W projekcie realizowanym przez dr Mehdiego Assanioussiego, który uzyskał finansowanie Narodowego Centrum Nauki w ramach programu SONATA, kluczowym wyzwaniem będzie zrozumienie grawitacji. Czy da się ją pogodzić z badaniami jądrowymi, gdzie od przeszło stu lat fizyka kwantowa wyznacza sposób rozumienia zjawisk i oddziaływań? Jak się zachowuje grawitacja w ekstremalnych warunkach, takich jak czarne dziury czy początkowe chwile wszechświata? W jaki sposób kwantowa teoria pola w ustalonej czasoprzestrzeni wynika z kwantowej teorii grawitacji sprzężonej z polami materii?

Projekt „Pętlowa grawitacja kwantowa z polami materii: granica kontinuum i fenomenologia emergentna” dotyka jednego z głównych wyzwań stojących przed współczesną fizyką teoretyczną, jakim jest połączenie teorii względności, tj. klasycznej teorii oddziaływania grawitacyjnego, z zasadami mechaniki kwantowej. Ten złożony problem polega na szukaniu kwantowej teorii grawitacji, która w sposób spójny pozwala na sprzężenie grawitacji z polami materii modelu standardowego. Zapewnia kompletny opis systemów, w których grawitacja osiąga krytyczne skale, a efekty kwantowe nie mogą być ignorowane, na przykład w czarnych dziurach i we wczesnej fazie ewolucji Wszechświata. Taka teoria niewątpliwie zrewolucjonizowałaby nasze zrozumienie podstaw fizyki. Kierunek badań w tym zakresie znany jest jako kwantowa grawitacja.

"Istnieje kilka podejść, które próbują rozwiązać problem grawitacji kwantowej. Jednym z nich jest program pętlowej grawitacji kwantowej, który jest przedmiotem niniejszego projektu" – wyjaśnia dr Assanioussi. "Pętlowa grawitacja kwantowa podąża za koncepcją kwantyzacji ogólnej teorii względności. Zapewnia wspólne ramy, w których grawitacja i pola materii modelu standardowego są skwantowane w sposób niezależny od tła".

Teoria wynikająca z programu pętlowej grawitacji ma bardzo solidne matematyczne podwaliny. Sugeruje ona, że zarówno przestrzeń jak i czas są skwantowane, a więc istnieją najmniejsze, niepodzielne fragmenty czasoprzestrzeni. Kilka kwestii pozostaje jednak nierozwiązanych. Najpoważniejszym problemem jest kwestia granicy kontinuum, czyli związku między kwantową teorią pola w ustalonej czasoprzestrzeni, a kwantową teorią grawitacji sprzężonej z polami materii. Zagadnienie to ma dużo analogii do prób połączenia klasycznej teorii dynamiki płynów i mechaniki kwantowej.

„Ten projekt opiera się na dwóch głównych filarach” – opisuje dr Assanioussi. „Pierwszy filar dotyczy badania półklasycznych i dynamicznych właściwości pewnych stanów spójnych w kontekście pętlowej grawitacji kwantowej oraz oceny możliwych powiązań między takimi spójnymi stanami i pojawieniem się efektywnej dynamiki w obrębie procesów gruboziarnistych. Celem będzie wykorzystanie tych wyników do skonstruowania procedury renormalizacji dla pętlowej kwantowej teorii grawitacji sprzężonej z polami materii. Drugi filar dotyczy badania fizycznych symetrii czasoprzestrzeni i pól materii w kowariantnych teoriach cechowania oraz ustalenia ich roli w kwantowej teorii grawitacji w połączeniu z polami materii, a także w ramach potencjalnego schematu renormalizacji, aby ostatecznie opracować skuteczne modele na podstawie teorii grawitacji kwantowej i wyprowadzić z niej fenomenologiczne konsekwencje” – podsumowuje lider projektu.

Rzeczywiście plan jest ambitny i dotyka niezwykle wyrafinowanych zagadnień, które wymagają rozległej wiedzy i doświadczenia z matematyki i fizyki. Nawet wielu fizyków ma problemy ze zrozumieniem wszystkich szczegółów technicznych i subtelności. Dlatego jeszcze bardziej podziwiamy dr Assanioussiego i jego wiedzę. Gratulujemy dofinansowania i trzymamy kciuki za niezwykle ciekawe badania na temat zasad funkcjonowania otaczającego nas świata.

Krzysztof Petelczyc