La început, a existat… ei bine, poate că nu a existat niciun început. Poate că Universul a existat dintotdeauna și o nouă teorie a gravitației cuantice dezvăluie cum ar fi fost posibil acest lucru.

„Realitatea are atât de multe lucruri pe care majoritatea oamenilor le-ar putea asocia cu ştiinţifico-fantasticul sau chiar cu fantezia”, afirmă Bruno Bento, un fizician care studiază natura timpului la Universitatea din Liverpool, Marea Britanie.

În lucrarea sa, Bento a folosit o nouă teorie a gravitației cuantice, numită teoria cauzală a seturilor, în care spațiu-timpul este discret. Conform acestei teorii, la un anumit nivel, există o unitate fundamentală de spațiu-timp.

Bento și colaboratorii săi au folosit această abordare a cauzalității pentru a explora începutul Universului. Ei au descoperit că Universul nu a avut un început, adică a existat dintotdeauna și a evoluat recent în ceea ce numim astăzi Big Bang.

Gravitația cuantică

Gravitația cuantică este, probabil, cea mai frustrantă problemă cu care se confruntă fizica modernă. Avem două teorii extraordinar de eficiente ale Universului: fizica cuantică și relativitatea generală.

Fizica cuantică a reușit să descrie cu succes trei dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii (electromagnetismul, forța nucleară slabă și forța nucleară tare) până la scări microscopice.

Pe de altă parte, relativitatea generală este cea mai completă descriere a gravitației concepută vreodată.

Cu toate punctele sale forte, relativitatea generală este însă incompletă. Matematica relativității generale nu reuşeşte să producă rezultate viabile în centrele găurilor negre și la începutul Universului.

Aceste „singularități”, care sunt regiuni din spațiu-timp în care legile actuale ale fizicii nu se pot aplica, ne avertizează că, din punct de vedere matematic, teoria relativității generale eşuează. În cadrul acestor două singularități, gravitația devine incredibil de puternică la scări de lungime foarte mici.

În consecinţă, pentru a rezolva misterele singularităților, fizicienii au nevoie de o descriere la scară microscopică a gravitației, adică de o teorie cuantică a gravitației. Teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă sunt două încercări în acest sens.

Mai există însă o altă abordare care redefineşte complet înțelegerea noastră despre spațiu și timp.

Teoria cauzală a seturilor

În toate teoriile actuale ale fizicii, spațiul și timpul sunt continue. Ele formează o țesătură netedă care stă la baza întregii realități. Într-un astfel de spațiu-timp continuu, două puncte pot fi oricât de aproape unul de celălalt în spațiu și două evenimente se pot produce oricând unul după celălalt.

Într-o altă abordare, denumită teoria cauzală a seturilor, spațiu-timpul este imaginat ca fiind format din părţi discrete sau „atomi” spațio-temporali. Această teorie impune limite stricte privind cât de apropiate pot fi evenimentele în spațiu și timp, deoarece acestea nu se pot produce la o distanţa mai mică decât mărimea „atomului” spaţiu-timp.

De exemplu, atunci când citiţi acest articol pe ecranul computerului, totul pare neted și continuu. Dacă însă priviţi același ecran printr-o lupă, atunci s-ar putea să vedeţi pixelii din care este formată imaginea și astfel devine evident că este imposibil ca două imagini să fie mai apropiate decât mărimea unui singur pixel.

Spațiu-timpul este format din atomi de spațiu-timp

Spaţiu-timpul este format din „atomi” discreţi de spaţiu-timp, similar cu pixelii din imaginea unui computer. Credit: oxygen/Getty Images.

Această teorie l-a entuziasmat pe Bento.

„Am fost încântat să găsesc această teorie care abordează gravitația cuantică și redefineşte de fapt noțiunea de spațiu-timp, conferind, de asemenea, un rol central timpului și arătând ce înseamnă de fapt trecerea timpului din punct de vedere fizic”, a declarat Bento pentru Live Science.

Începutul timpului

Teoria cauzală a seturilor are implicații importante privind natura timpului.

„Conform acestei teorii, trecerea timpului este un proces fizic care nu ar trebui să fie atribuit unui fel de iluzie emergentă sau unui proces din creierul nostru care ne face să credem că timpul trece. Trecerea timpului este în sine o manifestare a unui fenomen fizic.

În această teorie, un set cauzal va genera câte un „atom” la un moment dat și va deveni din ce în ce mai mare”, a spus Bento.

Prin această teorie se elimină problema singularității Big Bang, deoarece singularitățile nu pot exista în această teorie. Este imposibil ca materia să se comprime până la un punct infinit de mic, mărimea unui atom spațiu-timp stabilind cea mai mică dimensiune posibilă.

În consecinţă, fără o singularitate Big Bang, cum arată începutul Universului?

Bento și colaboratorul său, Stav Zalel, absolvent al Imperial College din Londra, au explorat ce rezultă prin aplicarea teoriei cauzale a seturilor cu privire la momentele inițiale ale Universului.

Lucrarea lor a fost publicată pe serverul de preprint arXiv şi a examinat „dacă trebuie să existe un început în abordarea setului cauzal”, a spus Bento.

„În formularea și dinamica setului cauzal inițial, în mod clasic vorbind, un set cauzal crește din nimic în Universul pe care îl vedem astăzi. În lucrarea noastră, nu ar exista Big Bang ca început, deoarece setul cauzal ar fi infinit pentru trecut, astfel că întotdeauna există ceva înainte”.

Studiul implică faptul că Universul a existat întotdeauna fără să aibă un început. Ceea ce percepem ca Big Bang a fost doar un moment particular în evoluția acestui set cauzal existent mereu şi nu un adevărat început.

Cu toate acestea, mai este mult de lucru. Nu este încă clar dacă această abordare cauzală fără început poate permite teorii fizice cu care putem lucra pentru a descrie evoluția complexă a Universului în timpul Big Bang-ului.

Traducere după What if the universe had no beginning?