Современные представления о вселенной берут начало в теории относительности Альберта Эйнштейна, где пространство и время объединяются в четырёхмерное “пространство-время”. В отличие от классических представлений Ньютона о статичном пространстве и абсолютном времени, пространство-время Эйнштейна обладает гибкостью и подвержено влиянию массы и энергии. Эта идея произвела революцию, показав, что массивные объекты деформируют пространство и время вокруг себя, создавая эффекты, которые мы наблюдаем, например, в виде гравитации. Таким образом, вселенная стала восприниматься как динамическая система, которая может как начинаться, так и заканчиваться.
Однако со временем физики обнаружили, что сама теория относительности содержит предпосылки для собственного ограничения. Одним из самых пугающих следствий теории стали так называемые сингулярности – области, в которых пространство-время искривляется настолько сильно, что разрывается, создавая пробелы. Сингулярности не поддаются прямому описанию в рамках теории Эйнштейна: это точки, где закон физики перестаёт действовать в привычной форме. В центре чёрных дыр или в момент Большого взрыва возникает подобное нарушение, при котором привычные понятия пространства и времени не могут быть применены.
Сингулярности поставили физиков перед дилеммой: либо это теоретические пробелы, которые указывают на ограниченность самой теории, либо пространство-время действительно является не конечной реальностью, а всего лишь проявлением более глубокой структуры. Кроме того, теория относительности несовместима с квантовой механикой, другой фундаментальной теорией, описывающей микромир. Это привело к поиску теории, которая смогла бы объединить эти два подхода – теории квантовой гравитации, способной объяснить природу реальности за пределами пространства и времени.
Научное сообщество уже несколько десятилетий ищет эту теорию, но добиться успеха пока не удалось. Теория квантовой гравитации, если она будет найдена, потребует решения ещё одной задачи: создания моста, который позволит вывести привычное пространство-время из более фундаментальной реальности. Такой мост необходим для того, чтобы объяснить, как из мира, где пространство и время не существуют в привычной форме, возникает вселенная, которую можно описать с помощью теории относительности.
На этом этапе в поисках ответов на передний план выходят философы. Карен Кроутер, австралийский философ физики из Университета Осло, занимается изучением так называемого “возникающего пространства-времени”. Вместе с другими учёными она пытается понять, как могут выглядеть законы физики и сама вселенная без пространства и времени. Один из вопросов, который она поднимает, заключается в следующем: если пространство-время действительно является продуктом более фундаментальной теории, как именно оно может из неё возникнуть?
Обычно учёные открывают новые теории, опираясь на экспериментальные данные, когда наблюдают в реальности что-то, что не соответствует текущим представлениям. Однако в случае квантовой гравитации проблема носит чисто теоретический характер: теории квантовой механики и относительности просто несовместимы. Места, где их нужно объединить, такие как центр чёрной дыры или момент Большого взрыва, недоступны для прямого наблюдения и, возможно, никогда не будут доступны. Это вынуждает исследователей полагаться на философские рассуждения и математическую стройность, что необычно для современной науки.
Сингулярности в теории относительности представляют собой “пустоту” или “отсутствующие точки”, которые сложно локализовать в привычном пространстве-времени. Эти точки означают, что путь через пространство-время может обрываться, и объекты, двигающиеся по такому пути, могут исчезать, а затем снова появляться в другом месте. Это нарушение предсказуемости ставит под сомнение полноценность теории относительности и подталкивает к необходимости квантовой гравитации.
С точки зрения философии, представление о том, что пространство-время является “возникающим” явлением, подразумевает, что оно существует как приближение к более фундаментальной реальности. Простой пример – волны на поверхности воды. На молекулярном уровне вода состоит из отдельных частиц, но на большем масштабе мы видим волну как целое явление. В случае квантовой гравитации пространство-время, возможно, возникает как результат коллективного взаимодействия ещё не известных “атомов” пространства.
При этом возникает вопрос о том, как проверить теорию, которая не использует понятия пространства и времени. Все наши измерения и эксперименты привязаны к конкретным моментам и местоположениям. Чтобы такая теория могла быть верифицирована, необходимо “восстановить” пространство-время из более фундаментальных элементов, что, впрочем, пока остаётся задачей будущего.
Интерес к этой теме также привлекают подходы вроде теории струн, где концепция двойственности позволяет одной теории описывать разные структуры пространства-времени. Это может указывать на то, что на глубинном уровне концепции пространства и времени не являются фундаментальными.
Сегодня, когда эмпирических данных нет, учёные прибегают к философским методам и обращаются к таким принципам, как согласованность, простота и эстетичность теории. Это возвращает физику к её философским корням в моменты поиска новых теорий.