Современная физика успешно объясняет огромное количество природных явлений, начиная с движения планет и заканчивая взаимодействием элементарных частиц. В основе этой картины лежат четыре фундаментальные силы природы. Именно они определяют устройство атомов, существование звёзд, формирование галактик и эволюцию всей Вселенной.
Однако учёные давно знают, что существующие теории не дают полного описания реальности. Особенно сложной остаётся проблема объединения квантовой механики и общей теории относительности. Новое теоретическое исследование предлагает необычный взгляд на эту задачу. Согласно работе, попытки создать полноценную теорию квантовой гравитации могут привести к открытию ещё одной, пятой фундаментальной силы природы.
Пока речь идёт исключительно о теоретической модели, однако она предлагает конкретные пути для будущих экспериментальных проверок.
Четыре силы, управляющие Вселенной
Вся современная физика основана на четырёх известных фундаментальных взаимодействиях.
Первое из них — гравитация. Именно она удерживает планеты на орбитах, формирует звёзды, галактики и крупномасштабную структуру Вселенной.
Второе — электромагнитное взаимодействие. Благодаря ему существуют свет, электричество, магнетизм, химические связи между атомами и практически вся привычная материя.
Третье — сильное ядерное взаимодействие. Оно удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также связывает сами протоны и нейтроны в атомных ядрах.
Четвёртое — слабое взаимодействие, ответственное за некоторые виды радиоактивного распада и процессы, происходящие внутри звёзд.
Именно эти четыре силы лежат в основе всей современной физической картины мира.
Почему гравитация остаётся особенной
Несмотря на успех современной науки, гравитация до сих пор остаётся наиболее загадочным взаимодействием.
Три фундаментальные силы успешно описываются квантовой теорией поля.
Гравитация же объясняется общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, где она рассматривается не как обычная сила, а как искривление пространства-времени под воздействием массы и энергии.
Каждая из этих теорий великолепно работает в своей области.
Однако при попытке объединить их в единую математическую систему возникают серьёзные противоречия.
Особенно ярко они проявляются в экстремальных условиях — внутри чёрных дыр и в первые мгновения после рождения Вселенной.
Что такое квантовая гравитация
Именно для решения этой проблемы физики уже несколько десятилетий разрабатывают различные варианты квантовой гравитации.
Главная цель заключается в создании единой теории, которая одновременно описывала бы и микромир элементарных частиц, и гравитацию.
Существует несколько известных подходов.
Одни исследователи работают над теорией струн, согласно которой фундаментальные частицы представляют собой чрезвычайно маленькие вибрирующие объекты.
Другие развивают петлевую квантовую гравитацию, предполагающую, что само пространство состоит из своеобразных квантовых элементов.
Однако окончательного решения пока не существует.
Откуда может появиться новая сила
Авторы нового исследования обратили внимание на интересную особенность некоторых моделей квантовой гравитации.
Оказывается, при определённых условиях математическое описание подобных теорий естественным образом приводит к появлению дополнительных полей.
Если такие поля действительно существуют, они способны создавать ещё один тип фундаментального взаимодействия.
Другими словами, пятая сила не вводится искусственно.
Она возникает как следствие более глубокой структуры пространства-времени.
Именно поэтому исследователи считают подобную возможность особенно интересной.
Чем пятая сила отличалась бы от известных взаимодействий
Если новая сила существует, она вряд ли проявляется в привычной жизни.
В противном случае физики давно обнаружили бы её во многочисленных лабораторных экспериментах.
Согласно теоретическим расчётам, её влияние может быть чрезвычайно слабым или проявляться только при определённых энергиях, расстояниях или условиях.
Именно поэтому она могла оставаться незамеченной на протяжении всей истории физики.
Подобные ограничения соответствуют существующим экспериментальным данным.
Почему физики продолжают искать новые взаимодействия
Идея существования дополнительных фундаментальных сил вовсе не является новой.
За последние десятилетия было предложено множество моделей, предсказывающих существование неизвестных взаимодействий.
Большинство из них впоследствии не подтвердилось.
Однако поиск продолжается, поскольку современная физика сталкивается сразу с несколькими серьёзными проблемами.
До сих пор неизвестна природа тёмной материи.
Не объяснена причина ускоренного расширения Вселенной.
Остаётся открытым вопрос объединения всех фундаментальных взаимодействий в единую теорию.
Если новая сила действительно существует, она потенциально может оказаться связана сразу с несколькими из этих загадок.
Как можно проверить новую гипотезу
Главное достоинство любой научной теории заключается в возможности её проверки.
Авторы работы подчёркивают, что их модель допускает экспериментальные исследования.
Поиск новой силы может проводиться несколькими способами.
Физики способны искать мельчайшие отклонения в движении частиц на ускорителях, чрезвычайно слабые изменения гравитационного взаимодействия в высокоточных лабораторных экспериментах или необычные эффекты при наблюдении космических объектов.
Если хотя бы один из подобных экспериментов обнаружит систематические отклонения от существующих моделей, это станет серьёзным основанием для дальнейших исследований.
Почему открытие пятой силы стало бы научной революцией
Если существование нового фундаментального взаимодействия подтвердится, последствия окажутся огромными.
Подобное открытие неизбежно приведёт к пересмотру современной Стандартной модели физики элементарных частиц.
Учёным придётся по-новому взглянуть на происхождение Вселенной, процессы внутри чёрных дыр, свойства пространства-времени и эволюцию космоса.
Фактически физика получит новый раздел, сопоставимый по значимости с открытием электромагнетизма или квантовой механики.
Пока никаких доказательств нет
Исследователи отдельно подчёркивают, что новая работа представляет собой исключительно теоретическое исследование.
На сегодняшний день ни один эксперимент не подтвердил существование пятой фундаментальной силы.
Более того, многочисленные высокоточные измерения пока прекрасно согласуются с существующей физической картиной.
Именно поэтому гипотеза требует очень серьёзной проверки.
Научное сообщество традиционно относится к подобным идеям осторожно, поскольку история физики знает множество красивых моделей, которые не выдержали экспериментальной проверки.
Почему подобные исследования всё равно необходимы
Несмотря на отсутствие подтверждений, подобные теоретические работы играют важную роль в развитии науки.
Именно они предлагают новые направления поиска и помогают определить, какие эксперименты следует проводить в будущем.
Многие открытия прошлого также начинались с математических моделей задолго до появления технологий, способных проверить их экспериментально.
Поиск квантовой теории гравитации остаётся одной из главных задач современной фундаментальной физики. Если в процессе её решения действительно удастся обнаружить ещё одно фундаментальное взаимодействие, это станет одним из крупнейших научных открытий XXI века. Даже если новая сила не существует, исследования подобного рода постепенно приближают учёных к более глубокому пониманию устройства пространства, времени и законов, управляющих всей Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
