Έκπληξη: η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι πλέον η αρχή του σύμπαντος
Στην αρχή, υπήρχε… καλά, ίσως δεν υπήρχε αρχή. Ίσως το σύμπαν μας να υπήρχε πάντα — και μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας αποκαλύπτει πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει.
«Η πραγματικότητα έχει τόσα πολλά πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι θα τα συνέδεαν με την επιστημονική φαντασία ή ακόμα και τη φαντασία», λέει ο Bruno Bento, ένας φυσικός που μελετά τη φύση του χρόνου στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Στο έργο του, χρησιμοποίησε μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, που ονομάζεται αιτιώδης θεωρία συνόλων, στην οποία ο χώρος και ο χρόνος αναλύονται σε διακριτά κομμάτια χωροχρόνου. Σε κάποιο επίπεδο, υπάρχει μια θεμελιώδης μονάδα χωροχρόνου, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία.
Ο Μπέντο και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αυτή την προσέγγιση αιτιώδους συνόλου για να εξερευνήσουν την αρχή του σύμπαντος. Βρήκαν ότι είναι πιθανό το σύμπαν να μην είχε αρχή - ότι υπήρχε πάντα στο άπειρο παρελθόν και μόλις πρόσφατα εξελίχθηκε σε αυτό που ονομάζουμε Big Bang.
Ένα κβάντο βαρύτητας
Η κβαντική βαρύτητα είναι ίσως το πιο απογοητευτικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η σύγχρονη φυσική. Έχουμε δύο εξαιρετικά αποτελεσματικές θεωρίες για το σύμπαν: την κβαντική φυσική και τη γενική σχετικότητα. Η κβαντική φυσική έχει δημιουργήσει μια επιτυχημένη περιγραφή τριών από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (ηλεκτρομαγνητισμός, η ασθενής δύναμη και η ισχυρή δύναμη) μέχρι μικροσκοπικής κλίμακας. Η γενική σχετικότητα, από την άλλη πλευρά, είναι η πιο ισχυρή και πλήρης περιγραφή της βαρύτητας που επινοήθηκε ποτέ.
Όμως, παρ' όλα τα δυνατά της σημεία, η γενική σχετικότητα είναι ελλιπής. Σε τουλάχιστον δύο συγκεκριμένα σημεία στο σύμπαν, τα μαθηματικά της γενικής σχετικότητας απλώς καταρρέουν, αποτυγχάνοντας να παράγουν αξιόπιστα αποτελέσματα: στα κέντρα των μαύρων τρυπών και στην αρχή του σύμπαντος. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται «ιδιαιτερότητες», οι οποίες είναι σημεία στον χωροχρόνο όπου οι σημερινοί νόμοι της φυσικής μας καταρρέουν, και είναι μαθηματικά προειδοποιητικά σημάδια ότι η θεωρία της γενικής σχετικότητας σκοντάφτει πάνω της. Και στις δύο αυτές ιδιομορφίες, η βαρύτητα γίνεται απίστευτα ισχυρή σε πολύ μικρές κλίμακες μήκους.
Ως εκ τούτου, για να λύσουν τα μυστήρια των μοναδικοτήτων, οι φυσικοί χρειάζονται μια μικροσκοπική περιγραφή της ισχυρής βαρύτητας, που ονομάζεται επίσης κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Υπάρχουν πολλοί υποψήφιοι εκεί έξω, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας χορδών και της κβαντικής βαρύτητας βρόχου.
Και υπάρχει μια άλλη προσέγγιση που ξαναγράφει εντελώς την κατανόησή μας για τον χώρο και τον χρόνο.
Θεωρία αιτιατικών συνόλων
Σε όλες τις τρέχουσες θεωρίες της φυσικής, ο χώρος και ο χρόνος είναι συνεχείς. Αποτελούν ένα λείο ύφασμα που βρίσκεται κάτω από όλη την πραγματικότητα. Σε έναν τέτοιο συνεχή χωροχρόνο, δύο σημεία μπορούν να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά το ένα στο άλλο στο χώρο και δύο γεγονότα μπορούν να συμβούν όσο το δυνατόν πιο κοντά χρονικά το ένα στο άλλο.
«Η πραγματικότητα έχει τόσα πολλά πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι θα τα συνέδεαν με επιστημονική φαντασία ή ακόμα και φαντασία». Μπρούνο Μπέντο
Αλλά μια άλλη προσέγγιση, που ονομάζεται αιτιώδης θεωρία συνόλων, επαναλαμβάνει τον χωροχρόνο ως μια σειρά από διακριτά κομμάτια ή χωροχρονικά «άτομα». Αυτή η θεωρία θα έθετε αυστηρούς περιορισμούς στο πόσο κοντά μπορεί να είναι τα γεγονότα στον χώρο και τον χρόνο, αφού δεν μπορούν να είναι πιο κοντά από το μέγεθος του «ατόμου».
Για παράδειγμα, αν κοιτάτε την οθόνη σας διαβάζοντας αυτό, όλα φαίνονται ομαλά και συνεχόμενα. Αλλά αν κοιτούσατε την ίδια οθόνη μέσω ενός μεγεθυντικού φακού, μπορεί να δείτε τα pixel που χωρίζουν τον χώρο και θα ανακαλύψατε ότι είναι αδύνατο να φέρετε δύο εικόνες στην οθόνη σας πιο κοντά από ένα μόνο pixel.
Αυτή η θεωρία της φυσικής ενθουσίασε τον Μπέντο. «Ενθουσιάστηκα που βρήκα αυτή τη θεωρία, η οποία όχι μόνο προσπαθεί να γίνει όσο το δυνατόν πιο θεμελιώδης - είναι μια προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας και στην πραγματικότητα επανεξετάζοντας την έννοια του ίδιου του χωροχρόνου - αλλά η οποία επίσης δίνει έναν κεντρικό ρόλο στον χρόνο και σε ό,τι είναι φυσικά σημαίνει ότι περνά ο χρόνος, πόσο φυσικό είναι πραγματικά το παρελθόν σου και αν το μέλλον υπάρχει ήδη ή όχι», είπε ο Bento στο Live Science.
Αρχή του χρόνου
Η θεωρία των αιτιακών συνόλων έχει σημαντικές επιπτώσεις για τη φύση του χρόνου.
«Ένα τεράστιο μέρος της φιλοσοφίας του αιτιακού συνόλου είναι ότι το πέρασμα του χρόνου είναι κάτι φυσικό, ότι δεν πρέπει να αποδοθεί σε κάποιο αναδυόμενο είδος ψευδαίσθησης ή σε κάτι που συμβαίνει μέσα στον εγκέφαλό μας που μας κάνει να πιστεύουμε ότι ο χρόνος περνά. από μόνη της, μια εκδήλωση της φυσικής θεωρίας», είπε ο Bento. «Έτσι, στη θεωρία των αιτιακών συνόλων, ένα αιτιακό σύνολο θα μεγαλώνει ένα «άτομο» κάθε φορά και θα γίνεται όλο και μεγαλύτερο».
Η προσέγγιση του αιτιακού συνόλου καταργεί το πρόβλημα της ιδιομορφίας του Big Bang επειδή, στη θεωρία, οι ιδιομορφίες δεν μπορούν να υπάρχουν. Είναι αδύνατο η ύλη να συμπιεστεί σε απείρως μικροσκοπικά σημεία - δεν μπορούν να είναι μικρότερα από το μέγεθος ενός ατόμου χωροχρόνου.
Έτσι, χωρίς μια ιδιομορφία του Big Bang, πώς μοιάζει η αρχή του σύμπαντός μας; Εκεί ο Bento και ο συνεργάτης του, Stav Zalel, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Imperial College του Λονδίνου, έπιασαν το νήμα, διερευνώντας τι έχει να πει η θεωρία των αιτιακών συνόλων για τις αρχικές στιγμές του σύμπαντος. Η δουλειά τους εμφανίζεται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 24 Σεπτεμβρίου στη βάση δεδομένων προεκτύπωσης arXiv . (Η εργασία δεν έχει ακόμη δημοσιευθεί σε επιστημονικό περιοδικό με κριτές.)
