Простір-час існує лише в загальній теорії відносності

Задачка для астрофізиків: якщо простір і час не розділені, як стверджує загальна теорія відносності, тоді чому космічна інфляція описує тільки розширення простору? Інакше кажучи, теорія розширення всесвіту ігнорує час? Або теза про "абсолютний час" приймається на віру?

На ці запитання не існує однозначної відповіді. Той факт, що теоретичний конструкт "простір-час" є "фізично реальним" простором-часом, теоретично не означає, що простір і час поводяться однаково.

Іншими словами, релятивістська єдність простору-часу існує тільки формально, "на папері". Як приклад розглянемо фізику в рамках системи відліку "Земля". Вчені не сумніваються в "цілісності" тривимірного простору, без "розщеплення" на горизонтальну площину і вертикальну лінію. При тому, що всі технічні прилади окремо вимірюють лінію горизонту і висоту.

Стандартна космологія передбачає, що ми маємо справу з такою системою відліку, в якій Всесвіт просторово однорідний та ізотропний. Звідси випливає принцип симетрії: вона забезпечує взаємозв'язок між просторовими напрямками.

Однак симетрія не поширюється в часовому напрямку, почасти тому, що час якісно відрізняється від "шкільного", звичного нам простору.

За такого припущення ми отримуємо високосиметричний простір-час, де простір піддається рівномірному розширенню — так, власне, виникає математична функція часу.

Навіть якщо ми розглянемо інший приклад - промінь світла, - тоді нам знадобиться високий ступінь симетрії між просторовим напрямком його поширення і часом, що характеризує вектор руху фотонів. Час потрібен, щоб зафіксувати миттєву топологію, місце розташування, тільки й усього.

Теорія космічної інфляції, простір-час та пошук альтернативних підходів

Проблема в тому, що теорія космічної інфляції залишається лише гіпотезою, яка пояснює швидке і рівномірне розширення простору в ранньому всесвіті, протягом дуже короткого часу. Якщо "в той час" взагалі існував час у його сьогоднішньому розумінні.

Тобто, згідно з традиційним підходом, інфляція не ігнорує час. Вона описує феномен народження матерії/речовини в просторі (як і самого простору) в певний період часу.

Крім того, вважається, що під час інфляції Всесвіт розширився експоненціально. Однак це не означає, що час перебував у "статичному" стані. Інфляція відбувалася на тлі часу, процесу, що протікає.

Тому, коли говорять про розширення Всесвіту, "час" необхідний для розуміння того, як довго тривала інфляція і яка кількість часу минула з моменту Великого Вибуху.

Виходить, якщо інфляції ніколи не існувало, а всесвіт не розширювався (термін "великий вибух" астрофізики не люблять), тоді час не обов'язковий. Він потрібен лише для замкнутих систем звіту, як та ж Земля, щоб ми могли порівняти окремі події. А заодно описати, як вони змінилися при зміні свого місця розташування.

У цьому контексті "час" як технологічний конструкт (насправді “хід часу”, а не “час”) обмежений нашими здібностями вимірювати "зовнішній світ".

Утім, загальна теорія відносності залишається базовою моделлю для опису гравітаційної взаємодії та еволюції простору-часу на великих масштабах. Принаймні доти, доки вона не буде замінена більш фундаментальною теорією квантової гравітації.

А тут, як то кажуть, виникають варіанти.

Зокрема, згідно з теорією петльової квантової гравітації та теорії струн, простір-час - це не континуум, як у Ейнштейна, а щось, що складається з дискретних структур. Він ніби "збирається" з фундаментальних "атомів" геометрії, які "плетуть" просторово-часові мережі. А простір і час можна спокійно квантувати, аж до окремих "атомів" чи "струн".

Це означає, що квантова гравітація може спровокувати модифікацію класичної загальної теорії відносності - виникне нова версія MOND, яка працюватиме вже в рамках ЗТВ. Тобто на дуже малих масштабах або за екстремально високих енергій. Що, своєю чергою, призведе до остаточного прощання з ньютонівською фізикою.

Що, знову-таки, не скасовує фізичної природи і простору, і часу. Проблема лише у виборі вихідного математичного апарату і його узгодження з позицією наукового співтовариства: буде дуже смішно, якщо математика раптом заперечить традиційній фізиці.