Mokslo ir technologijų pasaulis

Pradžioje buvo... na, galbūt nebuvo pradžios. Galbūt mūsų Visata visada egzistavo – ir nauja kvantinės gravitacijos teorija atskleidžia, kaip tai galėtų veikti.

„Realybė turi tiek daug dalykų, kuriuos dauguma žmonių susietų su moksline fantastika (angl. science fiction) ar net magine fantastika (angl. fantasy)“, – sakė fizikas Bruno Bento, studijuojantis laiko prigimtį Liverpulio universitete Jungtinėje Karalystėje.

Savo darbe jis panaudojo naują kvantinės gravitacijos teoriją, vadinamą priežastinių aibių teorija, kurioje erdvė ir laikas suskirstomi į atskirus erdvėlaikio gabalus. Pagal šią teoriją tam tikru lygmeniu egzistuoja pagrindinis erdvėlaikio vienetas.

Bento ir jo bendradarbiai naudojo šią priežastinių aibių teoriją tyrinėdami Visatos pradžią. Jie nustatė, kad yra įmanoma, jog Visata neturėjo pradžios – kad ji visada egzistavo begalinėje praeityje ir tik neseniai išsivystė į tai, ką mes vadiname Didžiuoju sprogimu.

Gravitacijos kvantas

Kvantinė gravitacija yra bene labiausiai varginanti šiuolaikinės fizikos problema. Mes turime dvi nepaprastai veiksmingas Visatos teorijas: kvantinę fiziką ir bendrąjį reliatyvumą.

Fizika remiasi teorija, kad egzistuoja keturios pagrindinės gamtos jėgos: gravitacija (veikia tarp objektų, turinčių masę), elektromagnetizmas (veikia tarp objektų, turinčių elektrinį krūvį), silpnoji jėga (valdo dalelių irimą) ir stiprioji jėga (jungia kvarkus).

Bendroji reliatyvumo teorija yra galingiausias ir išsamiausias kada nors sukurtas gravitacijos aprašymas. Tačiau bendroji reliatyvumo teorija bent dvejose Visatos vietose neveikia: juodosiose skylėse ir Visatos pradžioje.

Šie regionai vadinami singuliarumais. Tai erdvėlaikio dėmės, kuriose mūsų dabartiniai fizikos dėsniai griūva, o bendroji reliatyvumo teorija kliūva pati už savęs. Šiuose singuliarumuose gravitacija tampa neįtikėtinai stipri labai mažose ilgio skalėse.

Taigi, norint išspręsti singuliarumų paslaptis, fizikams reikia mikroskopinio stipriosios gravitacijos aprašymo, dar vadinamo kvantine gravitacijos teorija. Yra daug pretendentų, įskaitant stygų teoriją ir kilpinę kvantinę gravitaciją.

Ir yra dar vienas požiūris, kuris visiškai perrašo mūsų supratimą apie erdvę ir laiką.

Priežastinių aibių teorija

Visose dabartinėse fizikos teorijose erdvė ir laikas yra tęstiniai. Jie sudaro lygų audinį, kuris yra visos tikrovės pagrindas. Esant tokiam nepertraukiamam erdvėlaikiui, du erdvės taškai gali būti kuo arčiau vienas kito, o du įvykiai gali įvykti kuo arčiau vienas kito.

Tačiau kitas požiūris, vadinamas priežastinių aibių teorija, erdvėlaikį iš naujo įsivaizduoja kaip diskrečių dalių arba erdvėlaikio „atomų“ seriją. Ši teorija nustatytų griežtas ribas, kiek artimi įvykiai gali būti erdvėje ir laike, nes jie negali būti arčiau nei „atomo“ dydis.

Pvz., jeigu žiūrite į ekraną skaitydami tai, viskas atrodo sklandžiai ir nenutrūkstamai. Bet jeigu pažvelgtumėte į tą patį ekraną per didinamąjį stiklą, galite pamatyti pikselius, kurie padalija erdvę, ir pamatytumėte, kad neįmanoma dviejų vaizdų ekrane priartinti prie vieno taško.

Ši fizikos teorija sudomino Bento.

„Man buvo malonu nagrinėti šią teoriją. Tai naujas požiūris į kvantinę gravitaciją, iš tikrųjų permąstant pačią erdvėlaikio sąvoką. Ji suteikia pagrindinį vaidmenį laikui ir verčia susimąstyti, ką fiziškai reiškia laikas, kokia iš tikrųjų yra fizinė jūsų praeitis ir ar ateitis jau egzistuoja, ar ne“, – sakė Bento „Live Science“.

Laiko pradžia

Priežastinių aibių teorija turi svarbių pasekmių laiko prigimčiai.

„Esminė priežastinių aibių teorijos dalis yra ta, kad laiko tėkmė yra kažkas fiziško, kad ji neturėtų būti priskiriama kažkokiai atsirandančiai iliuzijai ar tam, kas vyksta mūsų smegenyse ir verčia mus galvoti, kad laikas praeina; šis praėjimas savaime yra fizikos teorijos apraiška“, – sakė Bento.

„Taigi, priežastinių aibių teorijoje priežastinis rinkinys vienu metu augs po vieną „atomą“ ir taps vis didesnis.

Priežastinių aibių teorija puikiai pašalina Didžiojo sprogimo singuliarumų problemą, nes teoriškai singuliarumai negali egzistuoti. Medžiagai neįmanoma susispausti iki be galo mažų taškų – jie gali būti ne mažesni už erdvėlaikio atomo dydį.

Taigi, kaip atrodo mūsų Visatos pradžia be Didžiojo sprogimo singuliarumų? Štai čia Bento ir jo bendradarbis Stav Zalel, Londono imperatoriškojo koledžo magistrantas, pasirinko temą ir tyrinėjo, ką priežastinių aibių teorija gali pasakyti apie pradines Visatos akimirkas.

Jų darbas paskelbtas rugsėjo 24 d. išankstinio spausdinimo duomenų bazėje arXiv. Straipsnis dar turi būti paskelbtas recenzuojamame mokslo žurnale.

Straipsnyje nagrinėta „ar priežastinių aibių teorijoje privalo egzistuoti pradžia“, – sakė Bento.

„Pradinėje priežastinių aibių teorijos formuluotėje ir dinamikoje, klasikiniu požiūriu, priežastinis rinkinys iš nieko išauga į Visatą, kurią matome šiandien. Vietoj to mūsų darbe nebūtų Didžiojo sprogimo, nes priežastinis rinkinys būtų begalinis praeityje, taigi visada kažkas yra anksčiau“.

Tai reiškia, kad Visata galėjo neturėti pradžios – kad ji tiesiog visada egzistavo. Tai, ką mes suvokiame kaip Didįjį sprogimą, galėjo būti tik ypatingas šio visada egzistuojančio priežastinių aibių evoliucijos momentas, o ne tikroji pradžia.

Tačiau dar reikia daug nuveikti. „Vis dar galima paklausti, ar šią priežastinių aibių teoriją galima interpretuoti „protingai“, ar ką tokia dinamika fiziškai reiškia plačiąja prasme, tačiau mes parodėme, kad sistema tikrai įmanoma“, – sakė Bento. – Taigi bent matematiškai tai galima padaryti“.

Kitaip tariant, tai tik… pradžia.