Что, если бы у Вселенной не было начала?
AstroNews.ru - 13 Октября 2021 17:08:11
В начале было ... Ну, может быть, и не было никакого начала. Возможно, наша Вселенная существовала всегда - и новая теория квантовой гравитации показывает, как это может работать.
"В реальности есть так много вещей, которые большинство людей ассоциировали бы с научной фантастикой или даже фантазией", - сказал 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 куски пространства-времени. Согласно этой теории, на каком-то уровне существует фундаментальная единица пространства-времени.
Бенто и его сотрудники использовали этот подход, основанный на причинно-следственных связях, для изучения начала Вселенной. Они обнаружили, что вполне возможно, что у Вселенной не было начала - что она всегда существовала в бесконечном прошлом и только недавно эволюционировала в то, что мы называем Большим взрывом.
Квант гравитации
Квантовая гравитация, пожалуй, самая неприятная проблема, с которой сталкивается современная физика. 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 является самым мощным и полным описанием гравитации, когда-либо разработанным.
Но при всех своих сильных сторонах общая теория относительности неполна. По крайней мере в двух конкретных местах во Вселенной математика общей теории относительности просто ломается, не давая надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной. Эти области называются "сингулярностями", которые являются точками в пространстве-времени, где рушатся наши нынешние законы физики, и они являются математическими предупреждающими знаками того, что общая теория относительности спотыкается сама о себя. В пределах обеих этих сингулярностей гравитация становится невероятно сильной в очень малых масштабах длины.
Таким образом, чтобы разгадать тайны сингулярностей, физикам необходимо микроскопическое описание сильной гравитации, также называемое квантовой теорией гравитации. Существует множество претендентов, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.
И есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях физики пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, которая лежит в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут быть как можно ближе друг к другу в пространстве, и два события могут произойти 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 установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер "атома".
Например, вы смотрите на экран читая статью, все кажется плавным и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на один и тот же экран через увеличительное стекло, вы могли бы увидеть пиксели, разделяющие пространство, и вы бы обнаружили, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель.
Эта теория физики взволновала Бенто. "Я был взволнован, обнаружив эту теорию, которая не только пытается стать как можно более фундаментальной - быть подходом к квантовой гравитации и фактически переосмыслить само понятие пространства-времени, - но которая также отводит центральную роль времени и тому, что физически означает прохождение времени, насколько физически ваше прошлое на самом деле и существует ли будущее уже или нет", - сказал Бенто в интервью Live Science.
Начало времен
Теория причинно-следственных связей имеет важное значение для природы времени.
"Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать 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".
Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярностей не может существовать. Материя не может сжаться до бесконечно крошечных точек - они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.
Итак, как выглядит начало нашей Вселенной без сингулярности Большого Взрыва? Именно здесь Бенто и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, подхватили нить, исследуя, что теория причинных множеств может сказать о начальных моментах Вселенной. Их работа опубликована в статье, опубликованной 24 сентября в базе данных препринтов arXiv.
В статье рассматривался вопрос о том, "должно ли существовать начало в подходе причинно-следственных связей", - сказал Бенто. "В первоначальной формулировке и динамике причинно-следственных связей, классически говоря, причинно-следственная связь вырастает из ничего во вселенную, которую мы видим сегодня. Вместо этого в нашей работе не было бы Большого взрыва в качестве начала, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной по отношению к прошлому, и поэтому всегда что-то было раньше".
Их работа подразумевает, что Вселенная, возможно, не имела начала - что она просто всегда существовала. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, возможно, было просто определенным моментом в эволюции этого всегда существующего причинно-следственного набора, а не истинным началом.
Однако предстоит еще многое сделать. Пока неясно, может ли этот беспричинный причинно-следственный подход позволить создать физические теории, с которыми мы можем работать, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.
"Все еще можно спросить, можно ли интерпретировать этот подход к причинно-следственным связям "разумным" образом или что физически означает такая динамика 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.