Почему у Вселенной три измерения пространства и одно времени: ответ нашли физики из Белграда

Группа физиков из Белградского университета в Сербии предложила объяснение тому, почему у Вселенной именно три пространственных измерения и одно временное: так складываются простейшие геометрические элементы, из которых построен космос. Работа выложена на сервере препринтов и пока не прошла рецензирование.

Сто лет назад Герман Минковский, математический наставник Эйнштейна, описал пространство и время как единую ткань: три измерения пространства и одно измерение времени. Эйнштейн добавил к этой плоской картине гравитацию, и получилось искривлённое пространство-время. Но почему измерений именно столько, а не два или четыре, теория не объясняла.

Белградские исследователи построили модель квантовой гравитации — области, которая сама по себе остаётся загадочной и спорной, — чтобы проверить, как из простых геометрических элементов возникает привычное соотношение измерений. В модели нет реальных законов физики и сложных взаимодействий: это игрушечная Вселенная, которая уменьшается от четырёх измерений до нуля, как многоуровневый карточный домик.

Начали с четырёхмерных симплексов — простейших многомерных фигур. Четырёхмерный симплекс состоит из трёхмерных тетраэдров, те — из двумерных треугольников, треугольники — из одномерных рёбер, а рёбра сходятся в нульмерных вершинах. Дальше исследователи случайным образом задавали длины рёбер, беря нижнюю границу на планковской длине — около 10⁻³⁵ метра, масштабе, на котором наши физические представления перестают работать. Верхнюю границу задавали по данным Большого адронного коллайдера и гравитационно-волновой сети LIGO-Virgo: от размера всей Вселенной, порядка 10²⁶ метра, до масштаба 10⁻²⁰ метра. Любая «зубчатость» проявлялась бы на масштабе гораздо меньше атома, то есть вне пределов видимости.

Рассмотрели три конфигурации примерно из 100 тысяч симплексов: четырёхмерный шар с границей; четырёхмерную сферу без границы, замыкающуюся сама на себя; и разрозненный набор четырёхмерных симплексов — контрольный вариант из 100 тысяч отдельных деталей. Рёбра деталей трактовали либо как пространственноподобные (аналоги физических расстояний, выражаемые действительными числами), либо как времениподобные (аналоги временных интервалов, выражаемые мнимыми числами), либо как их комбинацию. В общей сложности итоговый набор данных включил более 20 миллиардов оценок этих симуляций.

Результат: примерно в 85 процентах случаев детали складывались в пространство-время с тремя пространственными измерениями и одним временным — по математическим признакам, которые исследователи приписывали измерениям. Около 6 процентов попыток дали евклидову сигнатуру: «замороженную» Вселенную с четырьмя пространственными измерениями и без времени. Ещё примерно 8 процентов — разделённую Вселенную с двумя измерениями пространства и двумя измерениями времени. Правда, это только при трактовке рёбер как пространственноподобных. Если считать их времениподобными или смешанными, сигнатуры содержат два или даже три измерения времени — не ту картину, которую мы воспринимаем как реальность.

Один из неожиданных выводов: казалось бы, нужны и пространственноподобные, и времениподобные рёбра. Но в модели достаточно было только пространственноподобных: рёбра несовпадающей длины часто стыкуются лишь в геометрии, включающей временное направление. Ещё одно удивление — топология почти не влияла: глобальная форма Вселенной — шар, сфера или просто набор деталей — мало что меняла. Возможно, разделение пространства и времени задаётся локально, либо топологические различия невидимы, либо усредняются при достаточном числе элементов.

Авторы оговаривают: дальнейшая работа должна включить другие динамики, например физические законы и разные формы, чтобы проверить, можно ли в конечном счёте понять соотношение измерений пространства-времени как возникающее свойство квантовой геометрии. Работа доступна как препринт и не прошла рецензирование.

Открытый вопрос звучит так: если привычное соотношение трёх пространственных измерений и одного временного возникает из случайных геометрических элементов почти в 85 процентах случаев, то почему мы наблюдаем именно эту конфигурацию, а не одну из тех, что дают два или три измерения времени, — и не является ли наша Вселенная просто наиболее вероятной из возможных геометрий, а не единственно допустимой?