Вселенная существовала всегда

В начале было... ну, может быть, начала не было. Возможно, наша Вселенная существовала всегда - и новая теория квантовой гравитации показывает, как это может работать.

"В реальности есть так много вещей, которые большинство людей ассоциируют с фантастикой или даже фэнтези", - говорит 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 разбиваются на дискретные фрагменты пространства-времени. Согласно этой теории, на каком-то уровне существует фундаментальная единица пространства-времени.

Бенто и его соавторы использовали этот метод причинных множеств для изучения начала Вселенной. Они обнаружили, что возможно, что у Вселенной не было начала - что она всегда существовала в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.

Квантовая гравитация - это, пожалуй, самая раздражающая 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, слабые силы и сильные силы) вплоть до микроскопических масштабов. Общая теория относительности, с другой стороны, является самым мощным и полным описанием гравитации из когда-либо созданных.

Но при всех своих достоинствах общая теория относительности является неполной. 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", то есть местами в пространстве-времени, где рушатся наши нынешние законы физики, и они являются математическими предупреждающими знаками о том, что общая теория относительности спотыкается о саму себя. В обеих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной на очень маленьких масштабах длины.

Поэтому, чтобы разгадать тайны сингулярностей, физикам необходимо микроскопическое описание сильной гравитации, также называемое квантовой теорией гравитации. На это есть много претендентов, включая теорию струн и петлевую квантовую гравитацию.

Но есть и другой 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 находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, а два события могут происходить как можно ближе друг к другу во времени.

Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, представляет пространство-время как серию дискретных фрагментов, или "атомов" пространства-времени. Эта теория накладывает строгие ограничения на то, насколько близко события могут находиться в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер "атома".

Например, если вы смотрите на свой экран и читаете эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на тот же экран через увеличительное стекло, то увидели бы пиксели, которые разделяют пространство, и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель.

Эта физическая теория взволновала Бенто. "Я был в восторге, когда нашел эту теорию, которая не только пытается стать как можно более фундаментальной - являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, - но и отводит центральную роль времени и тому, что физически означает прохождение времени, насколько физическим является ваше прошлое и существует ли уже будущее или нет", - сказал Бенто в интервью Live Science.

Начало времени

Теория каузальных множеств имеет важные последствия для природы времени.

"Огромная часть философии каузальных множеств заключается в том, что течение времени - это нечто физическое, что его не следует приписывать какой-то эмерджентной иллюзии или чему-то, что происходит в нашем мозгу и заставляет нас думать, что время проходит; это течение само по себе является проявлением физической теории", - сказал Бенто. "Так, в теории причинных множеств причинное множество будет расти по одному "атому" за раз и становиться все больше и больше".

Подход с использованием причинно-следственных множеств устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что, согласно этой теории, сингулярности не могут существовать. Невозможно, чтобы материя сжималась до бесконечно малых точек - они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.

Так как же выглядит начало нашей Вселенной без сингулярности Большого взрыва? Именно здесь Бенто и его коллега Став Залел, аспирант Имперского колледжа Лондона, подхватили эту тему, исследуя, что теория причинных множеств может сказать о начальных моментах Вселенной. Их работа представлена в статье, опубликованной 24 сентября в базе данных препринтов arXiv. (Статья еще не опубликована в рецензируемом научном журнале).

В работе рассматривается вопрос о том, "должно ли существовать начало в подходе, основанном на причинно-следственных связях", - сказал Бенто. "В оригинальной формулировке и динамике причинного множества, классически говоря, причинное множество вырастает из ничего во вселенную, которую мы видим сегодня. В нашей работе вместо этого не было бы Большого взрыва как начала, так как причинное множество было бы бесконечным в прошлом, и поэтому всегда есть что-то до него".

Их работа предполагает, что у Вселенной, возможно, не было начала - она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, возможно, было лишь определенным моментом в эволюции этого всегда существующего набора причинно-следственных связей, а не настоящим началом.

Однако предстоит еще много работы. Пока неясно, может ли этот подход к причинно-следственной связи без начала позволить создать физические теории, с которыми мы сможем работать, чтобы описать сложную эволюцию Вселенной во время Большого взрыва.

"Можно еще задаться вопросом, можно ли интерпретировать это [подход с использованием причинных множеств] "разумным" образом, или что такая динамика физически означает в более 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.