В начале было… ну, может, и не было начала. Возможно, наша Вселенная существовала всегда — и новая теория квантовой гравитации показывает, как это могло работать.
«В реальности так много вещей, которые у большинства людей ассоциируются с научной фантастикой или даже фэнтези», — сказал Live Science Бруно Бенто, физик, изучающий природу времени в Ливерпульском университете в Великобритании.
В своей работе он использовал новую теорию квантовой гравитации, названную теорией причинных множеств, в которой пространство и время делятся на дискретные части пространства-времени. Согласно этой теории, на определенном уровне существует фундаментальная единица пространства-времени.
Бенто и его сотрудники использовали этот каузальный подход для изучения происхождения Вселенной. Они обнаружили, что вполне возможно, что у Вселенной не было начала — она всегда существовала в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.
Квант гравитации.
Квантовая гравитация, пожалуй, самая сложная проблема современной физики. У нас есть две чрезвычайно эффективные теории Вселенной: квантовая физика и общая теория относительности. Квантовая физика успешно описала три из четырех фундаментальных сил природы (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие) вплоть до микроскопических масштабов. С другой стороны, общая теория относительности — самое мощное и полное описание гравитации из когда-либо придуманных.
Но при всех своих достоинствах общая теория относительности неполна. Как минимум в двух конкретных местах во Вселенной математика общей теории относительности просто не работает, не давая надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной. Эти области называются «сингулярностями», то есть точками в пространстве-времени, где наши текущие законы физики нарушаются, и они являются математическими предупредительными знаками того, что общая теория относительности спотыкается о саму себя. В обеих этих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной на очень малых масштабах длины.
Таким образом, чтобы разгадать тайны сингулярностей, физикам необходимо микроскопическое описание сильной гравитации, также называемое квантовой теорией гравитации. Есть много претендентов, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.
И есть еще один подход, который полностью меняет наше представление о пространстве и времени.
Причинная теория множеств
Во всех современных физических теориях пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, лежащую в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, а два события могут происходить как можно ближе друг к другу во времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов или «атомов» пространства-времени. Эта теория накладывает строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Например, если вы посмотрите на свой экран и прочитаете это, все кажется плавным и непрерывным. Но если вы посмотрите на тот же экран через увеличительное стекло, вы увидите пиксели, разделяющие пространство, и обнаружите, что невозможно сблизить два изображения на экране более чем на один пиксель.
Эта теория физики взволновала Бенто. «Я был в восторге, обнаружив эту теорию, которая не только пытается стать как можно более фундаментальной — приближаясь к квантовой гравитации и фактически переопределяя само понятие пространства-времени, — но также централизуя время и его физический смысл. что время пройдет, насколько физически на самом деле является ваше прошлое и существует ли уже будущее», — сказал Бенто в интервью Live Science.
Начало времени
Теория каузальных множеств имеет важное значение для природы времени.
«Огромная часть философии каузальных наборов состоит в том, что течение времени является чем-то физическим и не может быть приписано какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит в нашем мозгу, что заставляет нас думать, что время проходит; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», — сказал Бенто. «Итак, в теории причинных множеств причинное множество будет расти по одному атому за раз и становиться все больше и больше».
Причинно-множественный подход аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что сингулярности не могут существовать в теории. Материя не может быть сжата до бесконечно малых точек — они могут быть размером не меньше атома в пространстве-времени.
Так как же выглядит начало нашей Вселенной без сингулярности Большого Взрыва? Именно здесь Бенто и его соавтор Став Залел, аспирант Имперского колледжа Лондона, подхватили тему, исследуя, что теория причинных множеств говорит о ранних днях Вселенной. Их работа была опубликована 24 сентября в базе препринтов arXiv. (Статья еще не была опубликована в рецензируемом научном журнале.)
В статье исследуется, «должно ли это было начать существовать в причинно-следственном подходе», — сказал Бенто. «В исходной формулировке и динамике каузального множества, классически говоря, каузальное множество вырастает из ничего во вселенную, которую мы видим сегодня. Вместо этого в нашей работе не было бы Большого Взрыва как начала, поскольку каузальное множество было бы бесконечным до прошлого, и, следовательно, всегда есть что-то до него. “
Их работа подразумевает, что у Вселенной, возможно, не было начала — что она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой Взрыв, могло быть только особым моментом в эволюции этой вечно существующей причинной совокупности, а не истинным началом.
Однако предстоит еще много работы. Пока неясно, может ли этот необоснованный причинно-следственный подход позволить физические теории, с которыми мы можем работать, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.
«Все еще можно задаться вопросом, можно ли интерпретировать этот [причинный подход] «умно» или что такая динамика физически означает в более широком смысле, но мы показали, что структура действительно возможна», — сказал Бенто. «По крайней мере, математически это можно сделать».
