Překvapivý objev: Kosmologická konstanta se v kvantové gravitaci chová jako kvantový Hallův jev

Kvantová gravitace představuje jednu z největších výzev moderní fyziky. Navzdory obrovskému pokroku v kvantové teorii se zdá, že každá nová kvantová technika naráží na problémy při aplikaci na gravitaci. Příkladem je použití kvantových fluktuací a renormalizace.

Kvantová gravitace představuje jednu z největších výzev moderní fyziky. Navzdory obrovskému pokroku v kvantové teorii se zdá, že každá nová kvantová technika naráží na problémy při aplikaci na gravitaci. Příkladem je použití kvantových fluktuací a renormalizace. Zatímco tyto metody fungují skvěle pro jednotlivé částice a elektromagnetická pole, při pokusu o kvantování gravitačního pole selhávají. Důvodem je, že v obecné relativitě hmotnost a energie systému zakřivují časoprostor, což vede k nekonečným součtům, které nelze renormalizovat.

Tyto problémy vedly k vývoji modelů, jako je smyčková kvantová gravitace. Místo snahy vypočítat chování kvantových částic v proměnlivém časoprostorovém pozadí se tento přístup snaží chápat celou strukturu hmoty, energie a časoprostoru jako jediný kvantový systém. Tímto způsobem lze v mnoha případech překonat problém renormalizace. Jedním z případů, kde se smyčková kvantová gravitace potýká s obtížemi, je kosmologická konstanta. Ta je ve většině kosmologických modelů zodpovědná za rozpínání vesmíru a jako univerzální pole temné energie zesiluje součty smyčkové kvantové gravitace, což opět vede k divergenci. Dosud se tento problém obcházel fixováním kosmologické konstanty na určitou hodnotu, což však není skutečné řešení.

Nová studie publikovaná v časopise Physical Review Letters však naznačuje, že situace nemusí být tak špatná. Autoři v ní demonstrují zajímavou podobnost mezi kosmologickou konstantou ve smyčkové kvantové gravitaci a kvantovým Hallovým jevem ve standardní kvantové teorii. Kvantový Hallův jev je jev, při kterém se elektrická vodivost v tenkém vodiči v silném magnetickém poli kvantuje, tedy nabývá diskrétních hodnot.

Vědci zjistili, že pro konkrétní model, známý jako Chern-Simons-Kodamův stav, je kosmologická konstanta uzamčena do diskrétních hodnot, podobně jako se kvantuje Hallův stav. To znamená, že kosmologická konstanta není ovlivněna sekundárními kvantovými fluktuacemi, protože energie těchto fluktuací je příliš malá nebo nepravděpodobná na to, aby posunula kosmologickou konstantu na novou hodnotu. Tento objev by mohl vysvětlit, proč jednoduché fixování hodnoty konstanty funguje – v určitých mezích je hodnota uzamčena samotným kvantovým efektem. Jak autoři zdůrazňují, skutečná práce spočívá v detailech a plánují tuto myšlenku dále prozkoumat v budoucím výzkumu. Tento článek však ukazuje, že kvantovou kosmologii možná chápeme o něco lépe, než jsme si mysleli.