Η εργασία εξέτασε «αν πρέπει να υπάρχει αρχή στην προσέγγιση του αιτιακού συνόλου», είπε ο Bento. "Στην αρχική διατύπωση και δυναμική αιτιατού συνόλου, κλασικά μιλώντας, ένα αιτιακό σύνολο αναπτύσσεται από το τίποτα στο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα. Αντίθετα, στη δουλειά μας, δεν θα υπήρχε το Big Bang ως αρχή, καθώς το αιτιακό σύνολο θα ήταν άπειρο έως το παρελθόν, και έτσι υπάρχει πάντα κάτι πριν».
Το έργο τους υπονοεί ότι το σύμπαν μπορεί να μην είχε αρχή - ότι απλώς υπήρχε πάντα. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως Big Bang μπορεί να ήταν απλώς μια συγκεκριμένη στιγμή στην εξέλιξη αυτού του πάντα υπάρχοντος αιτιακού συνόλου, όχι μια αληθινή αρχή.
Ωστόσο, υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά να γίνει. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν αυτή η μη αρχή αιτιώδης προσέγγιση μπορεί να επιτρέψει φυσικές θεωρίες με τις οποίες μπορούμε να εργαστούμε για να περιγράψουμε την περίπλοκη εξέλιξη του σύμπαντος κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
«Μπορεί κανείς ακόμα να αναρωτηθεί εάν αυτή η [προσέγγιση του αιτιακού συνόλου] μπορεί να ερμηνευτεί με «λογικό» τρόπο ή τι σημαίνει φυσικά μια τέτοια δυναμική με μια ευρύτερη έννοια, αλλά δείξαμε ότι ένα πλαίσιο είναι πράγματι δυνατό», είπε ο Bento. «Έτσι, τουλάχιστον μαθηματικά, αυτό μπορεί να γίνει».
Με άλλα λόγια, είναι… αρχή.
Στην αρχή, υπήρχε… καλά, ίσως δεν υπήρχε αρχή. Ίσως το σύμπαν μας να υπήρχε πάντα — και μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας αποκαλύπτει πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει.
«Η πραγματικότητα έχει τόσα πολλά πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι θα τα συνέδεαν με την επιστημονική φαντασία ή ακόμα και τη φαντασία», λέει ο Bruno Bento, ένας φυσικός που μελετά τη φύση του χρόνου στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Στο έργο του, χρησιμοποίησε μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, που ονομάζεται αιτιώδης θεωρία συνόλων, στην οποία ο χώρος και ο χρόνος αναλύονται σε διακριτά κομμάτια χωροχρόνου. Σε κάποιο επίπεδο, υπάρχει μια θεμελιώδης μονάδα χωροχρόνου, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία.
Ο Μπέντο και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αυτή την προσέγγιση αιτιώδους συνόλου για να εξερευνήσουν την αρχή του σύμπαντος. Βρήκαν ότι είναι πιθανό το σύμπαν να μην είχε αρχή - ότι υπήρχε πάντα στο άπειρο παρελθόν και μόλις πρόσφατα εξελίχθηκε σε αυτό που ονομάζουμε Big Bang.
Ένα κβάντο βαρύτητας
Η κβαντική βαρύτητα είναι ίσως το πιο απογοητευτικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η σύγχρονη φυσική. Έχουμε δύο εξαιρετικά αποτελεσματικές θεωρίες για το σύμπαν: την κβαντική φυσική και τη γενική σχετικότητα. Η κβαντική φυσική έχει δημιουργήσει μια επιτυχημένη περιγραφή τριών από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (ηλεκτρομαγνητισμός, η ασθενής δύναμη και η ισχυρή δύναμη) μέχρι μικροσκοπικής κλίμακας. Η γενική σχετικότητα, από την άλλη πλευρά, είναι η πιο ισχυρή και πλήρης περιγραφή της βαρύτητας που επινοήθηκε ποτέ.
