In het begin was er … nou ja, misschien was er geen begin. Misschien heeft ons universum altijd al bestaan - en de nieuwe theorie van kwantumzwaartekracht laat zien hoe dit zou kunnen werken.
"Er zijn zoveel dingen in de werkelijkheid die de meeste mensen associëren met sciencefiction of zelfs fantasie", vertelde Bruno Bento, een natuurkundige die de aard van tijd bestudeert aan de Universiteit van Liverpool in het VK, aan WordsSideKick.com.
In zijn werk gebruikte hij een nieuwe theorie van kwantumzwaartekracht, de theorie van causale verzamelingen, waarin ruimte en tijd zijn verdeeld in afzonderlijke delen van ruimte-tijd. Volgens deze theorie is er op een bepaald niveau een fundamentele eenheid van ruimte-tijd.
Bento en zijn medewerkers gebruikten deze causale benadering om het begin van het universum te verkennen. Ze ontdekten dat het heel goed mogelijk is dat het universum geen begin heeft gehad - het heeft altijd bestaan in het oneindige verleden en is pas onlangs veranderd in wat we de oerknal noemen.
Kwantum van zwaartekracht.
Kwantumzwaartekracht is misschien wel het meest irritante probleem in de moderne natuurkunde. We hebben twee uiterst effectieve theorieën over het universum: kwantumfysica en algemene relativiteitstheorie. De kwantumfysica heeft met succes drie van de vier fundamentele natuurkrachten (elektromagnetisme, zwakke interactie en sterke interactie) tot op microscopisch kleine schaal beschreven. Aan de andere kant is de algemene relativiteitstheorie de krachtigste en meest complete beschrijving van de zwaartekracht die ooit is uitgevonden.
Maar ondanks al zijn sterke punten is de algemene relativiteitstheorie onvolledig. Op ten minste twee specifieke plaatsen in het heelal werkt de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie gewoon niet, zonder betrouwbare resultaten te geven: in de centra van zwarte gaten en aan het begin van het heelal. Deze gebieden worden 'singulariteiten' genoemd, wat betekent dat punten in de ruimtetijd waar onze huidige natuurwetten instorten, en het zijn wiskundige waarschuwingssignalen dat de algemene relativiteitstheorie over zichzelf struikelt. Binnen beide singulariteiten wordt de zwaartekracht ongelooflijk sterk op zeer kleine lengteschalen.
Dus, om de mysteries van de singulariteiten te ontrafelen, hebben natuurkundigen een microscopische beschrijving van sterke zwaartekracht nodig, ook wel de kwantumtheorie van de zwaartekracht genoemd. Er zijn veel kanshebbers, waaronder snaartheorie en luskwantumzwaartekracht.
En er is nog een andere benadering die ons begrip van ruimte en tijd volledig verandert.
Causale verzamelingentheorie
In alle moderne natuurkundige theorieën zijn ruimte en tijd continu. Ze vormen het gladde weefsel dat ten grondslag ligt aan alle werkelijkheid. In zo'n continue ruimte-tijd kunnen twee punten in de ruimte zo dicht mogelijk bij elkaar liggen en kunnen twee gebeurtenissen zo dicht mogelijk bij elkaar in de tijd plaatsvinden.
Maar een andere benadering, de causale verzamelingenleer genoemd, stelt de ruimtetijd opnieuw voor als een reeks discrete fragmenten of ruimtetijd-"atomen". Deze theorie zou strikte limieten opleggen aan hoe dicht gebeurtenissen in ruimte en tijd kunnen zijn, aangezien ze niet dichterbij kunnen zijn dan de grootte van een 'atoom'.
Als je bijvoorbeeld naar je scherm kijkt en dit leest, lijkt alles soepel en continu. Maar als je door een vergrootglas naar hetzelfde scherm kijkt, zie je pixels die de ruimte verdelen, en merk je dat het onmogelijk is om twee afbeeldingen op het scherm dichterbij dan één pixel te brengen.
Deze theorie van de natuurkunde maakte Bento enthousiast. "Ik vond het geweldig om deze theorie te vinden die niet alleen probeert zo fundamenteel mogelijk te worden - door kwantumzwaartekracht te benaderen en het hele begrip ruimtetijd daadwerkelijk te herdefiniëren - maar ook om tijd en wat het fysiek betekent te centraliseren. die tijd zal verstrijken, hoe fysiek je verleden werkelijk is en of de toekomst al bestaat ”, vertelde Bento aan WordsSideKick.com.
Het begin van de tijd
Causale verzamelingenleer is essentieel voor de aard van tijd.
“Een groot deel van de filosofie van causale verzamelingen is dat het verstrijken van de tijd iets fysieks is en niet kan worden toegeschreven aan een opkomende illusie of aan iets dat in onze hersenen gebeurt waardoor we denken dat de tijd verstrijkt; deze walkthrough is zelf een manifestatie van fysieke theorie, 'zei Bento. "Dus, in de causale verzamelingentheorie, zal de causale verzameling atoom voor atoom groeien en groter en groter worden."
De causale verzameling benadering verwijdert netjes het Big Bang-singulariteitsprobleem, omdat singulariteiten in theorie niet kunnen bestaan. Materie kan niet worden gecomprimeerd tot oneindig kleine punten - ze kunnen niet kleiner zijn dan de grootte van een atoom in ruimte-tijd.
Dus hoe ziet het begin van ons universum eruit zonder de oerknal-singulariteit? Het was hier dat Bento en zijn medewerker Stav Zalel, een afgestudeerde student aan het Imperial College London, de draad oppikten door te onderzoeken wat de causale verzamelingenleer zegt over de vroege dagen van het universum. Hun werk werd op 24 september gepubliceerd in de arXiv preprint database. (Het artikel is nog niet gepubliceerd in een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift.)
Het artikel onderzocht "of het had moeten bestaan in een causale benadering", zei Bento. “In de oorspronkelijke formulering en dynamiek van de causale verzameling, klassiek gesproken, groeit de causale verzameling uit het niets in het universum dat we vandaag zien. In plaats daarvan zou er geen oerknal zijn als een begin in ons werk, omdat de causale verzameling oneindig zou zijn tot het verleden, en daarom is er altijd iets ervoor. “
Hun werk impliceert dat het universum misschien geen begin heeft gehad - dat het gewoon altijd heeft bestaan. Wat wij waarnemen als de oerknal zou alleen een speciaal moment kunnen zijn in de evolutie van dit altijd bestaande causale aggregaat, en niet het echte begin.
Er is echter nog veel werk aan de winkel. Het is nog niet duidelijk of deze gratuite causale benadering fysieke theorieën mogelijk maakt waarmee we kunnen werken om de complexe evolutie van het universum tijdens de oerknal te beschrijven.
"Je kunt je nog steeds afvragen of deze [causale benadering] op een 'slimme' manier kan worden geïnterpreteerd, of wat dergelijke dynamiek fysiek in bredere zin betekent, maar we hebben aangetoond dat structuur inderdaad mogelijk is," zei Bento. "Dus in ieder geval wiskundig kan het worden gedaan."
