Найбільша загадка Всесвіту: з чого складається простір-час?

«З чого зроблено простір-час?», задається питанням фізик Арон Уолл зі Стенфордського інституту теоретичної фізики. Протягом останніх немає фізики по-різному намагаються осмислити загадку простору-часу, розглядаючи його не просто як порожній фон, на якому розгортається історія Всесвіту, а скоріше як потік квантової інформації, яка перетікає з однієї точки в іншу. Уолл і його колеги все більше переконуються, що таке уявлення простору-часу може бути ключем до розробки теорії, яка зможе пояснити гравітацію з використанням принципів квантової механіки. Про це фізики мріють ще з часів Альберта Ейнштейна.

Петро Зенчиковский з Інституту ядерної фізики Польської академії наук задається таким питанням, що і Уолл. Є простір-час абсолютною, незмінною, вічно і завжди присутньої ареною, на якій розгортаються події? Або, можливо, це динамічне утворення, яке виникає на певному масштабі відстаней, часу або енергії? Згадка абсолюту не вітається в сучасній фізиці. Вважається, що простір-час эмерджентно, тобто виникає звідкись. Незрозуміло тільки, звідки.

Що таке простір-час?

Більшість фізиків вважає, що структура простору-часу формується незрозумілим чином в межах масштабів Планка, тобто на масштабах, близьких до однієї трильйонної від трильйонної частки метра. Однак є деякі переконання, які ставлять під сумнів однозначність такого тлумачення. Існує чимало аргументів на користь того факту, що виникнення простору-часу може відбуватися в результаті процесів, які набагато ближче до нашої реальності: на рівні кварків та їх конгломератів.

«Математика — це одне, відношення з реальним світом — інше», говорить Зенчиковский. «Наприклад, величина маси Планка здається підозрілою. Можна було б очікувати, що у неї буде значення, більш характерне для світу квантів. Між тим, воно відповідає приблизно 1/10 маси блохи, яка безумовно є класичним об'єктом».

Більшість фізиків схильні припускати, що простір-час створюється на планківських масштабах, на відстанях, близьких до однієї трильйонної трильйонної частки метра (~10^-35 му). У своїй статті в Foundations of Science Зенчиковский систематизує спостереження різних авторів щодо формування простору-часу і стверджує, що гіпотеза про його формування в масштабах кварків і адронів (або кварковых агрегатів) цілком розумна з ряду причин.

Питання про природу простору і часу спантеличували людства з давніх часів. Може бути окремим від матерії, що створює «контейнер» для рухів і подій, які відбуваються за участю часток, як це вважав Демокріт в 5 столітті до н. е.? Або, може бути, все це атрибути матерії і не можуть без неї існувати, як припустив Аристотель сторіччям пізніше?

Незважаючи на те, що минула вже тисяча років з тих пір, ці питання досі не вирішені. Більше того, обидва підходи — незважаючи на їх очевидну відмінність — глибоко вкоренилися в стовпах сучасної фізики. У квантовій механіці події відбуваються на жорсткій арені з рівномірно поточним часом.

Між тим, в загальній теорії відносності речовина деформує пружне простір-час (розтягує і скручує його), а простір-час повідомляє частинкам, як рухатися. Іншими словами, в одній з теорій актори виходять на вже підготовлену сцену, щоб грати свої ролі, а в іншій вони створюють сцену під час вистави, що, в свою чергу, впливає і на їхню поведінку.

У 1899 році німецький фізик Макс Планк зауважив, що при певних комбінаціях деяких констант в природі можна отримати найбільш фундаментальні одиниці вимірювання. Всього три постійних — швидкість світла c, гравітаційна стала G і постійна Планка h — і ми отримуємо одиниці відстані, часу та маси, рівні (відповідно) 1,62 х 10^-35 му, 5,39 х 10^-44 с і 2,18 х 10^-5 р. Виходячи із сучасних переконань, простір-час має народжуватися на планковскої довжині. Але немає жодних суттєвих аргументів на користь раціональності цієї гіпотези.

Як наші самі складні експерименти, так і теоретичні описи досягають масштабу кварків на рівні 10^-18 м. Звідки ж нам знати, що на шляху до планковскої довжині — протягом дванадцяти послідовних і ще менших порядків величини — простір-час знаходить свою структуру? Ми навіть не знаємо, чи раціонально поняття простору-часу на рівні адронів! Поділ не може відбуватися нескінченно, тому що на певному етапі питання наступної меншої частини просто перестає мати сенс. Прекрасним прикладом буде температура. Ця концепція прекрасно служить на макромасштабах, але при послідовних діленнях матерії ми досягаємо масштабу окремих частинок і поняття температури втрачає сенс.

«В даний час ми спершу прагнемо побудувати квантованное дискретний простір-час і потім «населити» його дискретної матерією. Але якщо простір-час буде продуктом кварків і адронів, залежність буде зворотною: дискретне властивість матерії повинно посилювати дискретність простору-часу», говорить Зенчиковский і додає: «Планк спирався на математику. Він хотів створити одиниці з найменших можливих постійних. Але математика-це одне, а відношення з реальним світом інше. Значення планковскої маси здається підозрілим. Можна було б очікувати, що у неї будебільш підходяща характеристика для світу квантів. Але вона відповідає приблизно 1/10 маси блохи, яка безумовно є класичним об'єктом».

Оскільки ми хочемо описати фізичний світ, ми повинні спиратися на фізичні, а не на математичні аргументи. І тому, коли ми використовуємо рівняння Ейнштейна, ми описує Всесвіт у великих масштабах і виникає необхідність вводити додаткову гравітаційну постійну, відому як космологічна постійна «лямбда». Якщо, при побудові фундаментальних одиниць, розширити наш початковий набір трьох постійних лямбдой, у випадку з масою ми отримаємо не одне, а три фундаментальних значень: 1,39 х 10^-65 р, 2,14 x 10⁵⁶ р і 0,35 х 10^-24 р. Першу можна інтерпретувати як квант маси, другу — рівень маси спостерігається Всесвіту, а третя нагадує масу адронів (наприклад, маса нейтрона дорівнює 1,67 х 10^-24. Точно так само, беручи до уваги лямбду, з'явиться одиниця виміру 6,37 х 10^-15 му, дуже близька до розміру адронів.

«Ігри з постійними можуть бути ризикованими, тому що багато залежить від того, які константи ми вибираємо. Наприклад, якщо б простір-час дійсно було продуктом кварків і адронів, то його властивості, включаючи швидкість світла, також повинні бути эмерджентными. А це означало б, що швидкість світла не може бути серед основних констант», зазначає Зенчиковский.

Іншим фактором на користь освіти простору-часу в масштабі кварків і адронів є властивості самих елементарних частинок. Стандартна модель, наприклад, не пояснює, чому існує три покоління частинок, звідки беруться їх маси або чому існують так звані внутрішні квантові числа, які включають изоспин, гіперзаряд і колір. У картині, представленої професором Зенчиковским, ці значення можуть бути пов'язані з певним шестимерным простором, створеним положенням частинок і їх імпульсами. Побудоване таким чином простір однаково поважає положення частинок (матерія) і їх руху (процеси). З'ясовується, що властивості мас або внутрішні квантові числа можуть бути наслідком алгебраїчних властивостей шестимерного простору. Більш того, ці властивості також пояснюють неможливість спостерігати вільні кварки.

«Виникнення простору-часу може бути пов'язане із змінами в організації матерії, яка відбувається у масштабі кварків і адронів, в більш первинному шестимірному фазовому просторі. Однак не зовсім зрозуміло, що далі робити з цією картиною. Кожен наступний крок потребує виходу за межі того, що ми знаємо. І ми навіть не знаємо правил гри, за якими Природа грає з нами, нам все одно доводиться їх вгадувати. Однак представляється розумним, що всі конструкції починаються з матерії, тому що вона є фізично і експериментально доступною. У цьому підході простір-час буде лише нашої ідеалізацією відносин між елементами матерії», - підсумовує професор Зенчиковский.

Погодьтеся з ним? Розкажіть в нашому