Hvordan og hvordan begyndte universet? Næsten alle religioner, trosbekendelser og kulter tilbyder svar på dette spørgsmål, så gammelt som verden. Men videnskaben har taget det alvorligt for nylig - først i det 20. århundrede.
Det enkleste svar vil være det korteste - det hele startede med Big Bang. Dette fremgår af løsningen af alle fornuftige modeller for universets udvikling, bygget på grundlag af den generelle relativitetsteori. Hvis vi ruller dem tilbage i tiden, vil vi uundgåeligt ramme det øjeblik, hvor materiens densitet og temperatur bliver uendelig. Det skal også tages som oprindelsen, nul-tidspunktet. Det er umuligt at fortsætte løsninger på området fra tidligere tider: matematik tillader det ikke.
Den eneste vej ud
Fysikere kunne aldrig lide denne situation. Lige siden de lærte at beregne grundigt verdensmodeller, er håbet om at slippe af med uendelighederne og så at sige ind i Big Bangs fortid ikke forsvundet. Men alle forsøg på at finde fornuftige modeller af det "begyndeløse", med andre ord, det evige univers, viste sig at være mislykket. Denne situation fortsatte efter, at de tidlige 1980'ere udviklede modeller for inflationsudvidelse af det tidlige univers, der ikke kun var baseret på generel relativitet, men også på den falske vakuumhypotese, der var lånt fra kvantefeltteorien.
Inflation er en supersnabb ekspansion af universet lige i begyndelsen af dets eksistens. Det opstår på grund af det faktum, at vakuumet i dette øjeblik er i en tilstand med en meget høj positiv energitæthed, som umådeligt overskrider dens minimumsværdi. Vakuumet med den laveste energitæthed kaldes sandt, med et højere - falsk. Ethvert positivt vakuum fungerer som tyngdekraft, det vil sige, det får plads til at udvide sig. Et falskt vakuum med en ekstrem høj energitetthed er også ekstremt ustabilt, det går hurtigt i stykker, og dets energi bruges på dannelse af stråling og partikler opvarmet til ekstremt høje temperaturer. Dette vakuumfald er det, der kaldes Big Bang. Det efterlader almindeligt rum fyldt med gravitationsstof, som udvides med en moderat hastighed.
Der er dog et scenario, der overvinder blindgyden af matematiske uendeligheder. I henhold til dette scenario opstod universet fra intet, mere præcist, fra en tilstand, hvor der hverken er tid eller plads eller stof i den klassiske forstand af disse udtryk. Ved første øjekast virker denne idé latterlig - hvordan kan intet give anledning til noget? Eller, ved at gå fra metaforer til fysik, hvordan kan du omgå de grundlæggende bevaringslove? Lad os sige loven om bevarelse af energi, der betragtes som absolut. Stoffer og strålingers energier er altid positive, så hvordan kunne de opstå fra en tilstand med nul energi?
Salgsfremmende video:
Om fordelene ved isolering
Heldigvis er denne vanskelighed helt opløselig - dog ikke for nogen universer, men kun for lukkede. Det kan bevises, at den samlede energi i ethvert lukket univers er nøjagtigt nul. Hvordan kan dette være, da universet er fyldt med stof og stråling? Der er dog også tyngdekraften, som vides at være negativ. Det viser sig, at i et lukket univers kompenseres det positive energibidrag fra partikler og elektromagnetiske felter nøjagtigt med det lige store i størrelse og modsat i tegnbidrag fra tyngdefeltet, så den samlede energi altid er nul. Denne konklusion gælder ikke kun for energi, men også for elektrisk ladning. I et lukket univers ledsages enhver positiv ladning nødvendigvis af den samme ladning med et minustegn, så den samlede sum af alle ladninger igen viser sig at være nul. Det samme kan siges om andre fysiske mængder, der overholder strenge bevaringslove.
Hvad følger deraf? Hvis et lukket univers opstår fra absolut tomhed, er alle konserverede mængder som de var og forbliver nul. Det viser sig, at de grundlæggende bevaringslover overhovedet ikke forbyder en sådan fødsel. Lad os nu huske, at enhver kvantemekanisk proces, der ikke er forbudt efter disse love, kan forekomme, selv med en meget lav sandsynlighed. Så fødslen af et lukket univers fra intet er i princippet muligt. Sådan adskiller kvantemekanikken sig fra klassisk mekanik, hvor tomhed i sig selv ikke kan give anledning til noget.
Til begyndelsen af tiden
Chancerne for spontan fødsel af forskellige universer i henhold til dette scenarie kan beregnes: fysik har et matematisk apparat til dette. Det er intuitivt indlysende, at de falder, når universets størrelse øges, og ligningerne bekræfter dette: Lilliputiske universer er mere tilbøjelige til at opstå end større universer. Samtidig er universets størrelse forbundet med egenskaberne ved det falske vakuum, der fylder det: jo højere densitet dens energi er, jo mindre er universet. Så de maksimale chancer for spontan fødsel gives til lukkede mikrounivers, der er fyldt med et vakuum med høj energi.
Lad os nu sige, at sandsynligheden fungerede til fordel for dette scenarie, og et lukket univers blev født ud af intet. Det falske vakuum skaber negativ tyngdekraft, der tvinger det nyfødte univers til at udvide sig snarere end at sammensætte sig. Som et resultat vil hun udvikle sig fra det første øjeblik, der fikserer hendes spontane fødsel. Når vi nærmer os dette øjeblik ud fra fremtidens perspektiv, løber vi ikke uendeligt. Men spørgsmålet om, hvad der skete før dette øjeblik, giver ikke mening, da der hverken var tid eller plads.
Skal have en start
For flere år siden beviste jeg sammen med to medforfattere en teorem, der er direkte relateret til vores problem. Groft sagt argumenterer hun for, at ethvert univers, der gennemsnitligt ekspanderer, har en begyndelse. Afklaring "i gennemsnit" har den betydning, at universet i nogle stadier kan sammentrække, men gennem hele sin eksistens udvides det stadig hovedsageligt. Og konklusionen om eksistensen af begyndelsen betyder, at dette univers har historier, der, når de fortsættes ind i fortiden, bryder af, deres verdenslinjer har visse udgangspunkt. Tværtimod, ethvert univers, der eksisterer for evigt, kan ikke have sådanne verdenslinjer, alle historier sænkes kontinuerligt ind i fortiden til en uendelig dybde. Og da universer, der er født som et resultat af inflationsprocesser, tilfredsstiller teoremets betingelser,de skal have en begyndelse.
Du kan også matematisk simulere et lukket univers, der var i en statisk tilstand i uendeligt lang tid og derefter begyndte at udvide. Det er klart, at vores teorem ikke finder anvendelse på det, fordi den tidsgennemsnitlige hastighed for dens ekspansion er nul. Imidlertid vil et sådant univers altid have en chance for at kollapse: Dette kræves af kvantemekanik. Sandsynligheden for sammenbrud kan være meget lille, men da universet er i en statisk tilstand i en uendelig tid, vil det helt sikkert ske, og et sådant univers vil simpelthen ikke overleve for at udvide. Så vi kommer igen til den konklusion, at det ekspanderende univers skal have en begyndelse. Naturligvis gælder det også for vores eget univers.
Alexander Vilenkin, direktør for Institute of Cosmology ved Tufts University, forfatter af The World of Many Worlds. Fysikere på jagt efter andre universer”.
Interviewet af: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov