в окончательных уравнениях природы не должно существовать произвольно задаваемых параметров, которые необходимо вводить извне. Все величины должны естественным образом вытекать из самой структуры физической теории.

На первый взгляд этот вопрос может показаться сугубо математическим, однако его значение трудно переоценить. Многие современные физические модели содержат параметры, значения которых определяются экспериментально. Например, масса элементарных частиц или силы фундаментальных взаимодействий задаются числами, которые теория принимает как данность. Но если существует действительно фундаментальная теория природы, то возникает вопрос: откуда берутся эти числа и почему они имеют именно такие значения?

Эйнштейн полагал, что окончательные законы физики должны быть максимально самодостаточными. По его мнению, природа не должна зависеть от произвольно выбранных констант или внешних настроек. Вместо этого все характеристики Вселенной должны являться следствием внутренних закономерностей самой теории.

Современные исследования квантовой гравитации во многом опираются на это философское и математическое предположение. Многие физики считают, что если удастся построить полную теорию квантовой гравитации, она должна автоматически определять все свои параметры без необходимости вводить их извне.

Чтобы проверить эту идею, исследователи обратились к конформным теориям поля — одному из наиболее мощных математических инструментов современной теоретической физики. Конформные теории описывают системы, свойства которых остаются неизменными при изменении масштаба наблюдения. Такие модели широко используются в квантовой теории поля, физике элементарных частиц, статистической механике и исследованиях квантовой гравитации.

Особый интерес представляют так называемые точно маргинальные операторы. Эти математические объекты позволяют плавно изменять параметры теории без разрушения ее основных симметрий. Благодаря их существованию возникает целое семейство тесно связанных между собой теорий, которое физики называют конформным многообразием.

Долгое время оставался открытым вопрос: если такое непрерывное семейство теорий действительно существует, обязательно ли за каждым изменяемым параметром стоит конкретный физический оператор внутри самой теории? Или же некоторые параметры могут существовать независимо, словно внешние ручки настройки?

Ответить на этот вопрос попыталась международная группа исследователей под руководством доцента Юя Кусуки из Университета Кюсю. В работе также приняли участие ученые из Европейского центра ядерных исследований CERN, Туринского университета и Калифорнийского технологического института.

Исследователи рассмотрели математическую структуру конформных теорий поля и проанализировали так называемые конформные интерфейсы. Эти объекты можно представить как своеобразные границы между двумя очень похожими теориями. Если различия между теориями исчезают, граница также становится незаметной.

Ученые показали, что именно свойства таких интерфейсов позволяют восстановить оператор, отвечающий за изменение параметров теории. Иными словами, величины, которые раньше могли казаться свободно регулируемыми, на самом деле оказываются связанными с конкретными локальными объектами внутри самой теории.

Полученный результат имеет особенно важное значение благодаря знаменитому соответствию AdS/CFT — одному из самых глубоких открытий современной теоретической физики. Эта концепция устанавливает связь между конформной теорией поля и квантовой гравитацией в пространстве анти-де Ситтера.

Соответствие AdS/CFT часто называют своеобразным словарем между двумя различными описаниями одной и той же физической реальности. Благодаря этой связи выводы, полученные в рамках конформных теорий поля, могут многое рассказать о свойствах будущей теории квантовой гравитации.

Согласно результатам исследования, непрерывные параметры в рамках таких моделей не являются независимыми внешними величинами. Вместо этого они возникают из физических объектов, уже присутствующих в самой теории. Это означает, что квантовая гравитация может действительно подчиняться принципу отсутствия свободно выбираемых параметров.

Фактически работа предоставляет математическую поддержку одной из центральных идей современной программы поиска фундаментальных законов природы. Если результаты окажутся применимыми к более широкому классу теорий, они могут помочь понять, почему Вселенная обладает именно тем набором физических констант, который мы наблюдаем.

Особый интерес вызывает связь исследования с вопросом происхождения физических законов. Многие современные теории допускают существование огромного числа возможных вариантов Вселенной с различными параметрами. Однако если все параметры возникают из внутренней структуры теории, число допустимых вариантов может оказаться значительно более ограниченным.

Авторы подчеркивают, что пока результаты доказаны только для двумерных конформных теорий поля. Хотя такие модели играют важную роль в теоретической физике, реальная Вселенная имеет большее число измерений. Поэтому следующим шагом станет проверка того, сохраняются ли аналогичные закономерности в более сложных теориях.

Если дальнейшие исследования подтвердят полученные выводы, это станет важным аргументом в пользу того, что фундаментальные законы природы обладают глубокой внутренней завершенностью. В таком случае параметры, которые сегодня кажутся случайными числами, могут оказаться следствием более глубоких математических принципов.

Поиск квантовой гравитации остается одной из самых сложных интеллектуальных задач человечества. Однако подобные исследования постепенно приближают ученых к пониманию того, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне. Возможно, именно такие работы в будущем помогут создать теорию, которая объединит все известные взаимодействия природы и даст ответ на вопрос, существуют ли в законах мироздания действительно случайные величины или же все параметры неизбежно следуют из единой структуры реальности.