Uusi painovoimateoria voi antaa vastauksia maailmankaikkeuden syntyyn

Aalto-yliopiston tutkijat ovat tehneet teoreettisessa fysiikassa mahdollisesti mullistavan läpimurron: he ovat kehittäneet uudenlaisen tavan selittää painovoimaa. Tämä voi ratkaista yhden alan sitkeimmistä haasteista – kuinka sovittaa yhteen Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, joka kuvaa painovoimaa, ja kvanttikenttäteoriat, jotka kuvaavat luonnon muita perusvoimia.

Aalto-yliopiston tutkijatohtori Mikko Partanen ja professori Jukka Tulkki ovat kehittäneet uuden aika-avaruuden ja alkeishiukkasten symmetriat yhdistävän painovoiman kvanttikenttäteorian, joka sopii yhteen hiukkasfysiikan standardimallin kanssa. Tämä tarkoittaa, että painovoima voidaan selittää samaan tapaan kuin muut fysiikan perusvoimat eli sähkömagnetismi sekä vahva ja heikko ydinvoima – mikä ei ole koskaan aiemmin onnistunut.

”Jos teoriamme osoittautuu oikeaksi, se tulee jatkotutkimuksen myötä antamaan vastauksia hyvin monimutkaisiin kysymyksiin, jotka liittyvät esimerkiksi mustien aukkojen ja alkuräjähdyksen ymmärtämiseen. Yleinen suhteellisuusteoria ei tähän pysty”, Partanen sanoo.

Fyysikot ovat jo pitkään etsineet painovoiman kvanttiteoriaa eli teoriaa, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdeksi toimivaksi kokonaisuudeksi. Tähän mennessä teoriat ovat toimineet hyvin omilla alueillaan – kvanttimekaniikka kuvaa tarkasti alkeishiukkasten maailmaa, kun taas yleinen suhteellisuusteoria selittää suurten kappaleiden, kuten esimerkiksi planeettojen ja galaksien liikettä. Ongelmana on ollut, että teoriat eivät sovi yhteen ääriolosuhteissa, kuten mustissa aukoissa tai maailmankaikkeuden alkuhetkillä.

Partasen ja Tulkin teoria pyrkii ratkaisemaan tämän ristiriidan käyttäen niin kutsuttua mittakenttäteoriaa hiukkasfysiikan standardimallin tapaan. He ovat osoittaneet, että teoria toimii tiettyyn laskennalliseen pisteeseen asti ja noudattaa niin sanottua renormalisointia – menettelyä, jolla vältetään matemaattisia äärettömyyksiä. Teorian toimivuus vaatii kuitenkin vielä lisätutkimusta. Tutkimus on nyt julkaistu kansainvälisesti arvostetussa Reports on Progress in Physics -lehdessä.

”Haluamme, että muu tiedeyhteisö tarkastelee teoriaa kriittisesti ja osallistuu sen kehittämiseen”, Tulkki sanoo.

Vaikka teoreettisen fysiikan läpimurrot eivät heti näy arjessamme, myös moni nykyteknologian saavutus perustuu juuri niihin – esimerkiksi älypuhelimen GPS toimii Einsteinin kehittämän yleisen suhteellisuusteorian ansiosta.

”Kuten kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria ennen sitä, toivomme teoriamme avaavan täysin uusia väyliä fysiikan tutkimukselle”, Partanen sanoo.