Спочатку було… ну, може, і не було початку. Можливо, наш Всесвіт існував завжди – і нова теорія квантової гравітації показує, як це могло працювати.
“Реальність має стільки речей, які більшість людей асоціюють із науковою фантастикою або навіть фантазією”,-сказав Бруно Бенто, фізик, який вивчає природу часу в Ліверпульському університеті Великобританії.
У своїй роботі він використав нову теорію квантової гравітації, яка називається теорією причинно-наслідкових множин, в якій простір і час розбиваються на дискретні шматки простору-часу. Згідно з цією теорією, на певному рівні існує фундаментальна одиниця простору-часу.
Бенто та його співробітники використовували цей підхід, встановлений причинно-наслідковою системою, для дослідження початку Всесвіту. Вони виявили, що, можливо, що Всесвіт не мав початку – що він завжди існував у нескінченному минулому і лише недавно перетворився на те, що ми називаємо Великим Вибухом.
Квант гравітації
Квантова гравітація є, мабуть, найнеприємнішою проблемою, що постає перед сучасною фізикою. У нас є дві надзвичайно ефективні теорії Всесвіту: квантова фізика та загальна теорія відносності. Квантова фізика успішно описала три з чотирьох фундаментальних сил природи (електромагнетизм, слабку силу та сильну силу) аж до мікроскопічних масштабів. Загальна теорія відносності, з іншого боку, є найпотужнішим і найповнішим описом сили тяжіння, будь-коли розробленої.
Але, незважаючи на всі свої сильні сторони, загальна теорія відносності є неповною. Принаймні у двох конкретних місцях Всесвіту математика загальної теорії відносності просто ламається, не даючи достовірних результатів: у центрах чорних дір і на початку Всесвіту. Ці області називаються “сингулярностями”, які є місцями в просторі-часі, де руйнуються наші поточні закони фізики, і вони є математичними попереджувальними ознаками того, що теорія загальної теорії відносності спотикається сама над собою. В межах обох цих особливостей гравітація стає неймовірно сильною у дуже маленьких масштабах довжини.
Таким чином, для розгадки таємниць сингулярностей фізикам потрібен мікроскопічний опис сильної гравітації, яка також називається квантовою теорією тяжіння. Існує багато претендентів, включаючи теорію струн і петльову квантову гравітацію.
І є ще один підхід, який повністю переписує наше розуміння простору та часу.
Теорія причинно-наслідкових множин
У всіх сучасних теоріях фізики простір і час неперервні. Вони утворюють гладку тканину, яка лежить в основі всієї реальності. У такому безперервному просторі-часі дві точки можуть перебувати якомога ближче одна до одної у просторі, а дві події можуть відбуватися якомога ближче за часом одна до одної.
“Реальність має стільки речей, які більшість людей асоціюють із науковою фантастикою чи навіть фантазією”. Бруно Бенто
Але інший підхід, який називається каузальною теорією множин, переосмислює простір-час як серію дискретних шматочків, або просторово-часових «атомів». Ця теорія встановлює жорсткі обмеження щодо того, наскільки близькими можуть бути події у просторі та часі, оскільки вони не можуть бути ближчими до розміру “атома”.
Наприклад, якщо ви дивитесь на свій екран, читаючи це, все здається плавним і безперервним. Але якби ви подивились на той самий екран через збільшувальне скло, ви могли б побачити пікселі, які поділяють простір, і виявили б, що неможливо наблизити два зображення до екрану, ніж один піксель.
Ця фізична теорія схвилювала Бенто. “Я був у захваті від того, що знайшов цю теорію, яка не тільки намагається вийти настільки фундаментальною, наскільки це можливо – це підхід до квантової гравітації і насправді переосмислює поняття самого простору-часу, але також відводить центральну роль часу і тому, що він фізично означає час, що проходить, наскільки фізичним є ваше минуле і чи існує майбутнє вже чи ні”, – сказав Бенто в інтерв’ю Live Science.
Простір-час складається з дискретних шматків або просторово-часових “атомів”, подібних до пікселів комп’ютерного зображення.
Початок часу
Теорія причинно -наслідкових множин має важливі наслідки для природи часу.
“Величезна частина філософії причинно-наслідкових зв’язків полягає в тому, що протікання часу є чимось фізичним, що його не слід відносити до якоїсь ілюзії, що виникає, або до того, що відбувається всередині нашого мозку, що змушує нас думати, що час минає; це проходження сам по собі прояв фізичної теорії “, – сказав Бенто. “Отже, у теорії причинно-наслідкових множин причинно-наслідкова множина буде рости по одному “атому” за раз і буде ставати все більшою і більшою”.
Те, що ми сприймаємо як Великий Вибух, могло бути лише особливим моментом еволюції
Підхід причинно-наслідкового набору чітко знімає проблему сингулярності Великого вибуху, оскільки теоретично особливості існувати не можуть. Матерії неможливо стиснутись до нескінченно маленьких точок – вони можуть бути не меншими за розмір атома простору-часу.
Тож без особливості Великого Вибуху, як виглядає наш Всесвіт?
Бенто та його співавтор Став Залель, аспірант Імперського коледжу Лондона, підхопили нитку, досліджуючи, що теорія причинно-наслідкових множин може сказати про початкові моменти Всесвіту. Їх робота опублікована у документі, розміщеному 24 вересня в базі даних препринту arXiv. (Стаття ще не опублікована у рецензованому науковому журналі.)
У документі досліджувалося, “чи має існувати початок у підході причинно-наслідкових зв’язків”, – сказав Бенто. “У формулюванні та динаміці початкової причинної множини, класично кажучи, причинна множина переростає з нічого у Всесвіт, який ми бачимо сьогодні. Натомість у нашій роботі не було б Великого Вибуху як початку, оскільки причинно-наслідковий набір був би нескінченним для минулого, і тому завжди є щось, що було раніше».
Їх робота передбачає, що Всесвіт, можливо, не мав початку – що він існував просто завжди. Те, що ми сприймаємо як Великий Вибух, могло бути лише особливим моментом еволюції цієї завжди існуючої причинно-наслідкової сукупності, а не справжнім початком.
Проте ще багато роботи належить зробити. Поки незрозуміло, чи може цей безпричинний причинно-наслідковий підхід дозволити створити фізичні теорії, з якими ми можемо працювати, щоб описати складну еволюцію Всесвіту під час Великого Вибуху.
“Можна все ще запитати, чи можна цей [підхід причинно-наслідкового набору] інтерпретувати” розумно “, або що фізично означає така динаміка в більш широкому сенсі. Але ми показали, що рамки дійсно можливі”, – сказав Бенто. “Так що принаймні математично це можна зробити”.
Іншими словами, це… початок.
Пол Саттер, астрофізик
Читайте також: Яким буде кінець нашого Всесвіту
Раніше повідомлялося, що блискавки, які вдаряють вгору у космос, здатні руйнувати озоновий шар атмосфери.
Більше новин – у розділі Цікава наука