A što ako svemir nema početka?

Imamo dvije izvanredno učinkovite teorije svemira: kvantnu fiziku i opću relativnost. No, na najmanje dva specifična mjesta u svemiru matematika opće relativnosti ne funkcionira: u središtima crnih rupa i na početku svemira

7093
svemir

U početku bješe… pa, možda početka nikada nije ni bilo. Možda je naš svemir oduvijek postojao – a nova teorija kvantne gravitacije otkriva kako bi to moglo funkcionirati.

“U stvarnosti postoji toliko stvari koje bi većina ljudi povezala sa znanstvenom fantastikom ili čak fantazijom”, kaže Bruno Bento, fizičar koji proučava prirodu vremena na Sveučilištu Liverpool u Velikoj Britaniji.

U svom radu primijenio je novu teoriju kvantne gravitacije, nazvanu teorija kauzalnih skupova, u kojoj se prostor i vrijeme raščlanjuju na diskretne dijelove prostor-vremena. Na određenoj razini, prema ovoj teoriji, postoji temeljna jedinica prostor-vremena.

Bento je sa suradnicima primijenio taj uzročno-posljedični pristup istraživanju početka svemira. Otkrili su da je moguće da svemir nije imao početak, nego da je oduvijek postojao u beskonačnoj prošlosti, a tek nedavno evoluirao je u ono što zovemo Veliki prasak.

Kvant gravitacije

Kvantna gravitacija možda je problem koji najviše frustrira moderne fizičare. Imamo dvije izvanredno učinkovite teorije svemira: kvantnu fiziku i opću relativnost. Kvantna fizika uspješno je opisala tri od četiri temeljne sile prirode (elektromagnetizam, slaba sila i jaka sila), sve do mikroskopskih razmjera. Opća teorija relativnosti je, s druge strane, najmoćniji i najpotpuniji opis gravitacije koji je ikada osmišljen.

No, unatoč svoj svojoj snazi, opća teorija relativnosti je nepotpuna. Na najmanje dva specifična mjesta u svemiru matematika opće relativnosti jednostavno ne funkcionira, ne daje pouzdane rezultate: u središtima crnih rupa i na početku svemira. Ta se područja nazivaju “singulariteti”. To su mjesta u prostor-vremenu u kojima se ruše poznati nam zakoni fizike, i ona su matematički znaci upozorenja da se teorija opće relativnosti spotiče sama od sebe. Unutar oba spomenuta singulariteta gravitacija postaje nevjerojatno jaka na neizmjerno malim udaljenostima.

Kako bi riješili misterije singularnosti, fizičari trebaju mikroskopski opis jake gravitacije, koji se naziva i kvantna teorija gravitacije. Postoji mnogo potencijalnih objašnjenja,među kojima su teorija struna i kvantna gravitacija petlje.

A postoji još jedan pristup koji potpuno mijenja naše razumijevanje prostora i vremena.

Teorija kauzalnih skupova

U svim dosadašnjim teorijama fizike prostor i vrijeme su kontinuirani. Oni tvore glatko tkanje koje je podloga cijele stvarnosti. U takvom kontinuiranom prostor-vremenu dvije točke u prostoru mogu biti blizu jedna drugoj onoliko koliko je to moguće, a dva se događaja mogu se dogoditi vremenski što je moguće bliže jedan drugome.

No novi pristup, nazvan teorija kauzalnih skupova, zamišlja prostor-vrijeme kao niz diskretnih dijelova ili “atoma” prostor-vremena. Ova teorija postavlja stroga ograničenja koliko dva događaja mogu biti bliska u prostoru i vremenu, budući da ne mogu biti bliže od veličine “atoma”.

Na primjer, ako gledate u zaslon čitajući ovo, sve se čini glatko i kontinuirano. No, ako biste na isti zaslon gledali kroz povećalo, mogli biste vidjeti piksele koji dijele prostor, i otkrili biste da je nemoguće da dvije slike na zaslonu budu udaljene manje od jednog piksela.

Ova teorija oduševila je Benta. “Bio sam njome očaran, ne samo zato što nastoji što je moguće bolje fundamentalno kvantne gravitacije, budući da preispituje pojam samog prostor-vremena, već daje središnju ulogu vremenu i fizičkom značenju da vrijeme prolazi, nastoji odgovoriti koliko je vaša prošlost fizička i da li budućnost već postoji ili ne”, objasnio je Bento za Live Science.

Početak vremena

Teorija kauzalnih skupova ima snažne implikacije na prirodu vremena.

“Značajan dio filozofije kauzalnih skupova je da je protok vremena nešto fizičko, da ga ne treba pripisivati nekoj iluziji ili nečemu što se događa u našem mozgu zbog čega mislimo da vrijeme prolazi. Ta prolaznost je sama po sebi manifestacija fizičke teorije”, tumači Bento. “Dakle, u teoriji kauzalnih skupova, uzročni skup će rasti za jedan po jedan ‘atom’ i postajat će sve veći i veći.”

Takav pristup uklanja problem singularnosti Velikog praska jer, u teoriji, singularnosti ne mogu postojati. Nemoguće je da se materija sažme do beskonačno sićušnih točaka – one ne mogu biti manje od veličine atoma prostor-vremena.

Dakle, bez singularnosti Velikog praska, kako izgleda početak našeg svemira? Bento i njegov suradnik Stav Zalel, apsolvent na Imperial Collegeu u Londonu, istražili su što teorija kauzalnih skupova govori o početnim trenucima svemira. Njihov rad dostupan je u arXivu, otvorenoj bazi elektroničkih znanstvenih publikacija koje joj nisu recenzirane. Rad tek treba dobiti recenziju kroz objavu u znanstvenom časopisu.

Možda je svemir oduvijek postojao

“Istraživali smo morali postojati početak u teoriji kauzalnog slupa”, rekao je Bento. “U izvornoj formulaciji i dinamici kauzalnog skupa, klasično govoreći, kauzalni skup iz ničega prerasta u svemir koji danas vidimo. U našem radu Veliki prasak ne bi bio početak, jer kauzalni skup ponire beskonačno u prošlost – uvijek postoji nešto što je bilo prije.”

Njihov rad implicira da svemir možda nije imao početak – nego da je jednostavno oduvijek postojao. Ono što doživljavamo kao Veliki prasak možda je bio samo poseban trenutak u evoluciji uvijek postojećeg kauzalnog skupa, a ne pravi početak.

No, pred znanstvenicima je još puno posla. Još nije jasno može li ovaj kauzalni pristup bez početka podržati fizikalne teorije kojima opisujemo složenu evoluciju svemira tijekom Velikog praska.

“Još uvijek se može postaviti pitanje može li se ovaj pristup interpretirati na ‘razuman’ način odnosno što takva dinamika znači u širem smislu. Ali pokazali smo da je takav okvir doista moguć”, rekao je Bento. “Matematički, to je moguće.”

Drugim riječima, na početku  smo.