Kuinka ja miten maailmankaikkeus alkoi? Lähes kaikki uskonnot, uskonnot ja kultit tarjoavat vastauksia tähän kysymykseen, niin vanha kuin maailma. Mutta tiede on ottanut sen vakavasti melko hiljattain - vasta 1900-luvulla.
Yksinkertaisin vastaus on lyhin - kaikki alkoi isosta räjähdyksestä. Tämä käy ilmi kaikkien yleisten suhteellisuusteorian pohjalta rakennettujen maailmankaikkeuden kohtuullisten mallien ratkaisuista. Jos vieritämme niitä ajassa taaksepäin, törmäämme väistämättä siihen hetkeen, jolloin aineen tiheydestä ja lämpötilasta tulee ääretön. Sitä on pidettävä myös lähtökohtana, nolla-ajankohtana. On mahdotonta jatkaa ratkaisuja aikaisempien aikojen alueelle: matematiikka ei salli.
Ainoa ulospääsy
Fyysikot eivät koskaan pitäneet tästä tilanteesta. Siitä lähtien kun he ovat oppineet laskemaan tiukasti maailmanmalleja, toiveet päästä eroon äärettömyydestä ja katsoa niin sanotusti Ison räjähdyksen menneisyyteen eivät ole kadonneet. Mutta kaikki yritykset löytää järkeviä malleja "alustamattomasta", toisin sanoen iankaikkisesta maailmankaikkeudesta, osoittautuivat epäonnistuneiksi. Tämä tilanne jatkui sen jälkeen, kun 1980-luvun alkupuolella kehitettiin varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiolaajenemisen malleja, jotka perustuivat paitsi yleiseen suhteellisuuteen, myös kvanttikenttäteoriasta lainattuun väärään tyhjöhypoteesiin.
Inflaatio on maailmankaikkeuden erittäin nopea laajeneminen olemassaolonsa alussa. Se johtuu siitä, että tyhjiö on tällä hetkellä tilassa, jonka positiivinen energian tiheys on erittäin korkea ja ylittää mittaamattomasti sen minimiarvon. Alipainetta, jolla on alhaisin energiatiheys, kutsutaan totta, suurempaa - vääräksi. Mikä tahansa positiivinen tyhjiö toimii antigravitaationa, ts. Se saa tilan laajenemaan. Väärä tyhjiö, jolla on erittäin korkea energiatiheys, on myös erittäin epävakaa, se hajoaa nopeasti, ja sen energia kuluu säteilyn ja hiukkasten muodostumiseen, jotka kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin. Tätä tyhjiön rappeutumista kutsutaan nimellä Big Bang. Se jättää taaksepäin normaalin tilan, joka on täynnä painovoima-ainetta ja joka laajenee maltillisella nopeudella.
On kuitenkin yksi skenaario, joka voittaa matemaattisten äärettömyyden umpikujan. Tämän skenaarion mukaan maailmankaikkeus syntyi mistään, tarkemmin sanottuna tilasta, jossa ei ole aikaa, tilaa eikä materiaalia näiden termien klassisessa merkityksessä. Ensi silmäyksellä tämä ajatus vaikuttaa naurettavalta - kuinka mikään ei voi antaa jotain syytä? Tai siirtymällä metafoorista fysiikkaan, kuinka pääset kiertämään luonnonsuojelulakeja? Oletetaan, että energiansäästölaki, jota pidetään ehdottomana. Aineen ja säteilyn energiat ovat aina positiivisia, joten miten ne voisivat syntyä tilassa, jossa ei ole energiaa?
Mainosvideo:
Eristyksen eduista
Onneksi tämä vaikeus on täysin ratkaistavissa - ei kuitenkaan millekään universumille, mutta vain suljetuille. Voidaan todistaa, että minkä tahansa suljetun maailmankaikkeuden kokonaisenergia on tarkalleen nolla. Kuinka tämä voi olla, koska maailmankaikkeus on täynnä ainetta ja säteilyä? On kuitenkin myös painovoiman energiaa, jonka tiedetään olevan negatiivinen. Osoittautuu, että suljetussa universumissa hiukkasten ja sähkömagneettisten kenttien positiivinen energiapanos kompensoidaan tarkalleen gravitaatiokentän samansuuruisella ja vastakkaisella merkillä, joten kokonaisenergia on aina nolla. Tämä johtopäätös ei koske vain energiaa, vaan myös sähkövarausta. Suljetussa universumissa mihin tahansa positiiviseen varaukseen liittyy välttämättä sama varaus miinusmerkillä, joten kaikkien varausten kokonaissumma osoittautuu jälleen nollaksi. Sama voidaan sanoa muista fyysisistä määristä, jotka noudattavat tiukkoja säilyttämislakeja.
