Hogyan és hogyan kezdődött az univerzum? Szinte minden vallás, hitvallás és kultusz kínál válaszokat erre a kérdésre, olyan régi, mint a világ. De a tudomány egészen a közelmúltban veszi komolyan - csak a 20. században.
A legegyszerűbb válasz a legrövidebb - mindez a Nagyrobbanással kezdődött. Ezt bizonyítja az univerzum evolúciójának minden ésszerű modelljének megoldása, amelyet az általános relativitáselmélet alapján építettek fel. Ha időben visszatekerjük őket, akkor elkerülhetetlenül megütünk azt a pillanatot, amikor az anyag sűrűsége és hőmérséklete végtelenné válik. Szintén kiindulási pontnak, nulla időpontnak kell tekinteni. Lehetetlen folytatni a megoldásokat az előző idők területére: a matematika nem teszi lehetővé.
Az egyetlen kiút
A fizikusok soha nem tetszett ez a helyzet. Azóta, hogy megtanultak szigorúan kiszámítani a világmodelleket, a remények a végtelenségektől megszabadulni, és úgy mondva, a Nagyrobbanás múltjához sem tűntek el. De az összes kísérlet az "indulás nélküli", azaz az örök világegyetem ésszerű modelljének megtalálására sikertelennek bizonyult. Ez a helyzet az 1980-as évek eleje után folytatódott a korai világegyetem inflációs expanziójának kidolgozott modellein, amelyek nemcsak az általános relativitáselméletre, hanem a kvantummező elméletből kölcsönvett hamis vákuumhipotézisre is épültek.
Az infláció az univerzum szupergyors bővülése a létezés elején. Ennek oka az a tény, hogy a vákuum ebben a pillanatban nagyon magas pozitív energia-sűrűségű állapotban van, mérhetetlenül meghaladva annak minimális értékét. A legalacsonyabb energia sűrűségű vákuumot valódinak, nagyobb értékűnek pedig hamisnak nevezzük. Bármely pozitív vákuum antigravitációként működik, azaz növeli a teret. A rendkívül magas energia sűrűségű hamis vákuum szintén rendkívül instabil, gyorsan szétesik, energiáját sugárzás és rendkívül magas hőmérsékletre hevített részecskék képzésére fordítják. Ezt a vákuumcsökkenést hívják a Big Bang-nak. Hagyományos gravitációs anyaggal töltött teret hagy maga után, amely mérsékelten növekszik.
Van azonban egy olyan forgatókönyv, amely legyőzi a matematikai végtelenségek zsákutcáját. E forgatókönyv szerint az Univerzum semmiből nem következett, pontosabban olyan állapotból, amelyben nincs idő, sem tér, sem anyag ezeknek a kifejezéseknek a klasszikus értelemben. Első pillantásra ez az ötlet nevetségesnek tűnik - hogy semmi nem eredményezhet valamit? Vagy ha átmegyünk a metaforákról a fizikára, hogyan lehet megkerülni az alapvető természetvédelmi törvényeket? Tegyük fel az energiamegtakarítás törvényét, amelyet abszolútnak tekintünk. Az anyag és a sugárzás energiája mindig pozitív, tehát hogyan válhatnának létre nulla energiájú állapotból?
Promóciós videó:
Az elszigeteltség előnyeiről
Szerencsére ez a nehézség teljesen megoldható - azonban nem minden univerzumban, hanem csak a zárt univerzumokban. Bizonyítható, hogy bármely zárt univerzum teljes energiája pontosan nulla. Hogyan lehet ez, mivel az univerzum tele van anyaggal és sugárzással? Van azonban a gravitációs energia is, amelyről ismert, hogy negatív. Kiderült, hogy egy zárt univerzumban a részecskék és az elektromágneses mezők pozitív energia-hozzájárulását pontosan kompenzálja a gravitációs mező nagyságrenddel egyenlő és jelző hozzájárulása, tehát a teljes energia mindig nulla. Ez a következtetés nemcsak az energiára, hanem az elektromos töltésre is vonatkozik. Zárt univerzumban minden pozitív töltést szükségszerűen ugyanaz a töltés kíséri, mínuszjelet használva, így az összes töltés teljes összege ismét nulla lesz. Ugyanez mondható el más szigorú természetvédelmi törvényeket betartó fizikai mennyiségekről is.
