Wahania próżni mogą powodować powstawanie wirtualnych protowszechświatów, które w określonych warunkach są w stanie przejść ze stanu wirtualnego do rzeczywistego.
Fizycy od lat próbują zbudować kwantową teorię grawitacji - na razie niestety bez powodzenia. Niemal wszyscy zgadzają się, że taka teoria powinna łączyć relatywistyczną teorię grawitacji Einsteina z mechaniką kwantową, a jest to bardzo, bardzo trudne zadanie.
Mechanika kwantowa, ze wszystkimi jej paradoksami, opisuje jednak właściwości obiektów, które istnieją w niekrzywionej przestrzeni Newtona. Przyszła teoria grawitacji powinna rozszerzyć probabilistyczne prawa mechaniki kwantowej na własności samej przestrzeni (a dokładniej czasoprzestrzeni), zdeformowanej zgodnie z równaniami ogólnej teorii względności. Jak to zrobić za pomocą rygorystycznych obliczeń matematycznych, tak naprawdę nikt jeszcze nie wie.
Zimne narodziny
Jednak drogi do takiego związku można przemyśleć na poziomie jakościowym i tutaj pojawiają się bardzo ciekawe perspektywy. Jeden z nich był rozważany przez słynnego kosmologa, profesora na Uniwersytecie Arizony Lawrence Krauss w swojej niedawno wydanej książce „A Universe From Nothing” („Wszechświat z niczego”). Jego hipoteza wygląda fantastycznie, ale w żaden sposób nie jest sprzeczna z ustalonymi prawami fizyki.
Uważa się, że nasz Wszechświat powstał z bardzo gorącego stanu początkowego o temperaturze rzędu 1032 kelwinów. Można jednak wyobrazić sobie zimne narodziny wszechświatów z czystej próżni - a dokładniej z jej fluktuacji kwantowych. Powszechnie wiadomo, że takie fluktuacje generują wielką różnorodność wirtualnych cząstek, które dosłownie wyłoniły się z niczego, a następnie zniknęły bez śladu. Według Kraussa fluktuacje próżni mogą w zasadzie dać początek równie efemerycznym protowszechświatom, które w pewnych warunkach przechodzą ze stanu wirtualnego do rzeczywistego.
Film promocyjny:
Wszechświat bez energii
Co jest do tego potrzebne? Pierwszym i głównym warunkiem jest to, że embrion przyszłego wszechświata musi mieć zerową całkowitą energię. W tym przypadku nie tylko nie jest skazane na prawie natychmiastowe zniknięcie, ale wręcz przeciwnie, może istnieć przez dowolnie długi czas. Wynika to z faktu, że zgodnie z mechaniką kwantową, iloczyn niepewności energetycznej obiektu przez niepewność w czasie jego życia nie powinien być mniejszy niż wartość końcowa - stała Plancka.
Rozdzielenie podstawowych interakcji w naszym wczesnym Wszechświecie miało charakter przejścia fazowego. W bardzo wysokich temperaturach łączono podstawowe oddziaływania, ale po ochłodzeniu poniżej temperatury krytycznej separacja nie nastąpiła (można to porównać do przechłodzenia wody). W tym momencie energia pola skalarnego związana z unifikacją przekroczyła temperaturę Wszechświata, co nadało pole podciśnienie i spowodowało kosmologiczną inflację. Wszechświat zaczął się bardzo gwałtownie rozszerzać, aw momencie zerwania symetrii (w temperaturze około 1028 K) jego wymiary wzrosły 1050 razy. W tym momencie zniknęło również pole skalarne związane z unifikacją oddziaływań, a jego energia została przekształcona w dalszą ekspansję Wszechświata.
Gdy energia obiektu jest ściśle równa zeru, jest on znany bez żadnych wątpliwości, a zatem czas jego życia może być nieskończenie długi. Jest to spowodowane tym efektem, że dwa naładowane ciała znajdujące się w bardzo dużych odległościach są przyciągane lub odpychane od siebie. Oddziałują one poprzez wymianę wirtualnych fotonów, które ze względu na swoją zerową masę rozprzestrzeniają się na dowolną odległość. Wręcz przeciwnie, bozony wektorów cechowania przenoszące oddziaływania słabe, ze względu na dużą masę, istnieją tylko przez około 10–25 sekund, w wyniku czego oddziaływania te mają bardzo mały promień.
Jaki wszechświat, choć embrionalny, z zerową energią? Jak wyjaśnił profesor Krauss w Popular Mechanics, nie ma w tym nic mistycznego: „Energia takiego wszechświata składa się z dodatniej energii cząstek i promieniowania (a być może także skalarnych pól próżni) oraz ujemnej potencjalnej energii grawitacji. Ich suma może być równa zero - pozwala na to matematyka. Jednak bardzo ważne jest, aby taki bilans energetyczny był możliwy tylko w zamkniętych światach, których przestrzeń ma dodatnią krzywiznę. Płaskie i jeszcze bardziej otwarte wszechświaty nie mają takiej właściwości”.
Przejście fazowe nastąpiło w ewolucji Wszechświata trzykrotnie: w temperaturze od 10 do 28 stopni K (rozpad Wielkiego Zjednoczenia oddziaływań), 10 do 15 stopni K (rozpad oddziaływania elektrosłabego) i 10 do 12 stopni K (kwarki zaczęły się łączyć w hadrony).
Cuda inflacji
Co się stanie, jeśli kwantowe fluktuacje próżni doprowadzą do powstania wirtualnego wszechświata o zerowej energii, który dzięki szansom kwantowym otrzyma trochę czasu na życie i ewolucję? To zależy od jego składu. Jeśli przestrzeń Wszechświata jest wypełniona materią i promieniowaniem, najpierw rozszerzy się, osiągnie maksymalny rozmiar i zapadnie się w kolapsie grawitacyjnym, gdyż istniał zaledwie ułamek sekundy. Inna sprawa, czy w kosmosie istnieją pola skalarne, które mogą wywołać proces inflacyjnej ekspansji. Istnieją scenariusze, w których ta ekspansja nie tylko zapobiega grawitacyjnemu zapadaniu się „bąbelkowego” wszechświata, ale także zamienia go w prawie płaski i nieograniczony świat. W ten sposób czas jej życia również wydłuża się niezmiernie - prawie w nieskończoność. A zatem,mały wirtualny wszechświat staje się całkiem realny - ogromny i długowieczny. Nawet jeśli jego wiek jest skończony, może znacznie przekroczyć obecny wiek naszego wszechświata. Dlatego gwiazdy i gromady gwiazd, planety, a nawet, co do diabła nie żartuje, może tam pojawić się inteligentne życie. Pełnoprawny wszechświat, który powstał dosłownie z niczego - to cuda, do których zdolna jest inflacja!
Alexey Levin