Произходът на пространството и времето

Много изследователи смятат, че физиката няма да бъде завършена, докато не успеят да обяснят поведението на пространството, времето и техния произход.

„Представете си, че един ден се събуждате и разбирате, че живеете в компютърна игра. Ако това е така, тогава всичко наоколо, целият триизмерен свят е само илюзия, информация, кодирана на двуизмерна повърхност“, казва физикът Марк ван Раамсдонк от университета на Британска Колумбия във Ванкувър, Канада.

Това би направило цялата наша Вселена с трите ѝ пространствени измерения един вид холограма, чийто източник се намира в нисшите измерения.

Този „холографски принцип“ е доста необичаен за теоретичната физика. Но Ван Раамсдонк е член на малка група изследователи, които смятат, че е това е съвсем нормално. Просто нито един от стълбовете на съвременната физика – нито общата теория на относителността, която описва гравитацията като изкривяване на пространството и времето, нито квантовата механика – може да обясни съществуването на пространството и времето. Дори теорията на струните, описваща елементарните нишки енергия, не може да направи това.

Ван Раамсдонк и колегите му са убедени, че е необходимо да дадем конкретна представа на понятията пространство и време, дори толкова нелепо като холографията. Те твърдят, че радикалното преосмисляне на реалността е единственият начин да се обясни какво се случва, когато безкрайно плътната сингулярност в центъра на всяка черна дупка изкривява пространство-времето до неузнаваемост. А и то ще помогне да се обединят квантовата теория и общата теория на относителността, което теоретиците се опитват да постигнат вече не едно десетилетие.

„Всичките ни опити свидетелстват, че вместо две полярни концепции на реалността трябва да бъде намерена една цялостна теория“, обяснява Абей Аштекар, физик от Пенсилванския университет в Юнивърсити парк.

Гравитацията като термодинамика

Но за какво са всички тези опити? И как да намерим самото „сърце“ на теоретичната физика?

Редица поразителни открития, направени в началото на 70-те години, навеждат на мисълта, че квантовата механика и гравитацията са тясно свързани с термодинамиката.

През 1974 г. Стивън Хокинг от Кеймбриджкия университет е установил, че квантовите ефекти в Космоса около черна дупка могат да доведат до изхвърляне на лъчение с висока температура. Други физици бързо отбелязали, че това явление е доста общо.

Дори в съвсем празно пространство астронавтът, изпитващ ускорение, ще усеща около себе си топлина. Ефектът е прекалено малък, за да бъде забелязан в случая с космически кораб, но само по себе си предположението изглеждало фундаментално. И ако квантовата теория и общата теория на относителността са правилни (което се потвърждава от експерименти), то лъчението на Хокинг наистина съществува.

След това последвало второ ключово откритие. В стандартната термодинамика обектът може да излъчва топлина само поради намаляване на ентропията, количеството квантови състояния в него. Същото е и с черните дупки – още преди появата на доклада на Хокинг през 1974 година Джейкъб Бекенщайн от Еврейския университет в Йерусалим предположил, че черните дупки притежават ентропия.

Но има разлика. В повечето обекти ентропията е пропорционална на броя на атомите в обекта, а значи и на обема. Но ентропията на черната дупка е пропорционална на площта на нейния хоризонт на събитията – граница, от която дори светлината не може да избяга. В тази повърхност сякаш е кодирана информацията за това, което е вътре (точно както двуизмерните холограми кодират триизмерно изображение).

През 1995 година Тед Джейкъбсън, физик от Мерилендския университет в Колидж парк, е комбинирал тези две открития и е установил, че всяка точка в пространството се намира на малък „хоризонт на черна дупка“, който също се подчинява на пропорцията ентропия–площ. Дори уравненията на Айнщайн удовлетворяват това условие (естествено, физикът е оперирал с термодинамични понятия, а не с пространствено-времеви).

„Възможно е това да ни позволи да разберем повече за произхода на гравитацията“, казва Джейкъбсън. Законите на термодинамиката се явяват статистически, затова неговият резултат позволява да се предположи, че гравитацията също е статистическо явление (микроскопично приближаване към невидимата съставка на пространство-времето).

През 2010 година тази идея стигнала още по-далече. Ерик Верлинде, специалист по теория на струните от университета на Амстердам, установил, че статистическата термодинамика на пространство-времевите съставки може да даде тласък на закона на Нютон за гравитационното привличане.

В друга работа Тану Падманабхан, космолог от Междууниверситетския център по астрономия и астрофизика в Пуна, е показал, че уравненията на Айнщайн може да се препишат във форма, идентична на законите на термодинамиката, както и много други алтернативни теории на гравитацията. Днес Падманабхан работи над обобщението на термодинамичния подход, опитвайки се да обясни произхода и величината на тъмната енергия – тайнствена космическа сила, ускоряваща разширението на Вселената.

Изключително трудно е да се проверят емпирично подобни идеи, но не е невъзможно. За да разберем дали пространство-времето се състои от отделни компоненти, може да се проведе наблюдение на задръжката на фотоните висока енергия, пътешестващи към Земята от далечни космически обекти – като свръхнови и гама-взривове.

Джовани Амелино-Камелия, изследовател на квантовата гравитация от Римския университет, и колегите му открили намеци именно за подобни задръжки на фотоните, идващи от гама-изригване. Както казва изследователят, резултатите не са окончателни, но групата планира да разшири своето търсене, за да фиксира времето на движение на неутрино с висока енергия, създавани от космическите събития.

„Ако теорията не може да бъде проверена, то науката за мен не съществува. Тя се превръща в религиозни убеждения, които не представляват никакъв интерес за мен“, казва физикът.

Други физици се концентрират върху лабораторните изпитания. През 2012 г. например изследователите от Виенския университет и Лондонския имперски колеж провели настолен експеримент, в който микроскопични огледала се преместват с помощта на лазери. Те твърдели, че пространство-времето в Планков мащаб ще доведе до изменение на светлината, отразена от огледалото.

Примкова квантова гравитация

Дори ако термодинамичният подход е верен, той така или иначе нищо не казва за фундаменталните съставки на пространството и времето. Ако пространство-времето представлява тъкан, то какви са нейните нишки?

Един от възможните отговори е съвсем буквален. Теорията на примковата квантова гравитация, която издигнали в средата на 80-те години Абей Аштекар и колегите му, описва тъканта на пространство-времето като растяща паяжина от нишки, които носят информация за квантуваните полета и обемите области, през които те преминават.

Отделните нишки от мрежата трябва, в крайна сметка, да образуват примки. Оттук идва и наименованието на теорията. Вярно, тя няма нищо общо с доста по-известната теория на струните. Последните се движат около пространство-времето, като нишките всъщност са пространство-времето, а информацията, която те носят, определя формата на пространство-времевата тъкан около тях.

Примките са квантови обекти, но те също определят минималната единица за площ и в голяма степен по такъв начин, както и обикновената квантова механика, определят минималната енергия на електрона във водородния атом. Опитайте се да поставите допълнителни нишки на по-малка площ и те просто ще се откъснат от останалата мрежа и няма да могат повече да се свързват с нищо.

Те сякаш изпадат от пространство-времето.

Минималната площ е добра с това, че примковата квантова гравитация не може да свие безкрайно количество криви в безкрайно малка точка. Това означава, че тя не може да доведе до тези особености, когато уравненията на Айнщайн се рушат – в момент на Голям взрив или в центъра на черни дупки.

Възползвайки се от този факт, през 2006 година Аштекар и колегите му представили серия модели, в които обърнали времето назад и демонстрирали това, което е било преди Големия взрив. С приближаване към фундаменталния предел на размера, продиктуван от примковата квантова гравитация, силата на отблъскване разкрила и фиксирала сингулярност, превръщайки я в тунел към Космоса, предшестващ нашия.

Родолфо Гамбини от Републиканския университет на Уругвай в Монтевидео и Хорхе Пуйин от Университета на Луизиана в Батон Руж представили аналогични модели, но вече за черните дупки. Ако се движим дълбоко в сърцето на черната дупка, то можем да открием не сингулярност, а фин пространствено-времеви тунел, водещ в друга част на Космоса.

Примковата квантова гравитация не е пълноценна теория, тъй като не съдържа никакви други сили. Освен това физиците тепърва трябва да покажат как се е „получило“ пространство-времето от информационната мрежа.

Но Даниеле Орити, физик от Института за гравитационна физика „Макс Планк“ в Холме, се надява да намери вдъхновение в работата на учените, представящи екзотични фази материя, която извършва преходите, описани от квантовата теория на полето. Орити и колегите му търсят формули за описание на това как Вселената е могла да премине аналогични фази от набор дискретни примки към плавно и непрекъснато пространство-време.

Причинният ред

Разочарованията са накарали някои изследователи да се придържат към минималистична програма, известна като теория на причинния ред. Основана от Рафаел Соркин, теорията постулира, че строителните блокчета на пространство-времето са прости математични точки, свързани или с миналото, или с бъдещето.

