Jak i jak powstał wszechświat? Prawie wszystkie religie, wyznania i kulty oferują odpowiedzi na to pytanie, tak stare jak świat. Ale nauka potraktowała to poważnie całkiem niedawno - dopiero w XX wieku.
Najprostsza odpowiedź będzie najkrótsza - wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu. Świadczą o tym rozwiązania wszystkich rozsądnych modeli ewolucji Wszechświata, zbudowanych w oparciu o ogólną teorię względności. Jeśli cofniemy je w czasie, nieuchronnie trafimy w moment, w którym gęstość i temperatura materii staną się nieskończone. Należy go również przyjąć za początek, zerowy punkt czasowy. Niemożliwe jest kontynuowanie rozwiązań z obszaru dawnych czasów: matematyka nie pozwala.
Jedyne wyjście
Fizycy nigdy nie lubili tej sytuacji. Odkąd nauczyli się rygorystycznie obliczać modele świata, nadzieje na pozbycie się nieskończoności i spojrzenie, by tak rzec, w przeszłość Wielkiego Wybuchu, nie zniknęły. Jednak wszelkie próby znalezienia rozsądnych modeli „bez początku”, innymi słowy, wiecznego Wszechświata, okazały się nieskuteczne. Taki stan rzeczy utrzymywał się nawet po opracowaniu modeli inflacyjnej ekspansji wczesnego Wszechświata na początku lat 80. XX wieku, które opierały się nie tylko na ogólnej teorii względności, ale także na hipotezie fałszywej próżni zapożyczonej z kwantowej teorii pola.
Inflacja to superszybka ekspansja Wszechświata na samym początku jego istnienia. Wynika to z faktu, że próżnia w tym momencie znajduje się w stanie o bardzo dużej dodatniej gęstości energii, niezmiernie przekraczającej jej minimalną wartość. Próżnia o najniższej gęstości energii nazywana jest prawdą, a wyższą - fałszem. Każda dodatnia próżnia działa jak antygrawitacja, to znaczy powoduje rozszerzanie się przestrzeni. Fałszywa próżnia o wyjątkowo dużej gęstości energii jest również wyjątkowo niestabilna, szybko się rozpada, a jej energia jest zużywana na tworzenie się promieniowania i cząstek nagrzanych do ekstremalnie wysokich temperatur. Ten rozpad próżni nazywany jest Wielkim Wybuchem. Pozostawia zwykłą przestrzeń wypełnioną grawitacyjną materią, która rozszerza się w umiarkowanym tempie.
Jest jednak jeden scenariusz, który pozwala pokonać ślepą uliczkę matematycznych nieskończoności. Zgodnie z tym scenariuszem Wszechświat powstał z niczego, a dokładniej ze stanu, w którym nie ma ani czasu, ani przestrzeni, ani materii w klasycznym tego słowa znaczeniu. Na pierwszy rzut oka ten pomysł wydaje się śmieszny - jak z niczego nie może powstać coś? Albo przechodząc od metafor do fizyki, jak możesz obejść podstawowe prawa zachowania? Powiedzmy, że prawo zachowania energii jest uważane za absolutne. Energie materii i promieniowania są zawsze dodatnie, więc jak mogą powstać ze stanu o zerowej energii?
Film promocyjny:
O korzyściach płynących z izolacji
Na szczęście ta trudność jest całkowicie rozwiązalna - jednak nie dla żadnych wszechświatów, a tylko dla zamkniętych. Można udowodnić, że całkowita energia dowolnego zamkniętego wszechświata wynosi dokładnie zero. Jak to możliwe, skoro wszechświat jest wypełniony materią i promieniowaniem? Istnieje jednak również energia grawitacji, o której wiadomo, że jest ujemna. Okazuje się, że w zamkniętym wszechświecie dodatni udział energii cząstek i pól elektromagnetycznych jest dokładnie kompensowany przez równy pod względem wielkości i przeciwny pod względem znaku udział pola grawitacyjnego, tak że całkowita energia jest zawsze równa zeru. Wniosek ten dotyczy nie tylko energii, ale także ładunku elektrycznego. W zamkniętym wszechświecie każdemu dodatniemu ładunkowi musi towarzyszyć ten sam ładunek ze znakiem minus, tak że całkowita suma wszystkich ładunków ponownie okazuje się równa zero. To samo można powiedzieć o innych wielkościach fizycznych podlegających ścisłym prawom zachowania.
Co z tego wynika? Jeśli zamknięty wszechświat powstaje z absolutnej pustki, wszystkie zachowane ilości są takie, jakie były i pozostają zerowe. Okazuje się, że podstawowe prawa ochronne w ogóle nie zabraniają takich narodzin. Teraz pamiętajmy, że może wystąpić każdy proces mechaniki kwantowej, który nie jest zabroniony przez te prawa, nawet z bardzo małym prawdopodobieństwem. Zatem narodziny zamkniętego wszechświata z niczego są w zasadzie możliwe. W ten sposób mechanika kwantowa różni się od mechaniki klasycznej, w której pustka sama w sobie nie może spowodować niczego.
Do początku czasu
Szanse na spontaniczne narodziny różnych wszechświatów według tego scenariusza można obliczyć: fizyka ma do tego aparat matematyczny. Intuicyjnie jest oczywiste, że zmniejszają się one wraz ze wzrostem wielkości Wszechświata, a równania to potwierdzają: Wszechświaty Liliputów z większym prawdopodobieństwem powstają niż większe wszechświaty. Jednocześnie rozmiar wszechświata jest powiązany z właściwościami fałszywej próżni, która go wypełnia: im wyższa gęstość jego energii, tym mniejszy wszechświat. Zatem maksymalne szanse na spontaniczne narodziny dają zamknięte mikrowszechświaty wypełnione wysokoenergetyczną próżnią.
Powiedzmy teraz, że prawdopodobieństwo zadziałało na korzyść tego scenariusza i zamknięty wszechświat narodził się z niczego. Fałszywa próżnia tworzy ujemną grawitację, która zmusza nowonarodzony wszechświat do rozszerzania się zamiast kurczenia. W rezultacie będzie ewoluować od początkowej chwili, która ustala jej spontaniczne narodziny. Zbliżając się do tego momentu z perspektywy przyszłości, nie wpadamy w nieskończoność. Ale pytanie, co wydarzyło się przed tą chwilą, nie ma sensu, ponieważ wtedy nie było czasu ani przestrzeni.
Musi mieć początek
Kilka lat temu wraz z dwoma współautorami udowodniłem twierdzenie bezpośrednio związane z naszym problemem. Z grubsza rzecz biorąc, twierdzi, że każdy wszechświat, który średnio się rozszerza, ma początek. Wyjaśnienie „przeciętnie” oznacza, że na niektórych etapach wszechświat może się kurczyć, ale w trakcie swojego istnienia nadal głównie się rozszerza. A konkluzja o istnieniu początku oznacza, że w tym wszechświecie są historie, których kontynuacja w przeszłości urywa się, a ich linie świata mają określone punkty wyjścia. Wręcz przeciwnie, żaden wszechświat, który istnieje wiecznie, nie może mieć takich linii świata, wszystkie jego historie nieustannie cofają się w przeszłość na nieskończoną głębokość. A ponieważ wszechświaty, które rodzą się w wyniku procesów inflacyjnych, spełniają warunki twierdzenia,muszą mieć początek.
Możesz także matematycznie symulować zamknięty wszechświat, który był w stanie statycznym przez nieskończenie długi czas, a następnie zaczął się rozszerzać. Jest jasne, że nasze twierdzenie nie ma do niego zastosowania, ponieważ uśredniona w czasie szybkość jego rozszerzania wynosi zero. Jednak taki wszechświat zawsze będzie miał szansę się zawalić: wymaga tego mechanika kwantowa. Prawdopodobieństwo zawalenia się może być bardzo małe, ale ponieważ wszechświat jest w stanie statycznym przez nieskończony czas, z pewnością tak się stanie, a taki wszechświat po prostu nie przetrwa ekspansji. Więc ponownie dochodzimy do wniosku, że rozszerzający się wszechświat musi mieć początek. Oczywiście dotyczy to również naszego własnego wszechświata.
Alexander Vilenkin, dyrektor Instytutu Kosmologii na Uniwersytecie Tufts, autor książki The World of Many Worlds. Fizycy w poszukiwaniu innych wszechświatów”.
Rozmawiali: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov