Kako in kako se je začelo vesolje? Skoraj vse religije, veroizpovedi in kulti ponujajo odgovore na to vprašanje, enako star kot svet. Toda znanost je to jemala resno pred kratkim - šele v 20. stoletju.
Najpreprostejši odgovor bo najkrajši - vse se je začelo z velikim praskom. To dokazujejo rešitve vseh razumnih modelov evolucije vesolja, zgrajene na podlagi splošne teorije relativnosti. Če jih pomaknemo nazaj v čas, bomo neizogibno zadeli trenutek, ko gostota in temperatura snovi postaneta neskončna. Vzpostaviti ga je treba tudi kot izvor, ničelno časovno točko. Nemogoče je nadaljevati z rešitvami na področju prejšnjih časov: matematika ne omogoča.
Edini izhod
Fiziki nikoli niso marali te situacije. Odkar so se naučili strogo izračunati svetovne modele, upanje, da se znebite neskončnosti in se tako rekoč zazremo v preteklost Velikega poka, niso izginili. Toda vsi poskusi, da bi našli razumne modele "začetnega", z drugimi besedami, večnega Vesolja, so se izkazali za neuspešne. Takšno stanje se je obdržalo tudi potem, ko so se v začetku osemdesetih razvili modeli inflacijske ekspanzije zgodnjega Vesolja, ki niso temeljili le na splošni relativnosti, temveč tudi na lažni vakuumski hipotezi, izposojeni iz kvantne teorije polja.
Inflacija je zelo hitra širitev Vesolja na samem začetku njegovega obstoja. Nastane zaradi dejstva, da je vakuum v tem trenutku v zelo visoki gostoti pozitivne energije, neizmerno presega svojo minimalno vrednost. Vakuum z najnižjo energijsko gostoto se imenuje resničen, z višjo - napačno. Vsak pozitiven vakuum deluje kot protigravitacija, to pomeni, da se prostor širi. Lažni vakuum z izjemno visoko energijsko gostoto je tudi izjemno nestabilen, se hitro razgradi, njegova energija pa se porabi za nastajanje sevanja in delcev, segretih na izjemno visoke temperature. Razpad vakuuma je tisto, kar se imenuje Veliki prasak. Za seboj pušča navadni prostor, napolnjen z gravitacijsko snovjo, ki se širi z zmerno hitrostjo.
Vendar obstaja en scenarij, ki premaga slepo ulico matematičnih neskončnosti. Po tem scenariju je Vesolje nastalo iz nič, natančneje, iz stanja, kjer v klasičnem pomenu teh izrazov ni ne časa, ne prostora, ne materije. Ta ideja se na prvi pogled zdi smešna - kako nič ne more prinesti nečesa? Ali, kako preiti od metafor do fizike, kako lahko premagate temeljne zakone ohranjanja? Recimo zakon ohranjanja energije, ki velja za absolutnega. Energije materije in sevanja so vedno pozitivne, kako bi lahko nastale iz stanja z ničelno energijo?
Promocijski video:
O prednostih izolacije
Na srečo je ta težava povsem rešljiva - vendar ne za nobena vesolja, ampak samo za zaprta. Dokazano je, da je skupna energija katerega koli zaprtega vesolja točno nič. Kako je to lahko, saj je vesolje napolnjeno s snovjo in sevanjem? Vendar obstaja tudi energija gravitacije, za katero je znano, da je negativna. Izkaže se, da v zaprtem vesolju prispevek pozitivne energije delcev in elektromagnetnih polj natančno kompenziramo z enakim obsegom in nasprotno v znakovnem prispevku gravitacijskega polja, tako da je skupna energija vedno enaka nič. Ta sklep ne velja samo za energijo, ampak tudi za električni naboj. V zaprtem vesolju vse pozitivne naboje nujno spremlja isti naboj z znakom minus, tako da se skupna vsota vseh nabojev spet izkaže za nič. Enako lahko rečemo za druge fizične količine, ki upoštevajo stroge zakone ohranjanja.
