Τι θα γινόταν αν το σύμπαν δεν είχε αρχή;

Στην αρχή, υπήρχε… αλλά καλά, ίσως να μην υπήρχε αρχή. Ίσως το σύμπαν μας να υπήρχε από πάντα — και μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας (η Αιτιακή Θεωρία Συνόλων) αποκαλύπτει πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει.

Ίσως το Big Bang δεν είναι η αρχή του Κόσμου μας διαθέτοντας ένα άπειρο παρελθόν

«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.

Ο Bruno Bento, ένας φυσικός που μελετά τη φύση του χρόνου στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ , χρησιμοποίησε την Αιτιακή Θεωρία Συνόλων (causal set theory), στην οποία ο χώρος και ο χρόνος αναλύονται σε διακριτά κομμάτια χωροχρόνου. Σε κάποιο κατώτερο επίπεδο, υπάρχει μια θεμελιώδης μονάδα του χωροχρόνου, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία.

Ο Bento χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση για να εξερευνήσει την αρχή του σύμπαντος. Βρήκε 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 πυρηνική 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.

Ο χωρόχρονος αποτελείται από διακριτά κομμάτια ή χωροχρονικά “άτομα”, παρόμοια με τα pixel μιας εικόνας υπολογιστή.

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 ιδιαίτερη 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 ιδιαιτεροτήτων, οι φυσικοί χρειάζονται μια μικροσκοπική περιγραφή της ισχυρής βαρύτητας, που ονομάζεται επίσης κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Υπάρχουν δε πολλές υποψήφιες θεωρίες για την κβαντική θεωρία της βαρύτητας, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας χορδών και της κβαντικής βαρύτητας βρόχου .

Ενώ υπάρχει και μια άλλη προσέγγιση που ξαναγράφει εντελώς τον τρόπο που κατανοούμε τον χώρο και τον χρόνο.

Αιτιώδης Θεωρία συνόλων

Ένα αιτιακό σύνολο. Ένα στοιχείο x προηγείται του στοιχείου y αν και μόνο αν υπάρχει μια ανοδική διαδρομή από το x στο y. Το τμήμα του αιτιώδους συνόλου που βρίσκεται στη σκιασμένη περιοχή προσεγγίζεται καλά από έναν συνεχή χωροχρόνο (η φυσική σε αυτή την περιοχή περιγράφεται από την θεωρία της σχετικότητας). Το υπόλοιπο ανήκει στην εποχή της κβαντικής βαρύτητας που προηγείται της ιδιομορφίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Ίσως, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο συνεχής χωρόχρονος της γενικής σχετικότητας αναδύεται από ένα υποκείμενο αιτιακό σύνολο μέσω μιας μεγάλης (μήκους) κλίμακας προσέγγισης. Αλλά σύμφωνα με την κβαντομηχανική η πραγματικότητα περιγράφεται καλύτερα ως υπέρθεση αιτιακών συνόλων. Μια κβαντική θεωρία αιτιακών συνόλων θα διατυπωθεί τελικά ως ένα άθροισμα των «ιστοριών» – ένα είδος «ολοκληρώματος διαδρομής» – με το αιτιακό σύνολο να παίζει τον ρόλο της «ιστορίας» ή της διαμόρφωσης του χωροχρόνου». Η απόδοση συγκεκριμένης βαρύτητας σε κάθε ιστορία του αθροίσματος είναι το πρόβλημα της δυναμικής των αιτιακών συνόλων.

Μεγάλο μέρος της προσπάθειας για την απόδοση μιας δυναμικής στα αιτιακά σύνολα βασίστηκε στο παράδειγμα της δυναμικής ανάπτυξης σύμφωνα με την οποία το βάρος/δράση προκύπτει από μια θεμελιώδη φυσική διαδικασία στην οποία το αιτιακό σύνολο δημιουργείται εκ του μηδενός (ex nihilo). Αυτή η έννοια του γίγνεσθαι, η ιδέα ότι ένα αιτιακό σύνολο αναπτύσσεται στοιχείο με στοιχείο, επιτρέπει επιπλέον την φυσική να συλλάβει την ροή του χρόνου: μια ακαριαία στιγμή – ένα ‘τώρα’ – αντιστοιχεί στη γέννηση (όχι στην ύπαρξη) ενός στοιχείου.

Κινηματικά, τα αιτιακά σύνολα μπορούν να δώσουν μια κοσμολογία στην οποία ο χρόνος δεν έχει αρχή—δηλαδή, ένα αιτιακό σύνολο στο οποίο κάθε στοιχείο έχει ένα άπειρο παρελθόν. Μπορούν όμως τέτοια απείρου-παρελθόντος αιτιακά σύνολα να οδηγήσουν στην εξέλιξη και το γίγνεσθαι; Αν όχι, μπορεί να αναγκαστούμε να επιλέξουμε ανάμεσα στην πάροδο του χρόνου και σε έναν χρόνο χωρίς αρχή.

