Вначале 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 с фэнтези», - сказал Live Science Бруно Бенто, физик, изучающий природу времени в Ливерпульском университете в Великобритании.
В своей работе он использовал новую теорию квантовой гравитации, называемую теорией причинных множеств, в которой пространство и время разбиты на дискретные части пространства-времени. Согласно этой теории, на определенном уровне существует фундаментальная единица пространства-времени .
Бенто и его сотрудники использовали этот причинно-следственный подход для исследования начала Вселенной. Они обнаружили, что вполне возможно, что у Вселенной не было начала - она всегда существовала в бесконечном прошлом и только недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом .
Квант гравитации
Квантовая гравитация, пожалуй, самая неприятная 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 - это наиболее мощное и полное описание гравитации из когда-либо придуманных.
Но при всех своих сильных сторонах общая теория относительности неполна. По крайней мере, в двух конкретных местах 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 рушатся наши текущие законы физики, и они являются математическими предупреждающими знаками о том, что общая теория относительности спотыкается о самой себе. Внутри обеих этих сингулярностей гравитация становится невероятно сильной на очень крошечных масштабах длины.
Таким образом, для разгадки тайн 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 понимание пространства и времени.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях физики пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, лежащую в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут быть как можно ближе друг к другу в пространстве, а два события могут происходить как можно ближе друг к другу по времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов или пространственно-временных «атомов». Эта теория наложила бы строгие ограничения на то, насколько близко могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Связанный: Можем ли мы остановить время?
Например, если вы смотрите на свой экран и читаете это, все кажется гладким и непрерывным. Но если вы посмотрите на один и тот же экран через увеличительное стекло, вы можете увидеть пиксели, разделяющие пространство, и вы обнаружите, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем один пиксель.
Эта физическая теория взволновала Бенто. «Я был очень рад найти эту теорию, которая не только пытается стать настолько фундаментальной, насколько это возможно - являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, - но также отводит центральную роль времени и тому, что оно физически означает, что время пройдет, насколько на самом деле физически ваше прошлое и существует ли уже будущее », - сказал Бенто Live Science.
Начало времени
Теория причинных множеств имеет важное значение для природы времени.
«Огромная часть философии причинных множеств состоит в том, что течение времени является чем-то физическим, и его нельзя приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит в нашем мозгу, что заставляет нас думать, что время идет; это прохождение само по себе проявление физической теории », - сказал Бенто. «Итак, в теории причинных множеств, причинное множество будет расти на один« атом »за раз и становиться все больше и больше».
Подход причинных множеств аккуратно снимает проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материю невозможно сжать до бесконечно крошечных точек - они могут быть не меньше размера атома пространства-времени.
Итак, как выглядит начало нашей Вселенной без сингулярности Большого взрыва? Именно здесь Бенто и его сотрудник Став Залель, аспирант Имперского колледжа Лондона, подхватили нить, исследуя, что теория причинных множеств говорит о начальных моментах существования Вселенной. Их работа опубликована 24 сентября в базе данных препринтов arXiv . (Статья еще не опубликована в рецензируемом научном журнале.)
В статье исследовалось, «должно ли начало существовать в подходе причинно-следственных связей», - сказал Бенто. «В первоначальной формулировке и динамике причинного множества, классически говоря, причинный набор вырастает из ничего во вселенную, которую мы видим сегодня. Вместо этого в нашей работе не было бы Большого взрыва в качестве начала, поскольку причинное множество было бы бесконечным до прошлое, и поэтому всегда что-то есть раньше ".
Их работа подразумевает, что у Вселенной, возможно, не было начала - что она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, могло быть лишь особым моментом в эволюции этой всегда существующей причинной совокупности, а не истинным началом.
Однако предстоит еще много работы. Пока не ясно, может ли этот беспричинный причинный подход допускать физические теории, с которыми мы можем работать, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.
«Можно все еще спросить, можно ли интерпретировать этот [подход причинно-следственных связей]« разумным »способом или что такая динамика физически означает в более широком смысле, но мы показали, что структура действительно возможна», - сказал Бенто. «Так что, по крайней мере, математически это можно сделать».
Другими словами, это… начало.
