Hur och hur började universum? Nästan alla religioner, trosbekännelser och kulter erbjuder svar på denna fråga, lika gammal som världen. Men vetenskapen har tagit det på allvar ganska nyligen - först på 1900-talet.
Det enklaste svaret kommer att vara det kortaste - allt började med Big Bang. Detta bevisas av lösningarna på alla rimliga modeller för universums utveckling, byggda på grundval av den allmänna relativitetsteorin. Om vi bläddrar tillbaka dem i tid, kommer vi oundvikligen att träffa det ögonblick då materialets densitet och temperatur blir oändlig. Det måste också tas som ursprung, nolltidspunkt. Det är omöjligt att fortsätta lösningar på området tidigare tider: matematik tillåter inte.
Den enda vägen ut
Fysiker gillade aldrig denna situation. Ända sedan de lärde sig att beräkna rigoröst världsmodeller har förhoppningarna att bli av med oändlighet och så att säga in i Big Bangs förflutna inte försvunnit. Men alla försök att hitta rimliga modeller av det "början", med andra ord, det eviga universum, visade sig vara framgångsrika. Detta tillstånd fortsatte även efter att modellerna för inflationsutvidgning av det tidiga universum utvecklades i början av 1980-talet, som baserades inte bara på allmän relativitet, utan också på den falska vakuumhypotesen lånad från kvantfältteorin.
Inflation är en supersnabb expansion av universum i början av dess existens. Det uppstår på grund av det faktum att vakuumet i detta ögonblick befinner sig i ett tillstånd med en mycket hög positiv energitäthet, vilket oöverträffligt överskrider dess minimivärde. Vakuumet med den lägsta energitätheten kallas sant, med ett högre - falskt. Alla positiva vakuum fungerar som anti-gravitation, det vill säga det får utrymmet att expandera. Ett falskt vakuum med en extremt hög energitäthet är också extremt instabilt, det sönderdelas snabbt och dess energi spenderas på bildning av strålning och partiklar uppvärmda till extremt höga temperaturer. Detta vakuumförfall är vad som kallas Big Bang. Det efterlämnar vanligt utrymme fylld med tyngdämne, som expanderar i måttlig takt.
Det finns emellertid ett scenario som övervinner den slutgiltiga matematiska oändligheten. Enligt detta scenario uppstod universum från ingenting, mer exakt, från ett tillstånd där varken finns tid eller rum eller materia i klassisk mening av dessa termer. Vid första anblicken verkar denna idé löjlig - hur kan ingenting ge upphov till något? Eller flytta från metaforer till fysik, hur kan du komma runt de grundläggande bevarande lagarna? Låt oss säga lagen om bevarande av energi, som anses vara absolut. Materiens och strålningens energier är alltid positiva, så hur kan de uppstå från ett tillstånd med noll energi?
Kampanjvideo:
Om fördelarna med isolering
Lyckligtvis är denna svårighet helt lösbar - dock inte för några universum, utan bara för stängda. Det kan bevisas att den totala energin i alla slutna universum är exakt noll. Hur kan detta vara, eftersom universum är fylld med materia och strålning? Men det finns också tyngdkraften, som är känd för att vara negativ. Det visar sig att i ett slutet universum kompenseras det positiva energibidraget från partiklar och elektromagnetiska fält exakt av lika stor i storlek och motsatt i teckenbidrag från gravitationfältet, så att den totala energin alltid är noll. Denna slutsats gäller inte bara för energi utan också för elektrisk laddning. I ett slutet universum åtföljs nödvändigtvis varje positiv laddning av samma laddning med ett minustecken, så att den totala summan av alla laddningar återigen är noll. Detsamma kan sägas om andra fysiska mängder som följer strikta bevarandelagar.
Vad följer av detta? Om ett slutet universum uppstår från absolut tomhet är alla bevarade mängder som de var och förblir noll. Det visar sig att de grundläggande bevarande lagarna inte förbjuder en sådan födelse alls. Låt oss nu komma ihåg att alla kvantmekaniska processer som inte är förbjudna enligt dessa lagar kan inträffa, även med mycket låg sannolikhet. Så födelsen av ett slutet universum från ingenting är i princip möjligt. Så här skiljer sig kvantmekanik från klassisk mekanik, där tomheten i sig inte kan ge upphov till någonting.
Till tidens början
Chanserna för spontan födelse av olika universum enligt detta scenario kan beräknas: fysiken har en matematisk apparat för detta. Det är intuitivt uppenbart att de faller när universums storlek ökar, och ekvationerna bekräftar detta: Lilliputianska universum är mer troligt att uppstå än större universum. Samtidigt är universums storlek förknippad med egenskaperna hos det falska vakuumet som fyller det: ju högre densitet energi är, desto mindre är universum. Så de maximala chanserna för spontan födelse ges till slutna mikrounivers som är fyllda med vakuum med hög energi.
Låt oss nu säga att sannolikheten fungerade till förmån för detta scenario och ett slutet universum föddes ur ingenting. Det falska vakuumet skapar negativ tyngdkraft, vilket tvingar det nyfödda universum att expandera snarare än att samarbeta. Som ett resultat kommer hon att utvecklas från det första ögonblicket som fixar hennes spontana födelse. När vi närmar oss detta ögonblick ur framtidens perspektiv, stöter vi inte på oändligheten. Men frågan om vad som hände före detta ögonblick är inte vettigt, eftersom det inte fanns tid eller utrymme.
Måste börja
För flera år sedan bevisade jag, tillsammans med två medförfattare, ett teorem som är direkt relaterat till vårt problem. Grovt sagt hävdar hon att alla universum som i genomsnitt expanderar har en början. Förtydligande "i genomsnitt" har betydelsen att universum i vissa stadier kan sammandras, men under hela dess existens expanderar det fortfarande. Och slutsatsen om början av existensen innebär att detta universum har historier som, när de fortsätter in i det förflutna, bryter av, deras världslinjer har vissa utgångspunkter. Tvärtom, alla universum som finns evigt kan inte ha sådana världslinjer, alla dess berättelser försvinner kontinuerligt in i det förflutna till ett oändligt djup. Och eftersom universum som är födda till följd av inflationsprocesser uppfyller stämningens villkor,de måste ha en början.
Du kan också matematiskt simulera ett slutet universum som var i ett statiskt tillstånd under en oändligt lång tid och sedan började expandera. Det är uppenbart att vårt teorem inte gäller det, eftersom den tidsgenomsnittliga utvidgningen är noll. Men ett sådant universum har alltid en chans att kollapsa: detta krävs av kvantmekanik. Sannolikheten för kollaps kan vara mycket liten, men eftersom universum är i ett statiskt tillstånd under en oändlig tid kommer det säkert att hända, och ett sådant universum kommer helt enkelt inte att överleva för att expandera. Så vi återigen kommer till slutsatsen att det expanderande universum måste ha en början. Naturligtvis gäller det också vårt eget universum.
Alexander Vilenkin, chef för Institute of Cosmology vid Tufts University, författare till The World of Many Worlds. Fysiker på jakt efter andra universum.
Intervjuat av: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov