Hvordan og hvordan begynte universet? Nesten alle religioner, trosbekjennelser og kulter tilbyr svar på dette spørsmålet, så gammelt som verden. Men vitenskapen har tatt det på alvor ganske nylig - først på 1900-tallet.
Det enkleste svaret vil være det korteste - det hele startet med Big Bang. Dette er dokumentert av løsningene fra alle fornuftige modeller for evolusjonen av universet, bygd på grunnlag av den generelle relativitetsteorien. Hvis vi blar dem tilbake i tid, vil vi uunngåelig treffe øyeblikket når tettheten og temperaturen i materien blir uendelig. Det må også tas som opprinnelse, null tidspunktet. Det er umulig å fortsette løsninger på området fra tidligere tider: matematikk tillater ikke.
Den eneste veien ut
Fysikere likte aldri denne situasjonen. Helt siden de lærte å beregne strengt verdensmodeller, har ikke håpet om å bli kvitt uendelig og se, så å si inn i Big Bangs fortid, forsvunnet. Men alle forsøk på å finne rimelige modeller for det "begynnelsesløse", med andre ord, det evige universet, viste seg å være mislykket. Denne situasjonen vedvarte selv etter at modellene for inflasjonsutvidelse av det tidlige universet ble utviklet på begynnelsen av 1980-tallet, som ikke bare var avhengige av generell relativitet, men også på den falske vakuumhypotesen lånt fra kvantefeltteorien.
Inflasjon er en supersnabb ekspansjon av universet helt i begynnelsen av dets eksistens. Det oppstår på grunn av det faktum at vakuumet i dette øyeblikket er i en tilstand med en veldig høy positiv energitetthet, som umulig overskrider minimumsverdien. Vakuumet med lavest energitetthet kalles sant, med et høyere - usant. Ethvert positivt vakuum fungerer som tyngdekraft, det vil si at det får plass til å utvide seg. Et falskt vakuum med en ekstremt høy energitetthet er også ekstremt ustabilt, det går raskt i oppløsning, og energien blir brukt på dannelse av stråling og partikler oppvarmet til ekstremt høye temperaturer. Dette vakuumforfallet er det som kalles Big Bang. Det etterlater seg vanlig rom fylt med gravitasjonsstoff, som utvides til en moderat hastighet.
Imidlertid er det ett scenario som overvinner blindveien til matematiske uendigheter. I følge dette scenariet oppstod universet fra ingenting, mer presist, fra en tilstand der det verken er tid, rom eller rolle i den klassiske betydningen av disse begrepene. Ved første øyekast virker denne ideen latterlig - hvordan kan ingenting gi opphav til noe? Eller flytter du fra metaforer til fysikk, hvordan kan du komme deg rundt de grunnleggende konserveringslovene? La oss si loven om bevaring av energi, som anses som absolutt. Energiene til materie og stråling er alltid positive, så hvordan kan de oppstå fra en tilstand med null energi?
Salgsfremmende video:
På fordelene med isolasjon
Heldigvis er denne vanskeligheten fullstendig løsbar - imidlertid ikke for noen universer, men bare for lukkede. Det kan bevises at den totale energien til et lukket univers er nøyaktig null. Hvordan kan dette være, siden universet er fylt med materie og stråling? Imidlertid er det også tyngdekraften, som er kjent for å være negativ. Det viser seg at i et lukket univers blir det positive energibidraget til partikler og elektromagnetiske felt nøyaktig kompensert av det samme i størrelse og motsatt i tegnbidrag fra gravitasjonsfeltet, slik at den totale energien alltid er null. Denne konklusjonen gjelder ikke bare energi, men også for elektrisk ladning. I et lukket univers ledsages nødvendigvis enhver positiv ladning av den samme ladningen med et minustegn, slik at den totale summen av alle ladninger igjen viser seg å være null. Det samme kan sies om andre fysiske mengder som overholder strenge bevaringslover.
Hva følger av dette? Hvis et lukket univers oppstår fra absolutt tomhet, er alle konserverte mengder som de var og forblir null. Det viser seg at de grunnleggende fredningslovene ikke forbyr en slik fødsel i det hele tatt. La oss nå huske at en hvilken som helst kvantemekanisk prosess som ikke er forbudt etter disse lovene, kan oppstå, selv med svært liten sannsynlighet. Så fødselen av et lukket univers fra ingenting er i prinsippet mulig. Slik skiller kvantemekanikk seg fra klassisk mekanikk, der tomheten i seg selv ikke kan føre til noe.
Til begynnelsen av tiden
Sjansene for spontan fødsel av forskjellige universer i henhold til dette scenariet kan beregnes: fysikk har et matematisk apparat for dette. Det er intuitivt åpenbart at de faller når størrelsen på universet øker, og likningene bekrefter dette: Det er mer sannsynlig at lilliputiske univers oppstår enn større univers. Samtidig er størrelsen på universet assosiert med egenskapene til det falske vakuumet som fyller det: jo høyere tetthet av dets energi, jo mindre er universet. Så de største sjansene for spontan fødsel blir gitt til lukkede mikrounivers fylt med et høyt energi-vakuum.
La oss si at sannsynligheten fungerte til fordel for dette scenariet og at et lukket univers ble født ut av ingenting. Det falske vakuumet skaper negativ tyngdekraft, som tvinger det nyfødte universet til å utvide seg i stedet for å trekke seg sammen. Som et resultat vil hun utvikle seg fra det første øyeblikket som fikser hennes spontane fødsel. Når vi nærmer oss dette øyeblikket fra fremtidens perspektiv, kommer vi ikke inn i uendelig. Men spørsmålet om hva som skjedde før dette øyeblikket gir ikke mening, siden da var det verken tid eller rom.
Må ha en start
For flere år siden beviste jeg sammen med to medforfattere et teorem som er direkte relatert til problemet vårt. Grovt sett argumenterer hun for at ethvert univers som utvides i gjennomsnitt har en begynnelse. Avklaring "i gjennomsnitt" har betydningen at universet i noen stadier kan trekke seg sammen, men gjennom hele sin eksistens utvides det fremdeles. Og konklusjonen om begynnelsens eksistens betyr at dette universet har historier som, når de fortsettes inn i fortiden, bryter av, deres verdenslinjer har visse utgangspunkt. Tvert imot, ethvert univers som eksisterer evig, kan ikke ha slike verdenslinjer, alle historiene går kontinuerlig tilbake til fortiden til en uendelig dybde. Og siden universer som er født som et resultat av inflasjonsprosesser tilfredsstiller teoremets betingelser,de må ha en begynnelse.
Du kan også matematisk simulere et lukket univers som var i en statisk tilstand i uendelig lang tid, og deretter begynte å utvide. Det er tydelig at vårt teorem ikke gjelder det, fordi den gjennomsnittlige hastigheten for utvidelsen er null. Imidlertid vil et slikt univers alltid ha en sjanse til å kollapse: Dette kreves av kvantemekanikk. Sannsynligheten for kollaps kan være veldig liten, men siden universet er i en statisk tilstand i en uendelig tid, vil det helt sikkert skje, og et slikt univers vil ganske enkelt ikke leve for å utvide. Så vi kommer igjen til den konklusjon at det ekspanderende universet må ha en begynnelse. Naturligvis gjelder det også vårt eget univers.
Alexander Vilenkin, direktør for Institute of Cosmology ved Tufts University, forfatter av The World of Many Worlds. Fysikere på jakt etter andre universer”.
Intervjuet av: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
