Kaip ir kaip prasidėjo Visata? Beveik visos religijos, įsitikinimai ir kultai siūlo atsakymus į šį klausimą, koks senas yra pasaulis. Tačiau mokslas į tai rimtai žiūrėjo gana neseniai - tik XX a.
Paprasčiausias atsakymas bus trumpiausias - viskas prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo. Tai liudija visų pagrįstų Visatos evoliucijos modelių sprendimai, sukurti remiantis bendrąja reliatyvumo teorija. Jei mes juos slinksime atgal laiku, neišvengiamai ištiksime momentą, kai materijos tankis ir temperatūra taps begaliniai. Tai taip pat turi būti laikoma kilme, nuliniu laiko momentu. Neįmanoma tęsti sprendimų ankstesnių kartų srityje: matematika neleidžia.
- „Salik.biz“
Vienintelė išeitis
Fizikams tokia situacija niekada nepatiko. Nuo tada, kai jie išmoko griežtai apskaičiuoti pasaulio modelius, viltys atsikratyti begalybės ir pažvelgti, taip sakant, į Didžiojo sprogimo praeitį neišnyko. Bet visi bandymai surasti pagrįstus „pradžios“, kitaip tariant, amžinosios Visatos, modelius pasirodė nesėkmingi. Tokia padėtis tęsėsi po to, kai devintojo dešimtmečio pradžioje buvo sukurti ankstyvosios Visatos infliacinio išsiplėtimo modeliai, kurie buvo pagrįsti ne tik bendruoju reliatyvumu, bet ir klaidinga vakuumo hipoteze, pasiskolinta iš kvantinio lauko teorijos.
Infliacija yra ypač greitas Visatos išsiplėtimas pačioje jos egzistavimo pradžioje. Tai atsiranda dėl to, kad šiuo metu vakuume yra labai didelis teigiamos energijos tankis, neišmatuojamai viršijantis jo minimalią vertę. Vakuumas, turintis mažiausią energijos tankį, vadinamas tikru, o didesnis - klaidingu. Bet koks teigiamas vakuumas veikia kaip antigravitacija, tai yra, jis priverčia erdvę plėstis. Netikras vakuumas su ypač dideliu energijos tankiu taip pat yra labai nestabilus, jis greitai suyra, o jo energija sunaudojama susidarant radiacijai ir dalelėms, įkaitinamoms iki ypač aukštų temperatūrų. Šis vakuuminis skilimas yra vadinamasis Didysis sprogimas. Tai palieka įprastą erdvę, užpildytą gravitacinėmis medžiagomis, kuri plečiasi saikingai.
Tačiau yra vienas scenarijus, įveikiantis matematinių begalybių aklavietę. Pagal šį scenarijų Visata atsirado iš nieko, tiksliau, iš valstybės, kur nėra nei laiko, nei erdvės, nei materijos klasikine šių terminų prasme. Iš pirmo žvilgsnio ši mintis atrodo juokinga - kaip niekas negali kažko sukelti? Arba kaip pereiti nuo metaforų prie fizikos, kaip apeiti pagrindinius gamtosaugos įstatymus? Tarkime, kad energijos išsaugojimo įstatymas laikomas absoliučiu. Medžiagos ir radiacijos energija visada yra teigiama, tad kaip jos galėtų atsirasti iš būsenos, kurios energija yra nulinė?
Reklaminis vaizdo įrašas:
Dėl izoliacijos pranašumų
Laimei, šis sunkumas yra visiškai išsprendžiamas, tačiau ne visoms, o tik uždaroms visatoms. Galima įrodyti, kad bet kurios uždaros visatos bendra energija yra lygiai lygi nuliui. Kaip tai gali būti, nes visata alsuoja materija ir radiacija? Tačiau yra ir gravitacijos energija, kuri, kaip žinoma, yra neigiama. Pasirodo, kad uždaroje visatoje dalelių ir elektromagnetinių laukų teigiamas energijos įnašas yra tiksliai kompensuojamas gravitacinio lauko signalo indėlio dydžiu lygiomis ir priešingomis, kad visa energija visada būtų lygi nuliui. Ši išvada taikoma ne tik energijai, bet ir elektros krūviui. Uždaroje visatoje bet koks teigiamas krūvis būtinai lydimas to paties krūvio su minuso ženklu, todėl bendra visų krūvių suma vėl tampa lygi nuliui. Tą patį galima pasakyti apie kitus fizinius kiekius, laikantis griežtų gamtosaugos įstatymų.
Kas iš to seka? Jei uždaroji visata atsiranda dėl absoliučios tuštumos, visi konservuoti kiekiai yra tokie, kokie buvo ir liko nuliniai. Pasirodo, pagrindiniai gamtosaugos įstatymai tokio gimimo išvis nedraudžia. Dabar prisiminkime, kad gali vykti bet koks kvantinis mechaninis procesas, kurio šie įstatymai nedraudžia, net su labai maža tikimybe. Taigi uždaros visatos gimimas iš nieko yra iš principo įmanomas. Štai kuo kvantinė mechanika skiriasi nuo klasikinės mechanikos, kai pati tuštuma nieko negali sukelti.
Iki laiko pradžios
Galima apskaičiuoti spontaniškų skirtingų visatų gimimo tikimybes pagal šį scenarijų: fizika tam turi matematinį aparatą. Intuityviai akivaizdu, kad jie krenta didėjant visatos dydžiui, ir lygtys tai patvirtina: Lilliputijos visatos atsiranda labiau nei didesnės visatos. Tuo pačiu metu visatos dydis yra susijęs su klaidingo vakuumo, kuris jį užpildo, savybėmis: kuo didesnis jos energijos tankis, tuo mažesnė visata. Taigi maksimali savaiminio gimimo tikimybė yra uždaroms mikrovisatoms, užpildytoms didelės energijos vakuumu.
Dabar sakykime, kad tikimybė pasitarnavo šiam scenarijui, o uždaroji visata gimė iš nieko. Netikras vakuumas sukuria neigiamą gravitaciją, kuri verčia naujagimio visatą plėstis, o ne trauktis. Dėl to ji vystysis nuo pradinio momento, kuris nustato jos spontanišką gimdymą. Žvelgdami į šią akimirką iš ateities perspektyvos, mes nepatekame į begalybę. Tačiau klausimas, kas įvyko iki šios akimirkos, neturi prasmės, nes tada nebuvo nei laiko, nei erdvės.
Turi pradėti
Prieš keletą metų aš kartu su dviem bendraautoriais įrodėme teoremą, tiesiogiai susijusią su mūsų problema. Grubiai tariant, ji teigia, kad bet kuri visata, kuri vidutiniškai plečiasi, turi pradžią. Paaiškinimas „vidutiniškai“reiškia, kad tam tikrais etapais visata gali susitraukti, tačiau per visą egzistavimo laiką ji vis dar daugiausia plečiasi. Ir išvada apie pradžios egzistavimą reiškia, kad ši visata turi istorijų, kurios, tęsiantis į praeitį, nutrūksta, jų pasaulinės linijos turi tam tikrus atskaitos taškus. Priešingai, jokia amžinai egzistuojanti visata negali turėti tokių pasaulio linijų, visos jos istorijos nuolatos nugrimzta į praeitį į begalinį gylį. Ir kadangi visatos, kurios gimsta dėl infliacijos procesų, teoremos sąlygas tenkina,jie turi turėti pradžią.
Taip pat galite matematiškai imituoti uždarą visatą, kuri be galo ilgą laiką buvo statinėje būsenoje, o tada pradėjo plėstis. Akivaizdu, kad mūsų teorema jai netaikoma, nes jos išplėtimo laikas per vidurkį yra lygus nuliui. Tačiau tokia visata visada turės galimybę žlugti: to reikalauja kvantinė mechanika. Žlugimo tikimybė gali būti labai maža, tačiau kadangi visata begalinį laiką yra statiškoje būsenoje, tai tikrai įvyks, ir tokia visata tiesiog negyvu, kad galėtų plėstis. Taigi mes vėl priimame išvadą, kad besiplečianti visata turi turėti pradžią. Natūralu, kad tai taikoma ir mūsų pačių visatai.
Aleksandras Vilenkinas, Tufto universiteto Kosmologijos instituto direktorius, daugelio pasaulių pasaulio autorius. Fizikai, ieškantys kitų visatų “.
Kalbėjosi: Aleksejus Levinas, Olegas Makarovas, Dmitrijus Mamontovas