Mi következik ebből? Ha egy zárt világegyetem abszolút ürességből származik, akkor az összes megőrzött mennyiség olyan, ahogy volt és nulla marad. Kiderült, hogy az alapvető természetvédelmi törvények egyáltalán nem tiltják az ilyen születést. Ne felejtsük el, hogy bármilyen kvantummechanikai folyamat, amelyet e törvények nem tiltanak, még nagyon alacsony valószínűséggel is megtörténhet. Tehát egy zárt világegyetem születése semmiből elvileg lehetséges. Így különbözik a kvantummechanika a klasszikus mechanikától, ahol az üresség önmagában semmihez nem vezethet.
Az idő elejéig
Kiszámolható a különböző univerzumok spontán születésének esélye e forgatókönyv szerint: a fizika ehhez rendelkezik matematikai berendezéssel. Intuitív módon nyilvánvaló, hogy esnek, amikor az univerzum mérete növekszik, és az egyenletek ezt megerősítik: A lilliputi univerzumok nagyobb valószínűséggel fordulnak elő, mint a nagyobb univerzumok. Ugyanakkor a világegyetem nagysága a hamis vákuum tulajdonságaival függ össze, amely kitölti: minél nagyobb az energia sűrűsége, annál kisebb a világegyetem. Tehát a spontán születés maximális esélyét a nagy energiájú vákuummal megtöltött zárt mikro-univerzumok adják.
Tegyük fel most, hogy a valószínűség támogatta ezt a forgatókönyvet, és a zárt univerzum semmiből született. A hamis vákuum negatív gravitációt hoz létre, amely az újszülött univerzumot arra kényszeríti, hogy bővüljön, nem pedig összehúzódjon. Ennek eredményeként attól a kezdeti pillanattól fog fejlődni, amely rögzíti spontán születését. Amikor ezt a pillanatot a jövő szempontjából közelítjük meg, nem fussunk be a végtelenbe. A kérdés azonban, hogy mi történt a pillanat előtt, nincs értelme, mivel az időnek sem volt helye, sem hely.
Indulnia kell
Néhány évvel ezelőtt két társszerzővel közösen bebizonyítottam egy tételt, amely közvetlenül kapcsolódik a problémánkhoz. Durván szólva azt állítja, hogy minden univerzumnak, amely átlagosan tágul, van kezdete. Az „átlag” pontosítás azt jelenti, hogy az univerzum bizonyos szakaszaiban összehúzódhat, de létezése során továbbra is elsősorban bővül. És a kezdetek létezésére vonatkozó következtetés azt jelenti, hogy ennek a világegyetemnek olyan története van, hogy ha a múltba folytatódik, szakad meg, világvonaluknak vannak bizonyos kiindulópontjai. Éppen ellenkezőleg: egyetlen örökké létező világegyetemnek nem lehet ilyen világvonala, minden története folyamatosan visszavág a múltba, egy végtelen mélységbe. És mivel az inflációs folyamatok eredményeként született univerzumok kielégítik a tétel feltételeit,nekik kell kezdeni.
Matematikailag szimulálhat egy zárt világegyetemet is, amely végtelenül hosszú ideig statikus állapotban volt, majd elkezdett terjeszkedni. Nyilvánvaló, hogy tételünk erre nem vonatkozik, mert az időbeli átlagolódási sebessége nulla. Egy ilyen világegyetemnek azonban mindig esélye van összeomlására: ezt a kvantummechanika megköveteli. Az összeomlás valószínűsége nagyon kicsi, de mivel az univerzum végtelen ideig statikus állapotban van, minden bizonnyal megtörténik, és egy ilyen univerzum egyszerűen nem marad fenn annak kibővüléséhez. Tehát ismét arra a következtetésre jutunk, hogy a bővülő univerzumnak kezdetnek kell lennie. Természetesen a saját világegyetemünkre is vonatkozik.
Alexander Vilenkin, a Tuftsi Egyetem Kozmológiai Intézetének igazgatója, a Sok világ világa szerzője. Fizikusok más univerzumokat keresve”.
Interjúkészítők: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov