На початку було... ну, можливо, початку не було. Можливо, наш Всесвіт існував завжди - і нова теорія квантової гравітації показує, як це працює.
"У реальності є так багато речей, які більшість людей асоціюють із фантастикою або навіть фентезі", - каже Бруно Бенто, фізик, який вивчає природу часу в Ліверпульському університеті.
У своїй роботі він використовував нову теорію квантової гравітації, відому як теорія причинних множин, де простір і час розбиваються на дискретні ділянки простору-часу. Згідно з цією теорією, на якомусь рівні "з'являється" фундаментальна одиниця простору-часу.
Бенто і його колеги використовували цей причинно-множинний підхід для вивчення початку Всесвіту. Вони виявили, що, можливо, у Всесвіту не було початку - він завжди існував у нескінченному минулому і лише нещодавно перетворився на те, що ми називаємо Великим вибухом.
Квант гравітації
Квантова гравітація - це, мабуть, найбільш розчаровуюча проблема, що стоїть перед сучасною фізикою. У нас є дві надзвичайно ефективні теорії Всесвіту: квантова фізика і загальна теорія відносності.
Квантова фізика і математика успішно описали три з чотирьох фундаментальних сил природи (електромагнетизм, слабкі сили і сильні сили) аж до мікроскопічних масштабів. Загальна теорія відносності, з іншого боку, є найпотужнішим і найповнішим описом гравітації з будь-коли створених.
Але за всіх своїх переваг загальна відносність є неповною. Принаймні у двох конкретних місцях математика загальної теорії відносності просто ламається, не даючи надійних результатів: у центрах чорних дір і на початку Всесвіту.
Ці області називаються "сингулярностями", тобто місцями в просторі-часі, де руйнуються загальноприйняті закони фізики. По суті, вони є математичними попереджувальними знаками про те, що загальна теорія відносності спотикається об саму себе. Усередині обох сингулярностей гравітація стає неймовірно сильною в дуже маленьких масштабах.
Тому, щоб розгадати таємниці сингулярностей, фізикам необхідний мікроскопічний опис сильної гравітації. На теорію є багато претендентів, включно з теорією струн і петльовою квантовою гравітацією.
Але є й інший підхід, який повністю переписує наше розуміння простору і часу.
Теорія причинних множин
У всіх сучасних теоріях фізики простір і час безперервні. Вони утворюють гладку тканину, яка лежить в основі всієї реальності. У такому безперервному просторі-часі дві точки можуть перебувати якомога ближче одна до одної в просторі, а дві події - відбуватися поруч у часі.
Однак інший підхід, званий теорією причинних множин, представляє простір-час як серію дискретних фрагментів, або "атомів" простору-часу. Ця теорія накладає суворі обмеження на те, наскільки близько події можуть перебувати в просторі та часі, оскільки вони не можуть бути ближчими, ніж розмір "атома".
Наприклад, якщо ви дивитеся на свій екран і читаєте цю статтю, все здається гладким і безперервним. Але якби ви подивилися на той самий екран через збільшувальне скло, то побачили б пікселі, які розділяють простір, і виявили б, що неможливо наблизити два зображення ближче, ніж на один піксель.
"Я був у захваті, коли знайшов теорію, яка не лише намагається стати фундаментальною, - будучи підходом до квантової гравітації та фактично переосмислюючи саме поняття простору-часу, - а й відводить центральну роль часу і тому, що фізично означає проходження часу, наскільки фізичним є ваше минуле та чи існує вже майбутнє, чи ні", - переконаний Бенто.
Початок часу
Теорія причинних множин має важливі наслідки для природи часу.
"Величезна частина філософії причинно-наслідкових множин полягає в тому, що плин часу - це щось фізичне, що його не слід приписувати якійсь емерджентній ілюзії чи чомусь, що відбувається в нашому мозку і змушує нас думати, що час минає; цей плин сам по собі є проявом фізичної теорії", - переконаний Бенто.
"Так, у теорії причинна множина зростатиме по одному "атому" за раз і ставатиме дедалі більшою і більшою".
Підхід із використанням причинно-наслідкових множин усуває проблему сингулярності Великого вибуху, тому що сингулярності не можуть існувати. Неможливо, щоб матерія стискалася до нескінченно малих точок - вони можуть стати не меншими за розмір атома простору-часу.
То як же виглядає початок нашого Всесвіту без сингулярності Великого вибуху? Саме тут Бенто має намір зрозуміти, як теорія причинних множин може сказати про початкові моменти Всесвіту.
Їхню роботу представлено в статті, розміщеній 24 вересня в arXiv. (Стаття ще не опублікована в рецензованому науковому журналі).
У статті розглядається питання про те, "чи має існувати початок у підході до причинної множини".
"В оригінальному формулюванні, класично кажучи, причинна множина виростає з нічого у Всесвіт, який ми бачимо сьогодні. У нашій роботі немає Великого вибуху як початку, оскільки причинна множина була б нескінченною в минулому, і тому завжди є щось до неї".
Їхня робота передбачає, що у Всесвіті не було початку - він просто існував завжди. Те, що ми сприймаємо як Великий вибух, можливо, було лише певним моментом в еволюції цього завжди наявного набору причинно-наслідкових зв'язків, а не справжнім початком.
Однак попереду ще багато роботи. Поки незрозуміло, чи може цей підхід створити фізичні теорії, з якими ми зможемо працювати, а також описати складну еволюцію Всесвіту (до)-(під час) Великого вибуху.
"Можна ще задатися питанням, як інтерпретувати це "розумним" чином, або що така динаміка фізично означає в ширшому сенсі, але ми показали, що така основа справді можлива", - каже Бенто. - Так що, принаймні математично, це можна зробити".
Іншими словами, це... початок.
За матеріалами https://www.livescience.com/
