Kako je i kako započeo svemir? Gotovo sve religije, vjerovanja i kultovi nude odgovore na ovo pitanje, star koliko i svijet. Ali znanost je to shvatila ozbiljno tek nedavno - tek u 20. stoljeću.
Najjednostavniji odgovor bit će najkraći - sve je počelo s Velikim praskom. O tome svjedoče rješenja svih razumnih modela evolucije svemira, izgrađena na temelju opće teorije relativnosti. Ako ih pomicamo natrag u vremenu, neminovno ćemo pogoditi trenutak kada gustoća i temperatura materije postaju beskonačne. To se također mora uzeti kao podrijetlo, nulta vremenska točka. Nemoguće je nastaviti s rješenjima na području prethodnih vremena: matematika to ne dopušta.
Jedini izlaz
Fizičari nikada nisu voljeli ovu situaciju. Otkad su naučili strogo izračunati svjetske mode, nade da se riješe beskonačnosti i pogledaju, da tako kažem, u prošlost Velikog praska, nisu nestale. No, svi pokušaji pronalaženja razumnih modela „početnika“, drugim riječima vječnog Univerzuma, pokazali su se neuspješnima. Takvo je stanje ostalo i nakon razvijanja modela inflatorne ekspanzije ranog Svemira početkom 1980-ih, koji se oslanjao ne samo na opću relativnost, već i na lažnu hipotezu vakuuma, posuđenu iz teorije kvantnog polja.
Inflacija je super brzo širenje Svemira na samom početku njegovog postojanja. Nastaje zbog činjenice da je vakuum u ovom trenutku u stanju vrlo visoke gustoće pozitivne energije, neizmjerno prelazeći njegovu minimalnu vrijednost. Vakuum s najnižom gustoćom energije naziva se istinitim, a višim - lažnim. Svaki pozitivni vakuum djeluje kao antigravitacija, to jest čini prostor širenjem. Lažni vakuum s izrazito velikom gustoćom energije također je izuzetno nestabilan, brzo se raspada, a njegova energija troši se za stvaranje zračenja i čestica zagrijanih do ekstremno visokih temperatura. To raspadanje vakuuma naziva se Veliki prasak. Iza sebe ostavlja običan prostor ispunjen gravitacijskim materijama, koji se širi umjerenom brzinom.
Međutim, postoji jedan scenarij kojim se prevazilazi mrtva točka matematičkih beskonačnosti. Prema ovom scenariju, Svemir je nastao iz ničega, točnije, iz stanja u kojem u klasičnom smislu ovih pojmova nema ni vremena, ni prostora, ni materije. Ta se ideja na prvi pogled čini smiješnom - kako ništa ne može stvoriti nešto? Ili, krećući se od metafora do fizike, kako možete zaobići temeljne zakone očuvanja? Recimo zakon očuvanja energije koji se smatra apsolutnim. Energije materije i zračenja su uvijek pozitivne, pa kako mogu nastati iz stanja s nultom energijom?
Promotivni video:
O prednostima izolacije
Srećom, ova je poteškoća potpuno rješiva - međutim, ne za svemire, već samo za zatvorene. Može se dokazati da je ukupna energija bilo kojeg zatvorenog svemira točno jednaka nuli. Kako to može biti, budući da je svemir ispunjen materijom i zračenjem? Međutim, postoji i energija gravitacije, za koju se zna da negativna. Ispada da je u zatvorenom svemiru doprinos pozitivne energije čestica i elektromagnetskog polja točno nadoknađen jednakom veličinom i suprotno znakovnom doprinosu gravitacijskog polja, tako da je ukupna energija uvijek jednaka nuli. Ovaj se zaključak odnosi ne samo na energiju, već i na električni naboj. U zatvorenom svemiru svaki pozitivni naboj nužno je praćen istim nabojem sa znakom minus, tako da se ukupni zbroj svih naboja opet pokaže kao nula. Isto se može reći i za ostale fizičke veličine koje se pridržavaju strogih zakona očuvanja.
Što slijedi iz ovoga? Ako iz zatvorene svemire proizlazi apsolutna praznina, sve sačuvane količine su takve kakve su bile i ostaju nula. Ispada da temeljni zakoni o očuvanju uopće ne zabranjuju takvo rođenje. Prisjetimo se da se može dogoditi svaki kvantni mehanički postupak koji ovim zakonima nije zabranjen, čak i s vrlo malom vjerojatnošću. Dakle, rođenje zatvorenog svemira iz ničega u principu nije moguće. Time se kvantna mehanika razlikuje od klasične mehanike, gdje sama praznina ne može stvoriti ništa.
Do početka vremena
Šanse za spontano rođenje različitih svemira prema ovom scenariju mogu se izračunati: fizika za to ima matematički aparat. Intuitivno je očito da padaju kako se povećava veličina svemira, a jednadžbe to potvrđuju: vjerojatnije je da će se pojaviti liliputski svemiri od većih svemira. Istodobno, veličina svemira povezana je sa svojstvima lažnog vakuuma koji ga ispunjava: što je veća gustoća njegove energije, to je manji svemir. Dakle, maksimalne šanse za spontano rođenje daju se zatvorenim mikro-univerzumima ispunjenim visokoenergetskim vakuumom.
Recimo sada da je vjerojatnost djelovala u korist ovog scenarija i da je zatvoreni svemir nastao iz ničega. Lažni vakuum stvara negativnu gravitaciju, koja prisiljava svemir novorođenčeta da se širi, a ne da se steže. Kao rezultat toga, ona će se razviti od početnog trenutka koji popravlja njeno spontano rođenje. Kada ovom trenutku pristupimo iz perspektive budućnosti, ne trčimo u beskonačnost. Ali pitanje što se dogodilo prije ovog trenutka nema smisla, jer tada nije bilo ni vremena ni prostora.
Mora imati početak
Prije nekoliko godina, zajedno s dvojicom koautora, dokazao sam teoremu koja je izravno povezana s našim problemom. Grubo govoreći, ona tvrdi da svaki svemir koji se prosječno širi ima početak. Pojašnjenje „u prosjeku“ima značenje da se u nekim fazama svemir može ugovoriti, ali tijekom svog postojanja još uvijek se uglavnom širi. A zaključak o postojanju početka znači da ovaj svemir ima priče koje, kad se nastave u prošlost, prekidaju, njihove svjetske crte imaju određena polazišta. Suprotno tome, svaki svemir koji vječno postoji ne može imati takve svjetske crte, sve njegove priče neprestano se povlače u prošlost u beskonačnu dubinu. A budući da svemiri koji su nastali kao rezultat inflatornih procesa zadovoljavaju uvjete teoreme,moraju imati početak.
Možete i matematički simulirati zatvoreni svemir koji je beskonačno dugo bio u statičkom stanju, a zatim se počeo širiti. Jasno je da se naša teorema ne odnosi na nju, jer je prosječna brzina njenog širenja jednaka nuli. Međutim, takav će svemir uvijek imati priliku propasti: to zahtijeva kvantna mehanika. Vjerojatnost kolapsa može biti vrlo mala, ali budući da je svemir u statičkom stanju beskonačno vrijeme, to će se sigurno dogoditi, a takav svemir jednostavno neće živjeti da se širi. Tako opet dolazimo do zaključka da svemir koji se širi mora imati početak. To se, naravno, odnosi i na naš vlastiti svemir.
Alexander Vilenkin, direktor Instituta za kozmologiju na Sveučilištu Tufts, autor knjige Svijet mnogih svjetova. Fizičari u potrazi za drugim svemirima.
Razgovarali: Aleksej Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov