Cum și cum a început universul? Aproape toate religiile, credințele și cultele oferă răspunsuri la această întrebare, la fel de vechi ca lumea. Știința a luat-o în serios destul de recent - abia în secolul XX.
Cel mai simplu răspuns va fi cel mai scurt - totul a început cu Big Bang. Acest lucru este demonstrat de soluțiile tuturor modelelor rezonabile ale evoluției Universului, construite pe baza teoriei generale a relativității. Dacă le derulăm înapoi în timp, vom lovi inevitabil momentul în care densitatea și temperatura materiei devin infinite. De asemenea, trebuie să fie luată ca origine, punctul de timp zero. Este imposibil să continuăm soluțiile pentru zona timpurilor anterioare: matematica nu permite.
Singura cale de ieșire
Fizicienilor nu le-a plăcut niciodată această situație. De când au învățat să calculeze riguros modele mondiale, speranțele de a scăpa de infinități și de a căuta, ca să zic așa, în trecutul Big Bang-ului, nu au dispărut. Dar toate încercările de a găsi modele rezonabile ale „fără început”, cu alte cuvinte, Universul etern, s-au dovedit a fi nereușite. Această stare de lucruri a continuat după ce la începutul anilor '80 a dezvoltat modele de expansiune inflaționistă a Universului timpuriu, care s-au bazat nu numai pe relativitatea generală, ci și pe falsa ipoteză a vidului împrumutat din teoria cuantică a câmpurilor.
Inflația este o expansiune super-rapidă a Universului chiar la începutul existenței sale. Ea apare datorită faptului că vidul în acest moment este într-o stare cu o densitate energetică pozitivă foarte mare, depășind imensibil valoarea minimă a acestuia. Vacumul cu cea mai mică densitate de energie se numește adevărat, cu unul mai mare - fals. Orice vid pozitiv acționează ca anti-gravitație, adică face ca spațiul să se extindă. Un vid fals cu o densitate energetică extrem de ridicată este, de asemenea, extrem de instabil, se dezintegrează rapid, iar energia sa este cheltuită pentru formarea radiațiilor și a particulelor încălzite la temperaturi extrem de ridicate. Această descompunere în vid este ceea ce se numește Big Bang. Lasă în urmă spațiul obișnuit umplut cu materie gravitativă, care se extinde într-un ritm moderat.
Cu toate acestea, există un scenariu care depășește punctul mort al infinităților matematice. Conform acestui scenariu, Universul nu a apărut din nimic, mai precis dintr-o stare în care nu există nici timp, nici spațiu, nici materie în sensul clasic al acestor termeni. La prima vedere, această idee pare ridicolă - cum nimic nu poate da naștere la ceva? Sau, trecând de la metafore la fizică, cum poți ocoli legile fundamentale de conservare? Să spunem legea conservării energiei, care este considerată absolută. Energiile materiei și radiațiilor sunt întotdeauna pozitive, deci cum ar putea să apară dintr-o stare cu energie zero?
Video promotional:
Cu privire la beneficiile izolării
Din fericire, această dificultate este complet rezolvabilă - cu toate acestea, nu pentru universuri, ci doar pentru cele închise. Se poate dovedi că energia totală a oricărui univers închis este exact zero. Cum poate fi acest lucru, deoarece universul este plin de materie și radiație? Cu toate acestea, există și energia gravitației, despre care se știe că este negativă. Se dovedește că într-un univers închis, contribuția energetică pozitivă a particulelor și câmpurilor electromagnetice este compensată exact de egal în mărime și opusă în contribuția semnului câmpului gravitațional, astfel încât energia totală este întotdeauna zero. Această concluzie se aplică nu numai energiei, ci și încărcării electrice. Într-un univers închis, orice încărcare pozitivă este însoțită în mod necesar de aceeași taxă cu un semn minus, astfel încât suma totală a tuturor tarifelor se dovedește a fi zero. Același lucru se poate spune despre alte cantități fizice care se supun legilor stricte de conservare.
Ce rezultă din asta? Dacă un univers închis apare din golirea absolută, toate cantitățile conservate sunt așa cum au fost și rămân zero. Se dovedește că legile fundamentale de conservare nu interzic deloc o astfel de naștere. Reamintim acum că orice proces mecanic cuantic neinterzis de aceste legi poate avea loc, chiar și cu o probabilitate foarte mică. Deci nașterea unui univers închis din nimic este posibilă în principiu. Așa se deosebește mecanica cuantică de mecanica clasică, unde golirea în sine nu poate da naștere la nimic.
Până la începutul timpului
Șansele de naștere spontană a diferitelor universuri în funcție de acest scenariu pot fi calculate: fizica are un aparat matematic pentru acest lucru. Este intuitiv evident că acestea se încadrează pe măsură ce dimensiunea universului crește, iar ecuațiile confirmă acest lucru: universurile lipiputiene sunt mai susceptibile să apară decât universurile mai mari. În același timp, dimensiunea universului este asociată cu proprietățile vidului fals care îl umple: cu cât densitatea energiei sale este mai mare, cu atât universul este mai mic. Deci, șansele maxime de naștere spontană sunt date microuniverselor închise umplute cu un vid cu energie mare.
Acum să zicem că probabilitatea a funcționat în favoarea acestui scenariu și un univers închis s-a născut din nimic. Vacumul fals creează gravitație negativă, ceea ce obligă universul nou-născut să se extindă și nu să se contracte. Drept urmare, ea va evolua din momentul inițial care îi fixează nașterea spontană. Când abordăm acest moment din perspectiva viitorului, nu fugim în infinit. Dar întrebarea ce s-a întâmplat înainte de acest moment nu are sens, de atunci nu a existat nici timp, nici spațiu.
Trebuie să încep
Cu câțiva ani în urmă, împreună cu doi coautori, am demonstrat o teoremă care este direct legată de problema noastră. Aproape vorbind, ea susține că orice univers care se extinde în medie are un început. Clarificarea „în medie” are înțelesul că, în unele etape, universul se poate contracta, dar de-a lungul existenței sale se extinde în principal. Iar concluzia despre existența începutului înseamnă că acest univers are povești care, atunci când sunt continuate în trecut, se desprind, liniile lor mondiale au anumite puncte de plecare. Dimpotrivă, orice univers care există veșnic nu poate avea astfel de linii mondiale, toate poveștile sale se retrag continuu în trecut într-o profunzime infinită. Și întrucât universurile care se nasc ca urmare a proceselor inflaționiste satisfac condițiile teoremei,ei trebuie să aibă un început.
De asemenea, puteți simula matematic un univers închis care a fost într-o stare statică pentru o perioadă infinit de lungă de timp, și apoi a început să se extindă. Este clar că teorema noastră nu i se aplică, deoarece rata medie a expansiunii sale este zero. Cu toate acestea, un astfel de univers va avea întotdeauna o șansă de a se prăbuși: acest lucru este necesar de mecanica cuantică. Probabilitatea de prăbușire poate fi foarte mică, dar, deoarece universul este într-o stare statică pentru o perioadă infinită, cu siguranță se va întâmpla și un astfel de univers pur și simplu nu va trăi pentru a se extinde. Așadar, ajungem din nou la concluzia că universul în expansiune trebuie să aibă un început. Desigur, se aplică și universului nostru.
Alexander Vilenkin, director al Institutului de Cosmologie al Universității Tufts, autor al Lumii Multe Lumi. Fizicienii în căutarea altor universuri”.
Intervievat de: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