Kaj iz tega sledi? Če iz absolutne praznine nastane zaprto vesolje, so vse ohranjene količine take, kot so bile in ostanejo nič. Izkazalo se je, da temeljni zakoni o ohranjanju takšnega rojstva sploh ne prepovedujejo. Zdaj se spomnimo, da se lahko zgodi vsak kvantni mehanski postopek, ki ga ti zakoni ne prepovedujejo, čeprav z zelo majhno verjetnostjo. Torej rojstvo zaprtega vesolja iz nič načeloma ni mogoče. Tako se kvantna mehanika razlikuje od klasične mehanike, kjer praznina sama po sebi ne more ustvariti ničesar.
Do začetka časa
Možnosti za spontano rojstvo različnih vesoljev po tem scenariju je mogoče izračunati: fizika ima za to matematični aparat. Intuitivno je očitno, da padajo, ko se povečuje velikost vesolja, in enačbe to potrjujejo: bolj verjetno se bodo pojavile liliputske vesolje kot večje vesolje. Hkrati je velikost vesolja povezana z lastnostmi lažnega vakuuma, ki ga zapolnjuje: večja kot je gostota njegove energije, manjše je vesolje. Torej, največje možnosti za spontani porod se dajo v zaprtih mikro-vesoljih, napolnjenih z visokoenergijskim vakuumom.
Recimo, da je verjetnost delovala v prid temu scenariju in da se je zaprto vesolje rodilo iz nič. Lažni vakuum ustvarja negativno težo, zaradi česar se vesolje novorojenčka širi in ne krči. Posledično se bo razvijala od začetnega trenutka, ki bo popravil njen spontani porod. Ko se približamo temu trenutku z vidika prihodnosti, ne trčimo v neskončnost. Toda vprašanje, kaj se je zgodilo pred tem trenutkom, nima smisla, saj od takrat ni bilo ne časa ne prostora.
Morate začeti
Pred nekaj leti sem skupaj z dvema soavtorjema dokazal izrek, ki je neposredno povezan z našim problemom. Grobo rečeno, trdi, da ima vsako vesolje, ki se v povprečju širi, začetek. Pojasnitev "v povprečju" pomeni, da se vesolje na nekaterih stopnjah lahko krči, vendar se ves čas svojega obstoja še vedno širi. In zaključek o obstoju začetka pomeni, da ima to vesolje zgodbe, ki se, ko se nadaljujejo v preteklost, odcepijo, imajo njihove svetovne črte določena izhodišča. Nasprotno, nobeno vesolje, ki obstaja večno, ne more imeti takšnih svetovnih linij, vse njegove zgodbe se nenehno segajo v preteklost v neskončno globino. In ker vesolja, ki se rodijo kot posledica inflacijskih procesov, izpolnjujejo pogoje izrekanja,imeti morajo začetek.
Lahko tudi matematično simulirate zaprto vesolje, ki je bilo neskončno dolgo v statičnem stanju, nato pa se je začelo širiti. Jasno je, da naš izrek zanjo ne velja, ker je časovna povprečna hitrost njegovega širjenja enaka nič. Vendar pa se bo takšno vesolje vedno lahko sesulo: to zahteva kvantna mehanika. Verjetnost propada je lahko zelo majhna, a ker je vesolje v neskončnem stanju v neskončnem stanju, se bo to zagotovo zgodilo in takšno vesolje preprosto ne bo preživelo, da bi se razširilo. Tako spet pridemo do zaključka, da se mora širiti vesolje začeti. Seveda velja tudi za naše vesolje.
Alexander Vilenkin, direktor Inštituta za kozmologijo na Univerzi Tufts, avtor knjige The World of Many Worlds. Fiziki v iskanju drugih vesoljev «.
Intervjuvali: Aleksej Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov