Отвъд Айнщайн: защо пространството и времето могат да се окажат илюзия?

Философите и физиците отново търсят отговор на въпроса за реалността.

Съвременните представи за Вселената произлизат от теорията на относителността на Алберт Айнщайн, в която пространството и времето са обединени в четириизмерно „пространство-време“. За разлика от класическите идеи на Нютон за статично пространство и абсолютно време, пространство-времето на Айнщайн е гъвкаво и се влияе от масата и енергията. Тази идея предизвиква революция, като доказва, че масивните обекти деформират пространството и времето около себе си, създавайки ефекти, които можем да наблюдаваме, като например гравитацията. По този начин Вселената започва да се разглежда като динамична система, която може както да започне, така и да завърши.

С течение на времето обаче физиците откриха, че самата теория на относителността съдържа предпоставки за собственото си ограничаване. Едно от най-плашещите последствия от теорията са така наречените сингулярности – области, в които пространство-времето се изкривява толкова силно, че се разкъсва, създавайки празнини. Сингулярностите не могат директно да се опишат в рамките на теорията на Айнщайн: те са точки, в които законът на физиката престава да действа в обичайната си форма. В центъра на черните дупки или в момента на Големия взрив настъпва подобно нарушение, при което обичайните понятия за пространство и време не могат да бъдат приложени.

Сингулярностите поставят физиците пред дилема: или те са теоретични пропуски, които показват ограниченията на самата теория, или пространство-времето наистина не е крайна реалност, а само проявление на по-дълбока структура. Освен това теорията на относителността е несъвместима с квантовата механика – другата фундаментална теория, описваща микрокосмоса. Това доведе до търсенето на теория, която да обедини тези два подхода – теорията на квантовата гравитация, която би могла да обясни природата на реалността отвъд пространството и времето.

Научната общност вече няколко десетилетия се занимава с търсенето на тази теория, но все още не е успяла. Ако бъде открита теорията на квантовата гравитация, това ще изисква друго предизвикателство: да се създаде мост, който ще ни позволи да откъснем познатото пространство-време от една по-фундаментална реалност. Такъв мост е необходим, за да се обясни как така Вселената възниква от свят, в който пространството и времето не съществуват в познатата форма, която може да бъде описана от теорията на относителността.

В този момент на преден план в търсенето на отговорите излизат философите. Карън Кроутър, австралийски философ по физика от Университета в Осло, изучава това, което нарича „възникващо пространство-време“. Заедно с други учени тя се опитва да разбере как биха могли да изглеждат законите на физиката и самата Вселена без пространство и без време. Един от въпросите, които тя повдига, е следният: ако пространство-времето наистина е продукт на по-фундаментална теория, как точно то може да възникне от нея?

Обикновено учените откриват нови теории въз основа на експериментални доказателства, когато наблюдават нещо в реалността, което не отговаря на досегашните представи. В случая с квантовата гравитация обаче проблемът е чисто теоретичен: теориите на квантовата механика и на относителността са просто несъвместими. Местата, където те трябва да се съчетаят, като например центърът на черна дупка или моментът на Големия взрив, не са достъпни за пряко наблюдение и може би никога няма да бъдат достъпни. Това принуждава изследователите да разчитат на философски разсъждения и математическа прецизност, което е необичайно за съвременната наука.

В теорията на относителността сингулярностите представляват „празнота“ или „липсващи точки“, които е трудно да бъдат локализирани в познатото пространство-време. Тези точки означават, че пътят през пространство-времето може да се прекъсне и обектите, пътуващи по такъв път, могат да изчезнат и след това да се появят отново на друго място. Това нарушаване на предсказуемостта поставя под въпрос валидността на теорията на относителността и налага необходимостта от квантова гравитация.

От философска гледна точка схващането, че пространство-времето е „възникващо“ явление, предполага, че то съществува като приближение към една по-фундаментална реалност. Прост пример са вълните по повърхността на водата. На молекулярно ниво водата е съставена от отделни частици, но в по-голям мащаб виждаме вълната като цялостно явление. В случая с квантовата гравитация пространство-времето вероятно възниква в резултат на колективното взаимодействие на все още неизвестните „атоми“ на пространството.

Това повдига въпроса как да се тества теория, която не използва понятията пространство и време. Всички наши измервания и експерименти са свързани с конкретни моменти и места. За да бъде проверена такава теория, е необходимо да се „реконструира“ пространство-времето от по-фундаментални елементи, което обаче остава задача за бъдещето.

Интересът към тази тема се привлича и от идеи като теорията на струните, където концепцията за дуалност позволява на една теория да описва различните структури на пространство-времето. Това може би показва, че на дълбоко ниво понятията пространство и време не са фундаментални. По принцип теорията на струните, която съчетава квантовата механика с гравитацията, дава възможност да се формулират хипотези за съществуването на бозонови звезди, гравитационни звезди и други екзотични обекти.

Днес, когато липсват емпирични доказателства, учените прибягват до философски методи и се позовават на принципи като кохерентност, простота и естетичност на теорията. Това връща физиката към нейните философски корени в моментите на търсене на нови теории.