Σε όλες τις τρέχουσες θεωρίες της φυσικής, ο χώρος και ο χρόνος είναι συνεχείς. Αποτελούν ένα “λείο” ιστό 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 στον 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 την επιστημονική φαντασία ή ακόμα και κινηματογραφική φαντασία».
-Μπρούνο Μπέντο

Αλλά όπως είπαμε μια άλλη προσέγγιση, που ονομάζεται αιτιώδης θεωρία συνόλων, λαμβάνει 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» του χωρόχρονου.

Για παράδειγμα, αν κοιτάτε την οθόνη σας όλα σας φαίνονται ομαλά και συνεχή. 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 σημεία στην οθόνη σας πιο κοντά από ένα μόνο pixel.

Αυτή η θεωρία της φυσικής ενθουσίασε τον Bruno Bento. «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.”

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 το 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», αναφέρει ο Bento. «Έτσι, στη θεωρία των αιτιακών συνόλων, ένα αιτιακό σύνολο θα μεγαλώνει ένα «άτομο» κάθε φορά και θα γίνεται όλο και μεγαλύτερο».

«Σύμφωνα με τη θεωρία των αιτιακών συνόλων, αυτό που νιώθουμε ως το πέρασμα του χρόνου αντιστοιχεί στη γέννηση νέων στοιχείων του αιτιακού συνόλου. Αυτό που ονομάζουμε «τώρα» είναι η γέννηση ενός νέου στοιχείου. Και αν τα αιτιακά σύνολα είναι η απάντηση, δεν έχουμε απαραίτητα αρχή».
– Bruno Bento

Η πρόκληση που προτείνει ο Bento είναι να απαλλαγούμε από την ιδέα της «ακολουθίας» στην οποία ένα στοιχείο δημιουργεί ένα άλλο.

Για τον Bento υπάρχει πάντα κάτι πριν, δηλαδή, τα σύνολα αιτιών θα ήταν άπειρα στο παρελθόν και η Μεγάλη Έκρηξη θα ήταν μόνο μια συγκεκριμένη στιγμή στην εξέλιξη του σύμπαντος.

Αντίθετα, προτείνει να σκεφτούμε ένα «Ασύγχρονο Γίγνεσθαι» στο οποίο τα στοιχεία γεννιούνται εν μέρει και όχι πλήρως.

Στο άρθρο του, ο ερευνητής αναγνωρίζει ότι αυτή η ιδέα του «ασύγχρονου γίγνεσθαι» ακούγεται σαν «γρίφος φαντασίας» και ότι ένα νέο είδος μαθηματικών για την κατανόηση του «ασύγχρονου γίγνεσθαι» και των συνεπειών του στη φύση του χρόνου. “

Το πρόβλημα της μοναδικότητας

Με αυτόν τον τρόπο, η θεωρία των αιτιακών συνόλων λύνει το πρόβλημα της μοναδικότητας, γιατί σύμφωνα με την άποψή της δεν μπορεί να υπάρχει τίποτα μικρότερο από ένα άτομο χωροχρόνου.

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 του χωροχρόνου.

Έτσι, χωρίς να υπάρχει ιδιομορφία ή ιδιαιτερότητα στο Big Bang, πώς άραγε να μοιάζει η αρχή του σύμπαντός μας; Σε αυτό το σημείο ο Bento και ο συνεργάτης του, Stav Zalel, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Imperial College του Λονδίνου, έπιασαν το νήμα, διερευνώντας τι θα είχε  να πει η θεωρία των αιτιακών συνόλων για τις αρχικές στιγμές του σύμπαντος. Η δουλειά τους εμφανίστηκε σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 24 Σεπτεμβρίου στη βάση δεδομένων arXiv . Η εργασία όμως δεν έχει ακόμη δημοσιευθεί σε επιστημονικό περιοδικό με κριτές.

Η εργασία εξέτασε «αν πρέπει να υπάρχει αρχή του χρόνου με την προσέγγιση του αιτιακού συνόλου», είπε ο Bento. “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 για πάντα. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως Big Bang μπορεί να ήταν απλώς μια συγκεκριμένη στιγμή στην εξέλιξη αυτού του υπάρχοντος αιτιακού συνόλου, όχι μια αληθινή αρχή.

Ωστόσο, υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά να γίνει. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν αυτή η χωρίς αρχή αιτιακή 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 τέτοιο πλαίσιο είναι πράγματι δυνατό», είπε ο Bento. «Έτσι, τουλάχιστον μαθηματικά, αυτό μπορεί να γίνει».

Με άλλα λόγια, είναι… μια αρχή.

Πηγή

http://physics4u.gr/blog/