Было ли у Вселенной начало?

Мы не так часто об этом задумываемся и все же, было ли у Вселенной начало? Согласно ведущей космологической теории, наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Но не все исследователи полагают, что в действительности дело было именно так. Профессор Ливерпульского университета в Великобритании, физик Бруно Бенто считает, что никакого начала Вселенной не было. Возможно, то, что мы называем Вселенной, существовало всегда – и новая теория квантовой гравитации, кажется, может объяснить почему. В ходе работы Бенто и его коллеги использовали новую теорию под названием теория причинных множеств, согласно которой пространство и время разбиты на дискретные фрагменты. На каком-то уровне, как отмечают исследователи, существует фундаментальная единица пространства-времени. Используя новый подход, основанный на причинно-следственных связях, физики обнаружили, что у Вселенной, вполне возможно, не было начала: она существовала всегда, в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.

Главная сила природы

Гравитация, как известно, является генеральным директором космоса, повелителем Вселенной, если хотите. Именно эта сила позволяет звездам и планетам вращаться по орбите, а черным дырам поглощать любые объекты, что оказались поблизости. Благодаря гравитации яблоко упало на голову Исаака Ньютона, а мы с вами не улетаем в небо, стоит нам оторваться от земли.

Будучи фундаментальной силой Вселенной гравитация – в нашем, человеческом понимании – объясняет как движутся небесные тела, а также является главенствующей силой на Земле. Однако, если Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) прекрасно справляется с описанием мира, видимого невооруженным глазом, она, увы, не в полной мере описывает законы, по которым существует таинственный и невидимый мир атомов и частиц. Этот удивительный мир описывает квантовая механика.

Квантовая механика описывает то, как взаимодействуют друг с другом элементарные частицы.

Но так как мы не видим взаимодействия элементарных частиц, нам кажется странным, что квантовый мир так сильно отличается от знакомых объектов (хотя объекты эти целиком и полностью состоят из этих самых частиц).

Так что когда мы смотрим за пределы Земли, на Вселенную, которая намного шире, и начинаем рассматривать большие явления, отложить квантовую физику в сторону не получится.

Хотя сила гравитации является наиболее значительной в космических масштабах, три другие фундаментальные силы природы также играют важную роль – будь то солнечные вспышки или ядерные реакции в недрах звезд. Квантовые эффекты также возникают в ряде таких концепций как Большой взрыв или черные дыры. На самом деле найти что-то, в чем квантовые силы не принимают участия, невозможно.

Квантовая физика подарила миру успешное описание трех из четырех фундаментальных сил природы (электромагнетизма, слабого взаимодействия и сильного взаимодействия) вплоть до микроскопических масштабов. А Общая теория относительности является самым мощным и полным описанием гравитации, когда-либо разработанным.

Наш мир намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Но шанс разгадать фундаментальные тайны Вселенной у нас есть.

Но вернемся к гравитации. Она, как мы уже говорили выше, не вписывается в квантовый мир. И даже в работе Эйнштейна уравнения поля для гравитации не проквантованы. Хотя большинство физиков убеждены, что должен быть какой-то способ объединения гравитации с тремя фундаментальными силами, квантовыми по своей сущности, он по-прежнему представляется трудным для понимания.

Альберт Эйнштейн потратил большую часть последних 30 лет своей жизни на поиск способа сближения гравитации с другими силами, но ему это не удалось.

Таким образом, квантовая гравитация – это общий термин для теорий, которые пытаются объединить гравитацию с другими фундаментальными силами физики (которые уже объединены вместе). Обычно она предполагает существование теоретической виртуальной частицы – гравитона, который опосредует гравитационную силу.

Интересно, что именно наличие гравитона отличает квантовую гравитацию от некоторых других объединенных теорий поля. И все же вынуждены отметить, что ряд существующих теорий наличия гравитона не требуют.

Теория квантовой гравитации

Итак, Стандартная модель физики частиц (разработанная в период с 1970 по 1973 год) постулирует, что остальные три фундаментальные силы природы опосредованы виртуальными бозонами. Фотоны опосредуют электромагнитную силу; бозоны опосредуют слабое ядерное взаимодействие, а глюоны (такие как кварки) опосредуют сильное ядерное взаимодействие. Следовательно, гравитон будет опосредовать гравитационную силу. Если, конечно, эта квантовая частица будет обнаружена.

Ожидается, что гравитон не будет обладать массой (так как действует мгновенно на больших расстояниях), однако, основная проблема экспериментальной проверки любой теории квантовой гравитации заключается в том, что уровни энергии, необходимые для наблюдения гипотез, недостижимы в современных лабораторных экспериментах.

Ткань пространства-времени искривляется массой Солнца

Предположения квантовой гравитации, как правило, заключаются в том, что такая теория окажется одновременно простой и элегантной. По крайней мере в двух конкретных местах во Вселенной, где математика общей теории относительности просто ломается и невозможно получить надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной.

Эти области называются «сингулярностями» – точками в пространстве-времени, где рушатся знакомые нам законы физики. По сути, сингулярность – это математическое предупреждение о том, что ОТО Эйнштейна спотыкается о саму себя. В обеих этих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной в очень малых масштабах.

Но как разгадать тайну сингулярности? Для начала, физикам нужна теория квантовой гравитации. На самом деле на ее роль существует множество претендентов, включая теорию струн и теорию петлевой квантовой гравитации, подробнее о которой мы рассказывали здесь. Но есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.

Теория причинных множеств

Во всех современных теориях 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, и два события могут произойти как можно ближе друг к другу во времени.

Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов, или «атомов» пространства-времени. Эта теория установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».

Новая теория, возможно, сможет объединить ОТО и квантовую механику.

Например, когда вы смотрите на экран, читая эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на этот 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 теория взволновала физика Бруно Бенто из Ливерпульского университета.

Я был взволнован, обнаружив эту теорию, которая не только пытается быть как можно более фундаментальной – являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, но также отводит центральную роль времени и его течению, – рассказал физик в интервью Live Science.

«Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время течет; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», – пишут авторы научной работы.

Теория причинных множеств имеет важные последствия для природы времени.

Итак, в теории причинных множеств причинный набор будет расти по одному «атому» за раз и становиться все больше и больше». Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материя не может сжаться до бесконечно малых точек – они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.

Человеческому глазу не подвластен микромир. Е счастью, у нас есть инструменты, позволяющие увидеть атомы и электроны.

Но как в таком случае выглядит начало нашей Вселенной? Как полагает Ленту и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, теория причинных множеств может об этом многое рассказать. Их работа пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.

В ней физики рассмотрели вопрос о том, «должно ли существовать начало Вселенной в подходе с причинно-следственными связями». В первоначальной формулировке причинный набор вырастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. В новой работе Большого взрыва в качестве начала Вселенной не было, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной в прошлом. Это означает, что в прошлом всегда было что-то еще.

Новая работа подразумевает, что Вселенная, возможно, не имела начала – она просто существовала всегда. То, что мы воспринимаем как Большой взрыв, возможно, было просто особым моментом в эволюции этого всегда существующего причинного набора, а не истинным началом.

Большой взрыв или Ничего?

Согласитесь, весьма захватывающее исследование. В конце концов, больше ста лет физики не могут объединить квантовый мир и мир, который мы видим перед собой. Но даже если работа пройдет экспертную оценку и будет опубликована в научном журнале, у ученых впереди очень много работы.

Ведь мы по-прежнему не знаем, может ли этот беспричинный причинно-следственный подход позволить использовать физические теории для описания сложной эволюции Вселенной во время Большого взрыва.

Возможно когда-нибудь мы разгадаем величайшие тайны Вселенной

Таким образом, вопрос о том, можно ли новый подход интерпретировать «разумным» образом остается открытым. Однако исследователям удалось показать, что подобная структура действительно возможна. По крайней мере математически. Так что в ближайшее время мы и правда может узнать, было ли у Вселенной начало или же она существовала всегда. Будем ждать.