А что, если у Вселенной не было начала?

В начале было... ну, может, и не было того начала. Возможно, наша Вселенная существовала всегда — и новая теория квантовой гравитации показывает, как такое могло быть.

Об этом сообщают OstanniPodii.com со ссылкой на публикацию издания "Live Science".

"В реальности есть так много вещей, которые большинство людей ассоциируют 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, называемой теорией причинных множеств, в которой пространство и время разбиваются на дискретные куски пространства-времени. Согласно этой теории, на определенном уровне существует фундаментальная единица пространства-времени.

Бенто вместе с сотрудниками использовал этот причинно-следственный подход для исследования начала Вселенной. Они обнаружили, что возможно, Вселенная не имела начала — что она всегда существовала в бесконечном прошлом и лишь недавно развилась в то, что мы называем Большим взрывом.

Квант гравитации

Квантовая гравитация является, пожалуй, самой неприятной проблемой, 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 взаимодействий природы (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие) до микроскопических масштабов. Общая теория относительности, с другой стороны, является мощным и полным описанием гравитации из когда-либо созданных.

Но, несмотря на все свои сильные стороны, общая теория относительности является неполной. По крайней мере в двух конкретных местах Вселенной математика общей теории относительности просто ломается, не давая правдивых результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной.

Эти области называются "сингулярностями", являющимися местами в пространстве-времени, где разрушаются наши текущие законы физики, и они являются математическими предупредительными признаками того, что теория общей относительности спотыкается сама о себя. В рамках обоих этих сингулярностей гравитация становится невероятно сильной на очень маленьких масштабах длины.

Таким образом, для разгадки тайн сингулярности физикам нужен микроскопическое описание сильной гравитации, которое также называют квантовой теорией гравитации. Существует много претендентов, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.

А есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.

Теория причинных (каузальных) 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 находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, а два события могут происходить как можно ближе по времени друг к другу.

Но другой подход, который называется теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных кусков или "атомов" пространства-времени. Эта теория устанавливает жесткие ограничения относительно того, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер "атома".

Например, если вы смотрите на свой экран, читая это, все кажется плавным и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на тот же экран через увеличительное стекло, вы могли бы увидеть пиксели, разделяющие пространство, и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем один пиксель.

Эта физическая теория взволновала Бенто.

"Я был в восторге от того, что нашел эту теорию, которая не только пытается стать настолько фундаментальной, насколько это возможно — является подходом к квантовой гравитации и в самом деле переосмысливает понятие самого пространства-времени, — но также отводит центральную роль времени и тому, что физически означает прохождению времени, насколько физическим является ваше прошлое и существует ли будущее уже или нет", - сказал Бенто для Live Science.

Начало времени

Теория каузальных множеств имеет важные последствия для природы времени.

"Огромная часть философии причинных множеств заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует относить к какой-то возникающей иллюзии, или к тому, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время проходит; это течение само по себе является проявлением физической теории", - сказал Бенто. "Поэтому, в теории причинных множеств каузальное множество будет расти по одному «атому» за раз и будет становиться все больше и больше".

Причинно-следственный подход к множествам аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, поскольку, согласно теории, сингулярности существовать не могут. Невозможно, чтобы материя сжималась до бесконечно маленьких точек — они могут быть не менее размера атома пространства-времени.

Следовательно, без сингулярности Большого взрыва, как выглядит начало нашей Вселенной? Вот где Бенто и его соавтор Стал Залель, аспирант Имперского колледжа Лондона, подхватили эту тему, исследуя, что теория причинных множеств может сказать о начальные моменты Вселенной.

Их работа представлена в документе, опубликованном 24 сентября в базе данных препринтов arXiv. (Статья еще не опубликована в рецензируемом научном журнале.)

В работе исследовалось, "должно ли существовать начало в подходе с причинным множеством", - сказал Бенто.

"В оригинальной формулировке и динамике каузальной множества, классически говоря, причинное множество перерастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. Зато в нашей работе не было Большого взрыва как начала, так как причинное множество было бы бесконечным для прошлого, и поэтому всегда есть то, что было раньше".

Их работа означает, что Вселенная, возможно, не имел начала — она существовала просто всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, могло быть только особым моментом эволюции этого всегда существующего причинного множества, а не настоящим началом.

Однако еще предстоит сделать много работы. Пока непонятно, может ли этот безначальный каузальный подход позволить создать физические теории, с которыми мы можем работать, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.

"Можно все еще задаться вопросом, можно ли этот [подход причинных множеств] интерпретировать «разумно», или что такая динамика физически означает в широком смысле, но мы показали, что такая основа действительно возможна", - сказал Бенто. "Так что по крайней мере математически это можно сделать".

Другими словами, это... начало.

–––––-

Детальное, полупедагогическое описание (на английском языке) теории каузальных множеств с формулами и графиками в этой работе на arXiv на 78 страниц. Краткое описание ниже.

Подход теории причинных множеств (ТПМ) квантовой гравитации постулирует, что на самом фундаментальном уровне пространство-время дискретно, а пространственно-временной континуум заменен локально конечными множествами или "причинными множествами".

Частичный порядок на причинном множестве представляет собой связь с прото-причинностью, а локальная конечность кодирует внутреннюю дискретность.

При континуумном приближении первое соответствует отношению причинности в пространстве-времени, а второе — фундаментальной атомарности пространства-времени, так что области конечного объема в континууме содержат лишь конечное число элементов причинного множества.

ТПМ глубоко укоренена в лоренцевом характере пространства-времени, где главную роль играет посет (частично упорядоченное множество) причинной структуры.

Важно отметить, что предположение о фундаментальной дискретности в ТПМ не нарушает локальную лоренцевую инвариантность в континуумном приближении. С другой стороны, сочетание дискретности и лоренц-инвариантности приводит к характерной нелокальности, которая отличает ТПМ от большинства других подходов к квантовой гравитации.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.