Nová teorie spojuje ranou kosmickou inflaci a kvantovou gravitaci

Současná kosmologie je postavena na třech teoretických pilířích: speciální relativitě, Newtonově gravitaci a kvantové mechanice. Každý z nich je podpořen množstvím experimentálních důkazů, ale každý popisuje fyzikální svět způsobem, který je v rozporu s těmi dvěma dalšími.

Kvantová teorie popisuje drobné objekty. Objekty poháněné elektromagnetickými, silnými a slabými silami. Rozmazaný svět atomů a molekul. Newtonův model popisuje obrovské objekty. Galaxie, černé díry a oběžné dráhy planet. Speciální relativita popisuje prostor a čas. Pozadí, skrze které se atomy, planety a lidé pohybují a interagují.

Kterékoliv dvě z těchto teorií lze sjednotit do konzistentního modelu. Spojte speciální relativitu s gravitací a získáte obecnou relativitu, která popisuje, jak je gravitace zakřivením časoprostoru. Spojte speciální relativitu s kvantovou mechanikou a získáte kvantovou teorii pole. Spojte kvantovou mechaniku a Newtonovu gravitaci a získáte slabou kvantovou gravitaci, která dokáže popsat, jak se atomy a molekuly chovají ve slabém gravitačním poli, jako je to zemské.

Chybí nám teorie, která by všechny tři sjednotila (tzv. Teorie všeho). Jednou z hlavních obtíží je problém renormalizace. Například ve speciální relativitě lze hmotu přeměnit na energii a energii na hmotu. V kvantové teorii se částice mohou spontánně objevovat nebo mizet jako virtuální částice v mezích kvantové neurčitosti. Když tyto dvě teorie propojíte, virtuální částice mají energii, která spustí vznik dalších virtuálních částic. Pokud se pokusíte vypočítat celkovou energii všech virtuálních částic, vystoupí do nekonečna.

Naštěstí je důležitá pouze relativní energie. Matematickým procesem známým jako renormalizace můžete vyrušit virtuální energii kvantových částic a získat tak potřebnou odpověď. Když ale do směsi přidáte gravitaci, vše se rozpadne. Energie virtuálních částic by měla deformovat časoprostor a bez pevného časoprostorového pozadí nelze renormalizaci provést.

Mnoho přístupů ke kvantové gravitaci má tento problém a nelze je renormalizovat. Jeden přístup, známý jako kvadratická kvantová gravitace, však renormalizovat lze. Model v podstatě přidává kvadratické členy do Einsteinových rovnic pole, takže je možné jej renormalizovat podobně jako kvantovou teorii pole. Problém je v tom, že také zavádí kvantové pole „přízračných částic“. Tyto částice se v experimentech s částicovou fyzikou neobjevují, takže kvadratická kvantová gravitace není příliš populární. Je možné, že přízračné částice jsou prostě příliš hmotné na to, aby se objevily v současných experimentech s částicovou fyzikou, ale to teorii činí netestovatelnou.

Nebo jsme si to alespoň mysleli.

Nový článek v časopise The Physical Review Letters tvrdí, že kvadratická kvantová gravitace je důvodem, proč se vesmír v mládí rychle rozpínal. Autoři ukazují, že v rámci kvadratické kvantové gravitace kvadratické členy přirozeně řídí kosmickou expanzi. Jakmile vesmír prochází svou ranou expanzí, je časoprostorová struktura ovládána obvyklými efekty obecné relativity.

Autoři dále ukazují, že model také předpovídá minimální úroveň gravitačních vln pozadí vytvořených během inflačního období. Tyto vlny jsou příliš malé na to, aby je bylo možné detekovat pomocí současných observatoří, ale jsou v dosahu budoucích observatoří, jako je například LISA. Model tedy bude časem testovatelný.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/a-new-theory-connects-early-cosmic-inflation-and-quantum-gravity

autor: František Martinek