Това е „скелетна“ представа за причинността, която твърди, че по-ранно събитие може да повлияе на по-късно, но не обратното. В резултат мрежата като растящо дърво се превръща в пространство-време.

„Пространството се появява от точка по същия начин, както температурата излиза от атома. Няма смисъл да говорим за един атом, стойността се крие в голямото им количество“, казва Соркин, физик от Института по теоретична физика „Периметър“ във Ватерло, Канада.

В края на 80-те Соркин използвал тази структура, за да представи броя на точките, които трябва да включва Вселената, и стигнал до извода, че те трябва да са причина за малка вътрешна енергия, която ускорява разширението на Вселената. Няколко години по-късно откриването на тъмната енергия потвърдило догадките му.

„Хората често мислят, че квантовата гравитация не може да прави проверяеми предсказания, но това е именно такъв случай – казва Джо Хенсън, изследовател на квантовата гравитация от Лондонския имперски колеж. – Ако стойността на тъмната енергия е по-голяма или я няма съвсем, тогава теорията на причинния ред би била изключена.

Причинна динамична триангулация

Едва ли ще се намерят доказателства, но теорията на причинния ред е предложила няколко други възможности, които може да се проверят. Някои физици са открили, че доста по-удобно е да се използва компютърно моделиране.

Идеята, издигната в началото на 90-те години, се състои в апроксимация (приближение – б.р.) на неизвестни фундаментални компоненти с малки парчета обикновено пространство-време, оказващи се в кипящото море на квантовата флуктуация, и наблюдението как тези късчета спонтанно се обединяват в по-големи структури.

„Първите опити за апроксимация на неизвестните фундаментални съставки с малките парчета обикновено пространство-време са били неуспешни. Строителните блокчета на пространство-времето са били прости хиперпирамиди, четириизмерни прототипи на триизмерните тетраеди, а предполагаемо съединение им позволило свободно да се комбинират.

В резултат се е получила серия странни „вселени“, в които е имало прекалено много измерения (или прекалено малко), част от тях е съществувала сама по себе си, а друга се е разрушила. Това е бил опит да се покаже това, което ни заобикаля. В края на краищата измерението време не прилича на трите измерения на пространството.

Ние не можем да пътешестваме назад и напред във времето, затова визуализацията е била изменена с отчитане на причинността. Тогава сме открили, че пространствено-времевите късчета са започнали да се събират в четириизмерни вселени със свойства, подобни на нашата“, казва Рената Лол, физик от университета на Неймеген, Нидерландия.

Интересно е, че моделирането също намеква, че скоро след Големия взрив Вселената е преминала през младенческа фаза само с две измерения – едно пространствено и едно времево. Това заключение е било направено независимо от опитите да се получи уравнение за квантовата гравитация и дори независимо от тези, които смятат, че появата на тъмната енергия е признак за това, че в нашата Вселена се появява четвърто пространствено измерение.

Холография

Ван Раамсдонк е предложил съвсем друга представа за появата на пространство-времето, основана на холографския принцип. Холограмоподобният принцип за това, че при черните дупки цялата ентропия се намира на повърхността, е бил представен за първи път от Хуан Малдасена, привърженик на теорията на струните от Института за напреднали изследвания в Принстън.

Той е публикувал своя модел на холографска Вселена през 1998 година. В този модел триизмерният „интериор“ на Вселената включвал в себе си струни и черни дупки, управлявани изключително от силата на тежестта, докато нейната двумерна граница имала елементарни частици и поле, подчиняващи се на обичайните квантови закони, а не гравитация.

Хипотетичните жители на триизмерното пространство никога не биха видели тази граница, защото тя би била безкрайно далече. Но това не влияе на математиката – всичко, което се случва в триизмерната Вселена, може да бъде еднакво добре описано от уравнения в случай с двуизмерна граница, и обратното.

През 2010 година Ван Раамсдонк обяснил заплитането на квантовите частици на границата. Това означава, че данните, получени в едната част, неизбежно ще се окажат на другата. Той открил, че ако всяка частица се заплита между две отделни области на границите, тя неотклонно се движи към нула, затова квантовата връзка между тях изчезва, триизмерното пространство започва бавно да се дели (като клетка), докато не прекъсне последната връзка.

По такъв начин триизмерното пространство се дели отново и отново, докато двуизмерната граница остава „на връзка“. Ван Раамсдонк е заключил, че триизмерната вселена върви рамо до рамо с квантовото заплитане на границата.

Това означава, че в известен смисъл квантовото заплитане и пространство-времето са едно и също.

QWRT