Όμως, παρ' όλα τα δυνατά της σημεία, η γενική σχετικότητα είναι ελλιπής. Σε τουλάχιστον δύο συγκεκριμένα σημεία στο σύμπαν, τα μαθηματικά της γενικής σχετικότητας απλώς καταρρέουν, αποτυγχάνοντας να παράγουν αξιόπιστα αποτελέσματα: στα κέντρα των μαύρων τρυπών και στην αρχή του σύμπαντος. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται «ιδιαιτερότητες», οι οποίες είναι σημεία στον χωροχρόνο όπου οι σημερινοί νόμοι της φυσικής μας καταρρέουν, και είναι μαθηματικά προειδοποιητικά σημάδια ότι η θεωρία της γενικής σχετικότητας σκοντάφτει πάνω της. Και στις δύο αυτές ιδιομορφίες, η βαρύτητα γίνεται απίστευτα ισχυρή σε πολύ μικρές κλίμακες μήκους.
Ως εκ τούτου, για να λύσουν τα μυστήρια των μοναδικοτήτων, οι φυσικοί χρειάζονται μια μικροσκοπική περιγραφή της ισχυρής βαρύτητας, που ονομάζεται επίσης κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Υπάρχουν πολλοί υποψήφιοι εκεί έξω, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας χορδών και της κβαντικής βαρύτητας βρόχου.
Και υπάρχει μια άλλη προσέγγιση που ξαναγράφει εντελώς την κατανόησή μας για τον χώρο και τον χρόνο.
Θεωρία αιτιατικών συνόλων
Σε όλες τις τρέχουσες θεωρίες της φυσικής, ο χώρος και ο χρόνος είναι συνεχείς. Αποτελούν ένα λείο ύφασμα που βρίσκεται κάτω από όλη την πραγματικότητα. Σε έναν τέτοιο συνεχή χωροχρόνο, δύο σημεία μπορούν να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά το ένα στο άλλο στο χώρο και δύο γεγονότα μπορούν να συμβούν όσο το δυνατόν πιο κοντά χρονικά το ένα στο άλλο.
«Η πραγματικότητα έχει τόσα πολλά πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι θα τα συνέδεαν με επιστημονική φαντασία ή ακόμα και φαντασία». Μπρούνο Μπέντο
Αλλά μια άλλη προσέγγιση, που ονομάζεται αιτιώδης θεωρία συνόλων, επαναλαμβάνει τον χωροχρόνο ως μια σειρά από διακριτά κομμάτια ή χωροχρονικά «άτομα». Αυτή η θεωρία θα έθετε αυστηρούς περιορισμούς στο πόσο κοντά μπορεί να είναι τα γεγονότα στον χώρο και τον χρόνο, αφού δεν μπορούν να είναι πιο κοντά από το μέγεθος του «ατόμου».
Για παράδειγμα, αν κοιτάτε την οθόνη σας διαβάζοντας αυτό, όλα φαίνονται ομαλά και συνεχόμενα. Αλλά αν κοιτούσατε την ίδια οθόνη μέσω ενός μεγεθυντικού φακού, μπορεί να δείτε τα pixel που χωρίζουν τον χώρο και θα ανακαλύψατε ότι είναι αδύνατο να φέρετε δύο εικόνες στην οθόνη σας πιο κοντά από ένα μόνο pixel.
Αυτή η θεωρία της φυσικής ενθουσίασε τον Μπέντο. «Ενθουσιάστηκα που βρήκα αυτή τη θεωρία, η οποία όχι μόνο προσπαθεί να γίνει όσο το δυνατόν πιο θεμελιώδης - είναι μια προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας και στην πραγματικότητα επανεξετάζοντας την έννοια του ίδιου του χωροχρόνου - αλλά η οποία επίσης δίνει έναν κεντρικό ρόλο στον χρόνο και σε ό,τι είναι φυσικά σημαίνει ότι περνά ο χρόνος, πόσο φυσικό είναι πραγματικά το παρελθόν σου και αν το μέλλον υπάρχει ήδη ή όχι», είπε ο Bento στο Live Science.
