Ako a ako vznikol vesmír? Takmer všetky náboženstvá, vyznania a kulty ponúkajú odpovede na túto otázku, starú ako svet. Ale veda to brala veľmi nedávno - iba v 20. storočí.
Najjednoduchšia odpoveď bude najkratšia - všetko začalo Veľkým treskom. Dôkazom toho sú riešenia všetkých primeraných modelov vývoja vesmíru postavených na základe všeobecnej teórie relativity. Ak ich posunieme späť v čase, nevyhnutne zasiahneme moment, keď sa hustota a teplota hmoty stanú nekonečnými. Musí sa tiež brať ako pôvod, nulový časový bod. Nie je možné pokračovať v riešení v minulosti: matematika to neumožňuje.
Jediný východ
Fyzikom sa táto situácia nikdy nepáčila. Odkedy sa naučili dôsledne počítať svetové modely, nádeje, ako sa zbaviť nekonečna a pozerať sa tak do minulosti Veľkého tresku, nezmizli. Ale všetky pokusy nájsť rozumné modely „beznádejných“, inými slovami večný vesmír, sa ukázali ako neúspešné. Tento stav pokračoval aj po začiatku 80. rokov 20. storočia, keď sa vyvinuli modely inflačnej expanzie raného vesmíru, ktoré boli založené nielen na všeobecnej relativite, ale aj na falošnej vákuovej hypotéze vypožičanej z teórie kvantového poľa.
Inflácia je veľmi rýchla expanzia vesmíru na samom začiatku jeho existencie. Vyplýva to zo skutočnosti, že vákuum je v tomto okamihu v stave s veľmi vysokou pozitívnou hustotou energie, nezmerateľne presahujúcou jeho minimálnu hodnotu. Vákuum s najnižšou hustotou energie sa nazýva pravda, s vyšším - falošné. Akékoľvek pozitívne vákuum pôsobí ako antigravitačné, to znamená, že rozširuje priestor. Falošné vákuum s extrémne vysokou hustotou energie je tiež veľmi nestabilné, rýchlo sa rozpadá a jeho energia sa vynakladá na tvorbu žiarenia a častice zohriate na extrémne vysoké teploty. Tento rozpad vákua sa nazýva Veľký tresk. Zanecháva za sebou obyčajný priestor naplnený gravitačnou hmotou, ktorá sa mierne rozširuje.
Existuje však jeden scenár, ktorý prekonáva slepé uličky matematických nekonečien. Podľa tohto scenára vesmír nevznikol z ničoho, presnejšie zo stavu, v ktorom nie je ani čas, ani priestor, ani hmota v klasickom zmysle týchto pojmov. Na prvý pohľad sa zdá, že táto myšlienka je smiešna - ako nič nemôže viesť k niečomu? Alebo ako sa môžete pohybovať od metafor k fyzike, ako sa obísť základné zákony o ochrane prírody? Povedzme, že zákon o úspore energie sa považuje za absolútny. Energie hmoty a žiarenia sú vždy pozitívne, tak ako by mohli vzniknúť zo stavu s nulovou energiou?
Propagačné video:
O výhodách izolácie
Našťastie je tento problém úplne riešiteľný - nie však pre žiadne vesmíry, ale iba pre uzavreté. Môže sa dokázať, že celková energia akéhokoľvek uzavretého vesmíru je presne nula. Ako to môže byť, pretože vesmír je naplnený hmotou a žiarením? Existuje však aj gravitačná energia, o ktorej je známe, že je negatívna. Ukazuje sa, že v uzavretom vesmíre je pozitívny energetický príspevok častíc a elektromagnetických polí presne kompenzovaný rovnakou veľkosťou a opačným znamienkovým prínosom gravitačného poľa, takže celková energia je vždy nula. Tento záver sa netýka iba energie, ale aj elektrického náboja. V uzavretom vesmíre je akýkoľvek pozitívny náboj nevyhnutne sprevádzaný rovnakým nábojom so znamienkom mínus, takže celková suma všetkých nábojov je opäť nula. To isté možno povedať o iných fyzikálnych veličinách, ktoré sa riadia prísnymi zákonmi o ochrane.
