Ми не так часто про це замислюємося і все ж, чи було у всесвіту початок? згідно з провідною космологічною теорією, наша всесвіт народилася в результаті великого вибуху близько 14 мільярдів років тому і з тих пір розширюється з прискоренням. Але не всі дослідники вважають, що насправді справа була саме так. Професор ліверпульського університету у великобританії, фізик бруно бенто вважає, що ніякого початку всесвіту не було. Можливо, те, що ми називаємо всесвітом, існувало завжди – і нова теорія квантової гравітації, здається, може пояснити чому. В ході роботи бенто і його колеги використовували нову теорію під назвою теорія причинних множин, згідно з якою простір і час розбиті на дискретні фрагменти. На якомусь рівні, як відзначають дослідники, існує фундаментальна одиниця простору-часу. Використовуючи новий підхід, заснований на причинно-наслідкових зв’язках, фізики виявили, що у всесвіту, цілком можливо, не було початку: вона існувала завжди, в нескінченному минулому і лише недавно перетворилася в те, що ми називаємо великим вибухом.
Квантова гравітація, мабуть, найнеприємніша проблема, з якою стикається сучасна фізика. У нас є дві надзвичайно ефективні теорії всесвіту: квантова фізика та загальна теорія відносності.
Головна сила природи
Гравітація, як відомо, є генеральним директором космосу, володарем всесвіту, якщо хочете. Саме ця сила дозволяє зіркам і планетам обертатися по орбіті, а чорним дірам поглинати будь-які об’єкти, що опинилися поблизу. Завдяки гравітації яблуко впало на голову ісаака ньютона, а ми з вами не відлітаємо в небо, варто нам відірватися від землі.
Будучи фундаментальною силою всесвіту гравітація – в нашому, людському розумінні – пояснює як рухаються небесні тіла, а також є чільною силою на землі. Однак, якщо загальна теорія відносності ейнштейна (ото) прекрасно справляється з описом світу, видимого неозброєним оком, вона, на жаль, не в повній мірі описує закони, за якими існує таємничий і невидимий світ атомів і частинок. Цей дивовижний світ описує квантова механіка .
Квантова механіка описує те, як взаємодіють один з одним елементарні частинки.
Але так як ми не бачимо взаємодії елементарних частинок, нам здається дивним, що квантовий світ так сильно відрізняється від знайомих об’єктів (хоча об’єкти ці цілком і повністю складаються з цих самих частинок).
Так що коли ми дивимося за межі землі, на всесвіт, яка набагато ширше, і починаємо розглядати великі явища, відкласти квантову фізику в сторону не вийде.
Хоча сила гравітації є найбільш значною в космічних масштабах, три інші фундаментальні сили природи також відіграють важливу роль-будь то сонячні спалахи або ядерні реакції в надрах зірок. Квантові ефекти також виникають у ряді таких концепцій як великий вибух або чорні діри. Насправді знайти щось, в чому квантові сили не беруть участі, неможливо.
Квантова фізика подарувала світові успішний опис трьох з чотирьох фундаментальних сил природи (електромагнетизму, слабкої взаємодії і сильної взаємодії) аж до мікроскопічних масштабів. А загальна теорія відносності є найпотужнішим і повним описом гравітації, коли-небудь розробленим.
Наш світ набагато більший і складніший, ніж ми можемо собі уявити. Але шанс розгадати фундаментальні таємниці всесвіту у нас є.
Але повернемося до гравітації. Вона, як ми вже говорили вище, не вписується в квантовий світ. І навіть у роботі ейнштейна рівняння поля для гравітації не проквантовані. Хоча більшість фізиків переконані, що повинен бути якийсь спосіб об’єднання гравітації з трьома фундаментальними силами, квантовими за своєю сутністю, він як і раніше видається важким для розуміння.
Альберт ейнштейн витратив більшу частину останніх 30 років свого життя на пошук способу зближення гравітації з іншими силами, але йому це не вдалося.
Таким чином, квантова гравітація – це загальний термін для теорій, які намагаються об’єднати гравітацію з іншими фундаментальними силами фізики (які вже об’єднані разом). Зазвичай вона передбачає існування теоретичної віртуальної частинки-гравітону, який опосередковує гравітаційну силу.
Цікаво, що саме наявність гравітону відрізняє квантову гравітацію від деяких інших об’єднаних теорій поля. І все ж змушені відзначити, що ряд існуючих теорій наявності гравітону не вимагають.
Теорія квантової гравітації
Отже, стандартна модель фізики частинок (розроблена в період з 1970 по 1973 рік) постулює, що інші три фундаментальні сили природи опосередковані віртуальними бозонами. Фотони опосередковують електромагнітну силу; бозони опосередковують слабку ядерну взаємодію, а глюони (такі як кварки) опосередковують сильну ядерну взаємодію. Отже, гравітон буде опосередковувати гравітаційну силу. Якщо, звичайно, ця квантова частинка буде виявлена.
Очікується, що гравітон не буде володіти масою (так як діє миттєво на великих відстанях), однак, основна проблема експериментальної перевірки будь-якої теорії квантової гравітації полягає в тому, що рівні енергії, необхідні для спостереження гіпотез, недосяжні в сучасних лабораторних експериментах.
Тканина простору-часу викривляється масою сонця
Щоб завжди бути в курсі останніх новин зі світу науки і високих технологій, підписуйтесь на наш канал на платформі пульс від mail.ru! так ви точно не пропустите нічого цікавого!
Припущення квантової гравітації, як правило, полягають в тому, що така теорія виявиться одночасно простою і елегантною. Принаймні в двох конкретних місцях у всесвіті, де математика загальної теорії відносності просто ламається і неможливо отримати надійних результатів: в центрах чорних дір і на початку всесвіту.
Ці області називаються “сингулярностями” -точками в просторі-часі, де руйнуються знайомі нам закони фізики. По суті, сингулярність-це математичне попередження про те, що ото ейнштейна спотикається об саму себе. В обох цих сингулярностях гравітація стає неймовірно сильною в дуже малих масштабах.
Але як розгадати таємницю сингулярності? для початку, фізикам потрібна теорія квантової гравітації. Насправді на її роль існує безліч претендентів, включаючи теорію струн і теорію петлевої квантової гравітації, докладніше про яку ми розповідали тут. Але є ще один підхід, який повністю переписує наше розуміння простору і часу .
У всіх сучасних теоріях простір і час безперервні. Вони утворюють гладку тканину, яка лежить в основі всієї реальності. У такому безперервному просторі-часі дві точки можуть знаходитися якомога ближче один до одного в просторі, і дві події можуть відбутися якомога ближче один до одного в часі.
Але інший підхід, званий теорією причинних множин, переосмислює простір – час як серію дискретних фрагментів, або “атомів” простору-часу. Ця теорія встановила б суворі обмеження на те, наскільки близькими можуть бути події в просторі і часі, оскільки вони не можуть бути ближче, ніж розмір «атома».
Нова теорія, можливо, зможе об’єднати ото і квантову механіку.
Наприклад, коли ви дивитеся на екран, читаючи цю статтю, все здається гладким і безперервним. Але якщо б ви подивилися на цей екран через збільшувальне скло, то побачили б пікселі, які поділяють простір і виявили б, що неможливо наблизити два зображення на екрані ближче, ніж на один піксель. Ця теорія схвилювала фізика бруно бенто з ліверпульського університету.
Я був схвильований, виявивши цю теорію, яка не тільки намагається бути якомога більш фундаментальною – будучи підходом до квантової гравітації і фактично переосмислюючи саме поняття простору-часу, але також відводить центральну роль часу і його перебігу, – розповів фізик в інтерв’ю live science.
«величезна частина філософії причинно-наслідкових зв’язків полягає в тому, що протягом часу є чимось фізичним , що його не слід приписувати якоїсь виникаючої ілюзії або чогось, що відбувається всередині нашого мозку, що змушує нас думати, що час тече; це проходження саме по собі є проявом фізичної теорії»,-пишуть автори наукової роботи.
Теорія причинних множин має важливі наслідки для природи часу.
Отже, в теорії причинних множин причинний набір буде рости по одному «атому» за раз і ставати все більше і більше». Підхід зПричинно-наслідковими зв’язками акуратно усуває проблему сингулярності великого вибуху, тому що в теорії сингулярності не можуть існувати . Матерія не може стиснутися до нескінченно малих точок-вони можуть стати не менше розміру атома простору-часу.
Людському оку не підвладний мікросвіт. Е щастя, у нас є інструменти, що дозволяють побачити атоми і електрони.
Але як у такому випадку виглядає початок нашого всесвіту? як вважає стрічку і його колега ставши залель, аспірант лондонського імперського коледжу, теорія причинних множин може про це багато розповісти. Їх робота поки що не пройшла експертну оцінку і опублікована на сервері препринтів arxiv.
У ній фізики розглянули питання про те, «чи має існувати початок всесвіту в підході з причинно-наслідковими зв’язками». У первинному формулюванні причинний набір виростає з нічого у всесвіт, який ми бачимо сьогодні. У новій роботі великого вибуху як початку всесвіту не було, оскільки причинно-наслідковий зв’язок був би нескінченним у минулому. Це означає, що в минулому завжди було щось інше.
Нова робота передбачає, що всесвіт, можливо, не мала початку 8>–>- вона просто існувала завжди. Те, що ми сприймаємо як великий вибух, можливо, було просто особливим моментом в еволюції цього завжди існуючого причинного набору, а не справжнім початком.
Великий вибух або нічого?
Погодьтеся, вельми захоплююче дослідження. Зрештою, більше ста років фізики не можуть об’єднати квантовий світ і світ, який ми бачимо перед собою. Але навіть якщо робота пройде експертну оцінку і буде опублікована в науковому журналі, у вчених попереду дуже багато роботи.
Адже ми як і раніше не знаємо, чи може цей безпричинний причинно-наслідковий підхід дозволити використовувати фізичні теорії для опису складної еволюції всесвіту під час великого вибуху.
Можливо коли – небудь ми розгадаємо найбільші таємниці всесвіту
Таким чином, питання про те, чи можна новий підхід інтерпретувати «розумним» чином залишається відкритим. Однак дослідникам вдалося показати, що подібна структура дійсно можлива. Принаймні математично. Так що найближчим часом ми і правда може дізнатися, чи було у всесвіту початок або ж вона існувала завжди. Будемо чекати.
