Na začátku byl... no, možná žádný začátek nebyl. Náš vesmír možná vždy existoval – a nová teorie kvantové gravitace ukazuje, jak by to mohlo fungovat.
„Ve skutečnosti je tolik věcí, které si většina lidí spojuje se sci-fi nebo dokonce s fantazií,“ řekl Live Science Bruno Bento, fyzik, který studuje povahu času na University of Liverpool ve Velké Británii.
Ve své práci použil novou teorii kvantové gravitace zvanou teorie kauzálních množin, ve které jsou prostor a čas rozděleny na diskrétní části časoprostoru. Podle této teorie na určité úrovni existuje základní jednotka časoprostoru.
Bento a jeho spolupracovníci použili tento kauzální přístup k prozkoumání počátku vesmíru. Zjistili, že je zcela možné, že vesmír neměl počátek – vždy existoval v nekonečné minulosti a teprve nedávno se změnil v to, čemu říkáme Velký třesk.
Kvanta gravitace.
Kvantová gravitace je možná nejnepříjemnějším problémem moderní fyziky. Máme dvě extrémně účinné teorie vesmíru: kvantovou fyziku a obecnou teorii relativity. Kvantová fyzika úspěšně popsala tři ze čtyř základních přírodních sil (elektromagnetismus, slabou interakci a silnou interakci) až do mikroskopických měřítek. Na druhé straně je obecná teorie relativity nejmocnějším a nejúplnějším popisem gravitace, jaký byl kdy vynalezen.
Ale přes všechny své přednosti je obecná teorie relativity neúplná. Minimálně na dvou konkrétních místech Vesmíru matematika obecné teorie relativity prostě nefunguje, aniž by dávala spolehlivé výsledky: v centrech černých děr a na začátku Vesmíru. Tyto oblasti se nazývají „singularity“, což znamená body v časoprostoru, kde se naše současné fyzikální zákony hroutí, a jsou to matematické varovné signály, že obecná teorie relativity zakopává sama o sebe. V obou těchto singularitách se gravitace stává neuvěřitelně silnou na velmi malých délkách.
K odhalení tajemství singularit tedy fyzici potřebují mikroskopický popis silné gravitace, nazývaný také kvantová teorie gravitace. Existuje mnoho uchazečů, včetně teorie strun a smyčkové kvantové gravitace.
A existuje další přístup, který zcela mění naše chápání prostoru a času.
Teorie kauzálních množin
Ve všech moderních teoriích fyziky jsou prostor a čas spojité. Tvoří hladkou tkaninu, která je základem veškeré reality. V takto souvislém časoprostoru mohou být dva body co nejblíže u sebe v prostoru a dvě události mohou nastat tak blízko sebe, jak je to jen možné.
Ale jiný přístup, nazývaný teorie kauzálních množin, přetváří časoprostor jako sérii diskrétních fragmentů nebo „atomů“ časoprostoru. Tato teorie by stanovila přísná omezení toho, jak blízko mohou být události v prostoru a čase, protože nemohou být blíže než velikost „atomu“.
Pokud se například podíváte na obrazovku a přečtete si toto, vše se zdá plynulé a plynulé. Když se ale podíváte na stejnou obrazovku přes lupu, uvidíte pixely rozdělující prostor a zjistíte, že je nemožné přiblížit dva obrázky na obrazovce než jeden pixel.
Tato fyzikální teorie nadchla Benta. „Byl jsem nadšený, když jsem našel tuto teorii, která se nejen snaží stát se co nejzákladnější – přiblížením se kvantové gravitaci a vlastně předefinováním samotného pojmu časoprostoru – ale také centralizací času a toho, co fyzikálně znamená. že čas uplyne, jak fyzicky je vaše minulost skutečně a zda budoucnost již existuje, “řekl Bento Live Science.
Počátek času
Teorie kauzálních množin je zásadní pro povahu času.
„Velká část filozofie kauzálních množin spočívá v tom, že plynutí času je něco fyzického a nelze to přičítat nějaké vznikající iluzi nebo něčemu, co se děje v našem mozku, kvůli čemuž si myslíme, že čas plyne; tento návod je sám o sobě projevem fyzikální teorie, “řekl Bento. "Takže v teorii kauzálních množin bude kauzální množina růst jeden atom po druhém a bude větší a větší."
Přístup kauzálních množin úhledně odstraňuje problém singularity velkého třesku, protože singularity nemohou teoreticky existovat. Hmotu nelze stlačit do nekonečně malých bodů – nemohou být menší než velikost atomu v časoprostoru.
Jak tedy vypadá začátek našeho vesmíru bez singularity velkého třesku? Právě zde Bento a jeho spolupracovník Stav Zalel, postgraduální student na Imperial College v Londýně, navázali nit tím, že prozkoumali, co teorie kauzálních množin říká o raných dobách vesmíru. Jejich práce byla publikována 24. září v databázi arXiv preprint. (Článek dosud nebyl publikován v recenzovaném vědeckém časopise.)
Článek zkoumal, „zda měl začít existovat v kauzálním přístupu,“ řekl Bento. „V původní formulaci a dynamice kauzální množiny, klasicky řečeno, kauzální množina vyrůstá z ničeho do vesmíru, který dnes vidíme. Místo toho by v naší práci nebyl žádný velký třesk jako začátek, protože kauzální soubor by byl nekonečný až do minulosti, a proto vždy existuje něco předtím. “
Jejich práce naznačuje, že vesmír možná neměl počátek – že prostě vždy existoval. To, co vnímáme jako velký třesk, může být pouze zvláštním okamžikem ve vývoji tohoto stále existujícího kauzálního agregátu, nikoli skutečným začátkem.
Čeká nás však ještě hodně práce. Zatím není jasné, zda tento bezdůvodný kauzální přístup může umožnit fyzikální teorie, se kterými můžeme pracovat při popisu složitého vývoje vesmíru během Velkého třesku.
„Stále se lze ptát, zda lze tento [kauzální přístup] interpretovat ‚chytrým‘ způsobem nebo co taková dynamika fyzicky znamená v širším smyslu, ale ukázali jsme, že struktura je skutečně možná,“ řekl Bento. "Takže alespoň matematicky to lze udělat."
