Физики: У Вселенной не было начала
Вначале было… ну, может, и не было начала. Возможно, наша Вселенная существовала всегда — и новая теория квантовой гравитации показывает, как это возможно.
«В реальности так много вещей, которые у большинства людей ассоциируются с научной фантастикой или просто фантастикой», — 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 части пространства-времени. Согласно этой теории, на определенном уровне существует фундаментальная единица пространства-времени.
Бенто и его сотрудники использовали причинно-следственный подход для исследования возникновения 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.
Квантовая гравитация.
Квантовая гравитация, пожалуй, самая большая проблема современной физики. У нас есть две чрезвычайно эффективных теории Вселенной: квантовая физика и общая теория относительности.
Квантовая физика успешно описала три из четырех фундаментальных силы природы (электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие) вплоть до микроскопических масштабов. С другой стороны, общая теория относительности — это наиболее мощное и полное описание гравитации.
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 при возникновении Вселенной.
Эти области называются «сингулярностями» — это точки в пространстве-времени, где рушатся наши текущие законы физики. Внутри обеих сингулярностей гравитация становится невероятно сильной на очень крошечных масштабах.
Таким образом, чтобы разгадать тайны сингулярности, 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, и 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».
Например, если вы смотрите на свой экран и читаете этот текст, 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 на один пиксель.
Начало времени.
Теория причинных множеств имеет большое 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, причинно-следственные связи будут 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 квантовой гравитации 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 исходной формулировке и динамике причинного множества, классически говоря, причинное множество 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 обладает бесконечным прошлым, и поэтому всегда что-то есть раньше».
Их работа подразумевает, что у Вселенной не было начала — что она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, могло быть лишь особым моментом в эволюции всегда существующей причинной совокупности, а не истинным началом.
Однако предстоит еще много работы. Пока не ясно, может ли этот причинный подход допускать физические теории, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.
«Можно спросить, как 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.