Čo z toho vyplýva? Ak uzavretý vesmír vznikne z absolútnej prázdnoty, všetky konzervované množstvá sú také, aké boli, a zostávajú nulové. Ukazuje sa, že základné zákony o ochrane prírody takéto narodenie vôbec nezakazujú. Teraz nezabúdajme, že sa môže vyskytnúť akýkoľvek kvantový mechanický proces, ktorý tieto zákony nezakazujú, a to aj s veľmi nízkou pravdepodobnosťou. Zrodenie uzavretého vesmíru z ničoho nie je teda v zásade možné. Takto sa kvantová mechanika líši od klasickej mechaniky, kde samotná prázdnota nemôže viesť k ničomu.
Na začiatok času
Šanca na spontánne zrodenie rôznych vesmírov podľa tohto scenára sa dá vypočítať: fyzika má na to matematický aparát. Je intuitívne zrejmé, že klesajú so zväčšujúcou sa veľkosťou vesmíru a rovnice to potvrdzujú: Lilliputiánske vesmíry pravdepodobne vzniknú ako väčšie vesmíry. V tomto prípade je veľkosť vesmíru spojená s vlastnosťami falošného vákua, ktoré ho napĺňa: čím vyššia je hustota jeho energie, tým menší je vesmír. Maximálna šanca na spontánne narodenie je teda daná uzavretým mikrosvetom naplneným vysokoenergetickým vákuom.
Teraz povedzme, že pravdepodobnosť pracovala v prospech tohto scenára a uzavretý vesmír sa zrodil z ničoho. Falošné vákuum vytvára negatívnu gravitáciu, ktorá núti novonarodený vesmír skôr rozširovať ako sťahovať. Výsledkom bude, že sa bude vyvíjať od počiatočného okamihu, ktorý vyrieši jej spontánne narodenie. Keď sa blížime k tomuto okamihu z perspektívy budúcnosti, neskĺzneme do nekonečna. Otázka toho, čo sa stalo pred týmto okamihom, však nedáva zmysel, pretože odvtedy nebol ani čas ani priestor.
Musí mať začiatok
Pred niekoľkými rokmi som spolu s dvoma spoluautormi preukázal vetu, ktorá priamo súvisí s naším problémom. Zhruba povedané, tvrdí, že každý vesmír, ktorý sa v priemere rozširuje, má začiatok. Objasnenie „v priemere“znamená, že v niektorých fázach sa vesmír môže zmenšiť, ale počas celej svojej existencie sa stále zväčšuje. A záver o existencii začiatku znamená, že tento vesmír má príbehy, ktoré, keď pokračujú v minulosti, vylomia sa, ich svetové línie majú určité východiskové body. Naopak, žiadny vesmír, ktorý existuje večne, nemôže mať také svetové línie, všetky jeho príbehy neustále ustupujú do minulosti do nekonečnej hĺbky. A keďže vesmíry, ktoré sa rodia v dôsledku inflačných procesov, spĺňajú podmienky vety,musia mať začiatok.
Môžete tiež matematicky simulovať uzavretý vesmír, ktorý bol nekonečne dlho v statickom stave a potom sa začal rozširovať. Je zrejmé, že sa na nás naša veta nevzťahuje, pretože časovo spriemerovaná miera jej expanzie je nulová. Takýto vesmír však bude mať vždy šancu sa zrútiť: to vyžaduje kvantová mechanika. Pravdepodobnosť kolapsu môže byť veľmi malá, ale pretože vesmír je v statickom stave po nekonečnú dobu, určite sa tak stane a taký vesmír jednoducho nebude prežiť, aby sa rozšíril. Znovu teda dospievame k záveru, že rozširujúci sa vesmír musí mať začiatok. Samozrejme to platí aj pre náš vlastný vesmír.
Alexander Vilenkin, riaditeľ Kozmologického ústavu na Tuftsovej univerzite, autor knihy World of Many Worlds. Fyzici pri hľadaní iných vesmírov “.
Rozhovory: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov