А що, якщо у Всесвіту не було початку?

На початку було… ну, може, і не було того початку. Можливо, наш Всесвіт існував завжди — і нова теорія квантової гравітації показує, як таке могло б бути.

Про це повідомляють OstanniPodii.com з посиланням на публікацію видання "Live Science".

"У реальності є так багато речей, які більшість людей асоціюють із науковою фантастикою чи навіть фантазією", - сказав Бруно Бенто, фізик, який вивчає природу часу у Ліверпульському університеті у Великобританії.

У своїй роботі він використав нову теорію квантової гравітації, що називається теорією причинних множин, в якій простір та час розбиваються на дискретні шматки простору-часу. Згідно з цією теорією, на певному рівні існує фундаментальна одиниця простору-часу.

Бенто разом зі співробітниками використовував цей причинно-наслідковий підхід для дослідження початку Всесвіту. Вони виявили, що можливо, Всесвіт не мав початку – що він завжди існував у нескінченному минулому і лише нещодавно розвинувся у те, що ми називаємо Великим вибухом.

Квант гравітації

Квантова гравітація є, мабуть, найнеприємнішою проблемою, з якою стикається сучасна фізика. У нас є дві надзвичайно ефективні теорії Всесвіту: квантова фізика та загальна теорія відносності.

Квантова фізика успішно описала три з чотирьох фундаментальних взаємодій природи (електромагнетизм, слабку взаємодію та сильну взаємодію) аж до мікроскопічних масштабів. Загальна теорія відносності, з іншого боку, є найпотужнішим та найповнішим описом гравітації з коли-небудь створених.

Але, попри всі свої сильні сторони, загальна теорія відносності є неповною. Принаймні у двох конкретних місцях Всесвіту математика загальної теорії відносності просто ламається, не даючи правдивих результатів: у центрах чорних дір та на початку Всесвіту.

Ці області називаються "сингулярностями", які є місцями у просторі-часі, де руйнуються наші поточні закони фізики, і вони є математичними попереджувальними ознаками того, що теорія загальної відносності спотикається сама об себе. В межах обох цих сингулярностей гравітація стає неймовірно сильною на дуже маленьких масштабах довжини.

Таким чином, для розгадки таємниць сингулярності фізикам потрібен мікроскопічний опис сильної гравітації, який також називають квантовою теорією гравітації. Існує багато претендентів, включаючи теорію струн та петльову квантову гравітацію.

А є ще один підхід, який повністю переписує наше розуміння простору та часу.

Теорія причинних (каузальних) множин

У всіх сучасних теоріях фізики простір та час неперервні. Вони утворюють гладку тканину, яка лежить в основі всієї реальності. У такому безперервному просторі-часі дві точки можуть перебувати якомога ближче одна до одної у просторі, а дві події можуть відбуватися якомога ближче за часом одна до одної.

Але інший підхід, який називається теорією причинних множин, переосмислює простір-час як серію дискретних шматків або "атомів" простору-часову. Ця теорія встановлює жорсткі обмеження щодо того, наскільки близькими можуть бути події у просторі та часі, оскільки вони не можуть бути ближчими, ніж розмір "атома".

Наприклад, якщо ви дивитесь на свій екран, читаючи це, все здається плавним та безперервним. Але якби ви подивились на той самий екран через збільшувальне скло, ви могли б побачити пікселі, що розділяють простір, і виявили б, що неможливо наблизити два зображення на екрані ближче, ніж один піксель.

Ця фізична теорія схвилювала Бенто.

"Я був у захваті від того, що знайшов цю теорію, яка не тільки намагається стати настільки фундаментальною, наскільки це можливо – є підходом до квантової гравітації й насправді переосмислює поняття самого простору-часу, – але також відводить центральну роль часу і тому, що фізично означає проходженню часу, наскільки фізичним є ваше минуле та чи існує майбутнє вже або ні", - сказав Бенто для Live Science.

Початок часу

Теорія каузальних множин має важливі наслідки для природи часу.

"Величезна частина філософії причинних множин полягає в тому, що плин часу є чимось фізичним, що його не слід відносити до якоїсь ілюзії, що виникає, або до того, що відбувається всередині нашого мозку, що змушує нас думати, що час минає; цей плин сам по собі є проявом фізичної теорії", - сказав Бенто. "Отже, у теорії причинних множин каузальна множина зростатиме по одному "атому" за раз і ставатиме все більшою й більшою".

Причинно-наслідковий підхід до множин акуратно усуває проблему сингулярності Великого вибуху, оскільки, згідно з теорією, сингулярності існувати не можуть. Неможливо, щоб матерія стискалася до нескінченно маленьких точок – вони можуть бути не меншими за розмір атома простору-часу.

Отже, без сингулярності Великого вибуху, як виглядає початок нашого Всесвіту? Ось де Бенто та його співавтор Став Залель, аспірант Імперського коледжу Лондона, підхопили цю тему, досліджуючи, що теорія причинних множин може сказати про початкові моменти Всесвіту.

Їх робота представлена у документі, опублікованому 24 вересня в базі даних препринтів arXiv. (Стаття ще не опублікована у рецензованому науковому журналі.)

У роботі досліджувалося, "чи має існувати початок у підході з причинною множиною", - сказав Бенто.

"В оригінальному формулюванні та динаміці каузальної множини, класично кажучи, причинна множина переростає з нічого у Всесвіт, який ми бачимо сьогодні. Натомість у нашій роботі не було б Великого вибуху як початку, оскільки причинна множина була б нескінченною для минулого, і тому завжди є щось, що було раніше".

Їх робота означає, що Всесвіт, можливо, не мав початку – він існував просто завжди. Те, що ми сприймаємо як Великий вибух, могло бути лише особливим моментом еволюції цієї причинної множини, що завжди існує, а не справжнім початком.

Проте ще належить зробити багато роботи. Поки незрозуміло, чи може цей безпочатковий каузальний підхід дозволити створити фізичні теорії, з якими ми можемо працювати, щоб описати складну еволюцію Всесвіту під час Великого вибуху.

"Можна все ще поставити питання, чи можна цей [підхід причинних множин] інтерпретувати "розумно", або що така динаміка фізично означає у ширшому сенсі, але ми показали, що така основа дійсно можлива", - сказав Бенто. "Так що принаймні математично це можна зробити".

Іншими словами, це… початок.

–––––-

Детальний, напівпедагогічний опис (англійською мовою) теорії каузальних множин з формулами та графіками є у цій роботі на arXiv на 78 сторінок. Короткий опис нижче.

Підхід теорії причинних множин (ТПМ) до квантової гравітації постулює, що на самому фундаментальному рівні простір-час дискретний, а просторово-часовий континуум замінений локально кінцевими множинами або "причинними множинами".

Частковий порядок на причинній множині являє собою зв′язок з прото-причинністю, а локальна кінцевість кодує внутрішню дискретність.

При континуумному наближенні перше відповідає відношенню причинності у просторі-часі, а друге – фундаментальній атомарності простору-часу, так що області кінцевого обсягу в континуумі містять лише кінцеве число елементів причинної множини.

ТПМ глибоко вкорінена в лоренцевому характері простору-часу, де головну роль грає посет (частково впорядкована множина) причинної структури.

Важливо відзначити, що припущення про фундаментальну дискретність в ТПМ не порушує локальну лоренцеву інваріантність в континуумному наближенні. З іншого боку, поєднання дискретності та лоренц-інваріантності призводить до характерної нелокальності, яка відрізняє ТПМ від більшості інших підходів до квантової гравітації.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.