Αρχή του χρόνου
Η θεωρία των αιτιακών συνόλων έχει σημαντικές επιπτώσεις για τη φύση του χρόνου.
«Ένα τεράστιο μέρος της φιλοσοφίας του αιτιακού συνόλου είναι ότι το πέρασμα του χρόνου είναι κάτι φυσικό, ότι δεν πρέπει να αποδοθεί σε κάποιο αναδυόμενο είδος ψευδαίσθησης ή σε κάτι που συμβαίνει μέσα στον εγκέφαλό μας που μας κάνει να πιστεύουμε ότι ο χρόνος περνά. από μόνη της, μια εκδήλωση της φυσικής θεωρίας», είπε ο Bento. «Έτσι, στη θεωρία των αιτιακών συνόλων, ένα αιτιακό σύνολο θα μεγαλώνει ένα «άτομο» κάθε φορά και θα γίνεται όλο και μεγαλύτερο».
Η προσέγγιση του αιτιακού συνόλου καταργεί το πρόβλημα της ιδιομορφίας του Big Bang επειδή, στη θεωρία, οι ιδιομορφίες δεν μπορούν να υπάρχουν. Είναι αδύνατο η ύλη να συμπιεστεί σε απείρως μικροσκοπικά σημεία - δεν μπορούν να είναι μικρότερα από το μέγεθος ενός ατόμου χωροχρόνου.
Έτσι, χωρίς μια ιδιομορφία του Big Bang, πώς μοιάζει η αρχή του σύμπαντός μας; Εκεί ο Bento και ο συνεργάτης του, Stav Zalel, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Imperial College του Λονδίνου, έπιασαν το νήμα, διερευνώντας τι έχει να πει η θεωρία των αιτιακών συνόλων για τις αρχικές στιγμές του σύμπαντος. Η δουλειά τους εμφανίζεται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 24 Σεπτεμβρίου στη βάση δεδομένων προεκτύπωσης arXiv . (Η εργασία δεν έχει ακόμη δημοσιευθεί σε επιστημονικό περιοδικό με κριτές.)
Η εργασία εξέτασε «αν πρέπει να υπάρχει αρχή στην προσέγγιση του αιτιακού συνόλου», είπε ο Bento. "Στην αρχική διατύπωση και δυναμική αιτιατού συνόλου, κλασικά μιλώντας, ένα αιτιακό σύνολο αναπτύσσεται από το τίποτα στο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα. Αντίθετα, στη δουλειά μας, δεν θα υπήρχε το Big Bang ως αρχή, καθώς το αιτιακό σύνολο θα ήταν άπειρο έως το παρελθόν, και έτσι υπάρχει πάντα κάτι πριν».
Το έργο τους υπονοεί ότι το σύμπαν μπορεί να μην είχε αρχή - ότι απλώς υπήρχε πάντα. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως Big Bang μπορεί να ήταν απλώς μια συγκεκριμένη στιγμή στην εξέλιξη αυτού του πάντα υπάρχοντος αιτιακού συνόλου, όχι μια αληθινή αρχή.
Ωστόσο, υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά να γίνει. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν αυτή η μη αρχή αιτιώδης προσέγγιση μπορεί να επιτρέψει φυσικές θεωρίες με τις οποίες μπορούμε να εργαστούμε για να περιγράψουμε την περίπλοκη εξέλιξη του σύμπαντος κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
«Μπορεί κανείς ακόμα να αναρωτηθεί εάν αυτή η [προσέγγιση του αιτιακού συνόλου] μπορεί να ερμηνευτεί με «λογικό» τρόπο ή τι σημαίνει φυσικά μια τέτοια δυναμική με μια ευρύτερη έννοια, αλλά δείξαμε ότι ένα πλαίσιο είναι πράγματι δυνατό», είπε ο Bento. «Έτσι, τουλάχιστον μαθηματικά, αυτό μπορεί να γίνει».
Με άλλα λόγια, είναι… αρχή.
https://www.sciphysics.com/2022/02/surprise-big-bang-isnt-beginning-of.html
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου