Zašto svemir ima samo jednu dimenziju vremena? Fizičari iz Beograda ponudili neočekivano objašnjenje

Naše prostor-vrijeme ima tri prostorne dimenzije i samo jednu vremensku. Zašto baš takva kombinacija? Na to pitanje ponudio je neočekivatan odgovor tim od tri fizičara s Univerziteta u Beogradu, čija je studija objavljena kao preprint na platformi arXiv, a još nije prošla recenziju drugih naučnika.

Polazna tačka istraživanja jest ideja da svemir možda nije gladak kontinuum, već da je sastavljen od nevidljivih gradivnih blokova, poput komadića slagalice. Istraživači su koristili pojednostavljeni model kvantne gravitacije — same po sebi tajanstvene i sporne oblasti — kako bi izbjegli komplikacije stvarnog svemira, poput zakona fizike.

U simulaciji su gradili različite kozmičke geometrije od virtuelnih četverodimenzionalnih jednostavnih tijela, takozvanih 4-simpleksa. Struktura ide hijerarhijski: 4-simpleksi se sastoje od trodimenzionalnih tetraedara, tetraedri od trokuta, trokuti od ivica, a ivice se spajaju u tačke. Dužine ivica nasumično su varirale, s donjom granicom na Plankovoj dužini od 10⁻³⁵ metara — razmjeri na kojoj naše fizičko razumijevanje prestaje važiti. Raspon veličina ograničili su podacima posmatranja iz Velikog hadronskog sudarača (LHC) i mreže detektora gravitacionih talasa LIGO-Virgo, od veličine cijelog svemira, oko 10²⁶ metara, do skale od 10⁻²⁰ metara. To znači da bi se "nazubljenost" svemira mogla pojaviti tek na skali daleko manjoj od atoma.

Testirali su tri različite topologije, odnosno oblike svemira, od po oko 100.000 simpleksa. Među njima su bile četverodimenzionalna sfera bez granica, koja se zatvara sama u sebe, te međusobno nepovezan skup četverodimenzionalnih simpleksa, poput 100.000 razasutih komadića slagalice, koji je služio kao kontrola. Ukupno su obavili više od 20 milijardi evaluacija različitih simulacija.

Rezultat je bio potvrdan. Kada se nasumični komadi geometrije puste da se sami slažu, u oko 85 posto slučajeva formira se prostor-vrijeme s tri prostorne i jednom vremenskom dimenzijom — upravo onakvo kakvo opažamo. Pojavile su se i neobičnije kombinacije: oko 6 posto simulacija dalo je "zamrznuti" svemir s četiri prostorne dimenzije i bez vremena, dok je oko 8 posto rezultiralo svemirom s dvije prostorne i dvije vremenske dimenzije.

Ključno otkriće tiče se prirode ivica. Ako su ivice tretirane kao prostorne, nastaje poznati oblik svemira. Ali kada su tretirane kao vremenske ili kao mješavina, rezultati daju dvije ili čak tri vremenske dimenzije. Istraživači su očekivali da su oba tipa ivica potrebna, no pokazalo se da su prostorne ivice same dovoljne — ivice različitih dužina često se mogu spojiti jedino u geometriju koja uključuje smjer vremena.

Isto tako iznenađujuće, topologija se pokazala nebitnom: gotovo da nije bilo razlike je li globalni oblik svemira lopta, sfera ili tek gomila komadića slagalice. To možda sugerira da je podjela na prostor i vrijeme određena lokalno — ili su, pak, topološke razlike nevidljive ili se izgube s dovoljnim brojem komadića slagalice.

Buduća istraživanja mogla bi uključiti i druge dinamike, poput zakona fizike, te različite oblike, kako bi se dalje testiralo "može li se potpis prostor-vremena konačno razumjeti kao emergentno svojstvo kvantne geometrije", zaključuju istraživači.

Historijski okvir ove priče zanimljiv je i sam po sebi: prostor-vrijeme s tri prostorne i jednom vremenskom dimenzijom opisao je prije više od sto godina Hermann Minkowski, matematičar koji je bio Albertu Einsteinu profesor. Einstein je tu matematičku viziju u početku smatrao nepotrebnom učenošću, ali je kasnije ravnom "Minkowskijevom prostor-vremenu" dodao gravitaciju i tako "rodio" zakrivljeno prostor-vrijeme.