Na początku było… Poczekaj, może nie było żadnego początku, może nasz wszechświat istniał od zawsze – a nowa teoria kwantowej grawitacji wyjaśnia, jak to może działać.
„W rzeczywistości jest tak wiele rzeczy, które większość ludzi kojarzy z fantastyką naukową lub nawet fantasy” – mówi Bruno Bento, fizyk z brytyjskiego Uniwersytetu w Liverpoolu, opisując, jak złożony i tajemniczy jest świat, w którym żyjemy. Bento, wraz ze Stavem Zalelem z Imperial College London, badali naturę czasu i w pracy opublikowanej na serwerze dokumentów arXiv.org przedstawili swoją nową teorię kwantowej grawitacji, którą nazwali „teorią zbiorów przyczynowych”, gdzie przestrzeń i czas są rozłożone na odrębne części czasoprzestrzeni. Na pewnym poziomie, zgodnie z tą teorią, istnieje fundamentalna jednostka czasoprzestrzeni.
Bento i Zalel wykorzystali to podejście zbioru przyczynowego do zbadania początku wszechświata. Stwierdzili, że możliwe jest, iż wszechświat nie miał początku – że istniał zawsze w nieskończonej przeszłości i dopiero niedawno rozwinął się w to, co dziś nazywamy Wielkim Wybuchem.
Kwantowa teoria grawitacji stanowi prawdopodobnie największe wyzwanie dla współczesnej fizyki, ponieważ próbuje rozwiązać problem unifikacji dwóch najważniejszych teorii fizycznych XX wieku: fizyki kwantowej i ogólnej teorii względności. Fizyka kwantowa opisuje trzy z czterech podstawowych sił we wszechświecie (oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne), natomiast ogólna teoria względności opisuje grawitację, najsilniejszą i jednocześnie najbardziej zagadkową siłę elementarną. Ale mimo wszystkich swoich zalet ogólna teoria względności jest niekompletna. W co najmniej dwóch szczególnych miejscach we wszechświecie ramy ogólnej teorii względności po prostu się załamują i nie dają wiarygodnych wyników: w centrach czarnych dziur i na początku wszechświata. Te regiony nazywane są „osobliwościami”, czyli miejscami w czasoprzestrzeni, w których nie obowiązują znane nam obecnie prawa fizyki, i są matematycznymi wskazówkami, że ogólna teoria względności potyka się sama o siebie.
We wszystkich aktualnych teoriach fizyki przestrzeń i czas są ciągłe, to znaczy tworzą płynną strukturę, która leży u podstaw całej rzeczywistości. W takiej ciągłej czasoprzestrzeni dwa punkty w przestrzeni mogą znajdować się tak blisko siebie, jak to tylko możliwe, a dwa zdarzenia mogą również wystąpić tak blisko siebie w czasie, jak to tylko możliwe. Jednak w ich teorii zbiorów przyczynowych czasoprzestrzeń składa się z szeregu pojedynczych części lub „atomów” czasoprzestrzeni. W modelu tym istnieją jednak ścisłe ograniczenia na przestrzenną i czasową bliskość zdarzeń, nie mogą one bowiem zbliżyć się do siebie na odległość mniejszą niż rozmiar „atomu”.
Ich teoria zbiorów przyczynowych eliminuje zatem również problem osobliwości wielkiego wybuchu, ponieważ w tej teorii nie może być osobliwości. Materia nie może być ściśnięta do nieskończenie małych punktów – nie mogą one być mniejsze od atomu czasoprzestrzeni.
Można to porównać do patrzenia na ekran, na którym czytasz ten tekst. Wydaje się być wyraźny i ciągły, ale gdybyś spojrzał na ekran przez silne szkło powiększające, zobaczyłbyś piksele dzielące powierzchnię ekranu i zdałbyś sobie sprawę, że nie da się przesunąć dwóch liter tego tekstu bliżej siebie niż o jeden piksel.
Obaj badacze uważają zatem swoją teorię za przybliżenie kwantowej grawitacji i ponowne przemyślenie koncepcji czasoprzestrzeni, ponieważ wydaje się, że czas również odgrywa centralną rolę i otwiera pytanie o to, co właściwie fizycznie oznacza upływ czasu, jak fizyczna jest przeszłość i czy przyszłość już istnieje. Ich praca sugeruje, że wszechświat mógł nie mieć początku – że po prostu istniał od zawsze. To, co postrzegamy jako Wielki Wybuch, mogło być tylko szczególnym momentem w ewolucji tego wiecznie istniejącego zbioru przyczynowego, a nie prawdziwym początkiem.