Mitä tästä seuraa? Jos suljettu maailmankaikkeus syntyy absoluuttisesta tyhjyydestä, kaikki konservoituneet määrät ovat sellaisina kuin ne olivat ja pysyvät nollana. Osoittautuu, että perussäädökset, jotka koskevat suojelua, eivät kiellä tällaista syntymää. Muistakaamme nyt, että voi tapahtua mitä tahansa kvanttimekaanista prosessia, jota nämä lait eivät kiellä, jopa erittäin pienellä todennäköisyydellä. Joten suljetun universumin syntyminen tyhjästä on periaatteessa mahdollista. Näin kvanttimekaniikka eroaa klassisesta mekaniikasta, jossa tyhjyys itsessään ei voi johtaa mihinkään.
Ajan alkuun
Eri maailmankaikkeuksien spontaanin syntymisen mahdollisuudet tämän skenaarion mukaan voidaan laskea: fysiikalla on tätä varten matemaattinen laite. On intuitiivisesti ilmeistä, että ne putoavat maailmankaikkeuden koon kasvaessa, ja yhtälöt vahvistavat tämän: Lilliputian universumit syntyvät todennäköisemmin kuin suuremmat universumit. Samaan aikaan maailmankaikkeuden kokoon liittyy sitä täyttävän väärän tyhjiön ominaisuudet: mitä suurempi on sen energian tiheys, sitä pienempi maailmankaikkeus on. Joten maksimaaliset mahdollisuudet spontaaniin syntymään annetaan suljetuille mikrouniversumille, jotka on täytetty korkeaenergisella tyhjöllä.
Sanotaan nyt, että todennäköisyys toimi tämän skenaarion hyväksi ja suljettu maailmankaikkeus syntyi tyhjästä. Väärä tyhjiö luo negatiivisen painovoiman, joka pakottaa vastasyntyneen maailmankaikkeuden laajenemisen eikä supistumisen. Seurauksena on, että hän kehittyy alkuperäisestä hetkestä lähtien, joka korjaa hänen spontaanin syntymän. Kun lähestymme tätä hetkeä tulevaisuuden näkökulmasta, emme törmää äärettömyyteen. Kysymyksellä siitä, mitä tapahtui ennen tätä hetkeä, ei ole järkeä, koska siitä lähtien ei ollut aikaa eikä tilaa.
Täytyy olla alku
Useita vuosia sitten todistin yhdessä kahden kirjoittajan kanssa lauseen, joka liittyy suoraan ongelmaamme. Karkeasti ottaen hän väittää, että jokaisella keskimäärin laajentuneella maailmankaikkeudella on alku. Selventämisellä "keskimäärin" on tarkoitus, että maailmankaikkeus voi joissain vaiheissa supistua, mutta koko olemassaolon ajan se laajenee edelleen pääosin. Ja päätelmä alun olemassaolosta tarkoittaa, että tällä maailmankaikkeudella on tarinoita, jotka jatkaessaan menneisyyteen hajoavat, heidän maailmanlinjoillaan on tietyt lähtökohdat. Päinvastoin, missään ikuisesti olemassa olevassa maailmankaikkeudessa ei voi olla sellaisia maailmanlinjoja, kaikki sen tarinat jatkuvat jatkuvasti menneisyyteen loputtomaan syvyyteen. Ja koska inflaatioprosessien seurauksena syntyneet universumit täyttävät lauseen ehdot,heillä on oltava alku.
Voit myös simuloida suljettua maailmankaikkeutta, joka oli staattisessa tilassa äärettömän kauan ja alkoi sitten laajentua. On selvää, että lauseemme ei koske sitä, koska sen laajenemisen aikakeskiarvo on nolla. Tällaisella maailmankaikkeudella on kuitenkin aina mahdollisuus romahtaa: kvanttimekaniikka vaatii tätä. Romaantumisen todennäköisyys voi olla hyvin pieni, mutta koska maailmankaikkeus on staattisessa tilassa äärettömän ajan, niin se varmasti tapahtuu, eikä tällainen maailmankaikkeus yksinkertaisesti selviä hengissä laajentuakseen. Joten tulemme jälleen siihen johtopäätökseen, että laajentuneella maailmankaikkeudella on oltava alku. Luonnollisesti se koskee myös omaa maailmankaikkeuttamme.
Alexander Vilenkin, Tuftsin yliopiston kosmologiainstituutin johtaja, kirjan The World of many maailmat kirjoittaja. Fyysikot etsivät muita maailmankaikkeuksia”.
Haastattelussa: Aleksei Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov