Более ста лет назад мыслитель-новатор изменил наше понимание пространства и времени.
Он сказал нам, что они оба переплетены в ткань, пронизывающую космос, состоящую из трех измерений пространства и одного измерения времени.
Как зовут этого теперь известного провидца? Разумеется, усатый Герман Минковский – учитель математики Альберта Эйнштейна.
И нет, он не провалил Эйнштейна, который затем добавил гравитацию к плоскому «пространству-времени Минковского» и «родил» искривленное пространство-время.
Фактически, можно сказать, что Эйнштейн завалил Германа, поскольку Эйнштейн считал образ мышления Германа «лишней ученостью». Во всяком случае, сначала.
Но почему Имеет ли Вселенная три пространственных измерения и одно временное измерение? Странная новая математическая теория предлагает удивительную возможность:
Все это благодаря невидимым строительным блокам, таким как кусочки головоломки или LEGO (или даже K’NEX), которые формируют космос.
В препринте, опубликованном на arXiv и еще не прошедшем рецензирование, трио физиков из Белградского университета в Сербии смоделировали различные космические геометрии из виртуальных четырехмерных треугольников, чтобы посмотреть, смогут ли они породить знакомую нам смесь трех измерений пространства и одного измерения времени.
Ответ: да, абсолютно. Вроде.
Авторы использовали игрушечную модель квантовой гравитации, которая сама по себе загадочна и спорна, чтобы исследовать сложную космическую механику без запутанных сложностей реальной Вселенной, таких как законы физики.
Эта структура моделировала то, что можно считать чрезвычайно миниатюрной Вселенной, уменьшающейся от четырех измерений до нуля, подобно иерархическому карточному домику.
Все началось с четырехмерных 4-симплексов, которые состоят из трехмерных тетраэдров, которые состоят из двумерных треугольников, которые состоят из одномерных ребер, соединяющихся в нульмерных вершинах.
Как и известная цитата о черепахах, поддерживающих мир, все очень просто!
Затем исследователи рандомизировали длины ребер этих деталей, установив минимальную длину Планка по шкале 10.-35 метров, что представляет собой нарушение нашего физического понимания.
Верхняя граница этой шкалы — это точка, в которой Вселенная перестает вести себя как гладкий континуум и начинает действовать как неровный пазл. Наблюдения с Большого адронного коллайдера и гравитационно-волновой сети LIGO-Virgo помогают установить диапазон размеров: от размера всей Вселенной, около 1026 метров, вплоть до масштаба 10-20 метры.
Таким образом, любая неровность будет проявляться только в масштабе, намного меньшем, чем размер атома, который даже близко не виден.
Исследователи также рассмотрели три различные топологии или космические ландшафты, состоящие примерно из 100 000 симплексов в трех конфигурациях.
Во-первых, четырехмерный шар с краем.
Во-вторых, четырехмерная сфера без границы, потому что она зацикливается сама на себе.
И, в-третьих, бессвязный набор четырехмерных симплексов, похожих на 100 000 разбросанных кусочков головоломки, используемых в качестве элемента управления.
Наконец, исследователи рассматривали все края частей либо как пространственные — сродни физическим расстояниям, представленным с помощью действительных чисел, — либо как временные — сродни временным интервалам, представленным с помощью мнимых чисел, или их комбинацией.
В общей сложности их окончательный пул данных включал более 20 миллиардов оценок различных симуляций на основе симплексов.
Итак, возникла ли четырехмерная «Вселенная»?
Удивительно, да. Когда вы бросаете в миксер кучу случайных кусочков головоломки, отделяете сложные космические динамики и силы и позволяете им собираться геометрически, примерно в 85 процентах случаев они организуются в пространство-время с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением — в соответствии с математическими сигнатурами, которые исследователи приписали этим измерениям.
Также появляются некоторые другие странные конфигурации. Около 6 процентов испытаний дают евклидову подпись: замороженная Вселенная с четырьмя пространственными измерениями и без времени.
И что интересно, около 8 процентов испытаний выявили раскол Вселенной с двумя измерениями пространства и двумя измерениями времени.
Однако это происходит только в том случае, если вы считаете длины ребер пространственными. Рассматривая их как времяподобные или как смесь, мы получаем сигнатуры с двумя или даже тремя измерениями времени, а не со Вселенной в стиле Минковского, которую мы воспринимаем как реальность.
И это преподнесло один из главных сюрпризов: можно было подумать, что необходимы как пространственно-подобные, так и времяподобные края. Тем не менее, в этой модели одних пространственноподобных ребер было достаточно: ребра несовпадающей длины часто могут сочетаться друг с другом только в геометрии, которая включает направление времени.
Столь же удивительно, что топология не имела значения, и не имело большого значения, была ли глобальная форма Вселенной шаром, сферой или просто кучей кусочков головоломки, возможно, предполагая, что разделение между пространством и временем установлено локально. Или что топологические различия невидимы или усредняются при наличии достаточного количества частей головоломки.
Будущие исследования могут включать в себя другие динамики, такие как физические законы и различные формы, чтобы дополнительно проверить, «можно ли в конечном итоге понять пространственно-временную сигнатуру как возникающее свойство квантовой геометрии», заключают исследователи.
Исследование доступно в виде препринта на arXiv и еще не прошло рецензирование.
Эта статья была проверена Фионой Макдональд и отредактирована Фионой Макдональд. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
