Kā un kā sākās Visums? Gandrīz visas reliģijas, ticības apliecinājumi un kulti piedāvā atbildes uz šo jautājumu tikpat sena kā pasaule. Bet zinātne to ir uztvērusi nopietni diezgan nesen - tikai 20. gadsimtā.
Vienkāršākā atbilde būs īsākā - viss sākās ar Lielo sprādzienu. Par to liecina visu saprātīgo Visuma evolūcijas modeļu risinājumi, kas izveidoti, pamatojoties uz vispārējo relativitātes teoriju. Ja mēs ritinām tos atpakaļ laikā, mēs neizbēgami saskaramies ar brīdi, kad matērijas blīvums un temperatūra kļūst bezgalīga. Tas arī jāuzskata par sākumu, nulles laika punktu. Nav iespējams turpināt risinājumus iepriekšējo laiku jomā: matemātika to neļauj.
Vienīgā izeja
Fizikiem šī situācija nekad nepatika. Kopš brīža, kad viņi iemācījās precīzi aprēķināt pasaules modeļus, cerības atbrīvoties no bezgalības un, tā sakot, ieskatīties Lielā sprādziena pagātnē, nav pazudušas. Bet visi mēģinājumi atrast saprātīgus “bezizejas”, citiem vārdiem sakot, mūžīgā Visuma modeļus, izrādījās neveiksmīgi. Šis stāvoklis turpinājās pēc 1980. gadu sākuma izstrādātajiem agrīnā Visuma inflācijas paplašināšanās modeļiem, kuru pamatā bija ne tikai vispārējā relativitāte, bet arī kļūdainā vakuuma hipotēze, kas aizgūta no kvantu lauka teorijas.
Inflācija ir īpaši ātra Visuma paplašināšanās pašā tās pastāvēšanas sākumā. Tas rodas sakarā ar to, ka vakuums šobrīd ir stāvoklī ar ļoti augstu pozitīvās enerģijas blīvumu, neizmērojami pārsniedzot tā minimālo vērtību. Vakuumu ar zemāko enerģijas blīvumu sauc par patiesu, ar augstāku - par nepatiesu. Jebkurš pozitīvs vakuums darbojas kā antigravitācija, tas ir, tas liek telpai paplašināties. Viltus vakuums ar ārkārtīgi augstu enerģijas blīvumu ir arī ārkārtīgi nestabils, tas ātri sadalās, un tā enerģija tiek iztērēta, lai veidotu starojumu un daļiņas, kas uzsildītas līdz īpaši augstām temperatūrām. Šis vakuuma samazinājums ir tas, ko sauc par lielo sprādzienu. Tas atstāj aiz sevis parastu ar gravitācijas materiālu piepildītu vietu, kas mēreni izplešas.
Tomēr ir viens scenārijs, kas pārvar matemātisko bezgalību strupceļu. Saskaņā ar šo scenāriju Visums radās no nekā, precīzāk, no stāvokļa, kurā nav ne laika, ne telpas, ne matērijas šo terminu klasiskajā izpratnē. No pirmā acu uzmetiena šī ideja šķiet smieklīga - kā nekas nevar kaut ko radīt? Vai, pārejot no metaforām uz fiziku, kā jūs varat iziet apkārtējos pamatnoteikumus par saglabāšanu? Teiksim, enerģijas saglabāšanas likums, kas tiek uzskatīts par absolūtu. Matērijas un radiācijas enerģijas vienmēr ir pozitīvas, tad kā tās varētu rasties no stāvokļa ar nulles enerģiju?
Reklāmas video:
Par izolācijas priekšrocībām
Par laimi, šīs grūtības ir pilnībā atrisināmas - tomēr ne visiem universiem, bet tikai slēgtajiem. Var pierādīt, ka jebkura slēgta Visuma kopējā enerģija ir precīzi nulle. Kā tas var būt, jo Visums ir piepildīts ar matēriju un starojumu? Tomēr ir arī gravitācijas enerģija, kas, kā zināms, ir negatīva. Izrādās, ka slēgtā Visumā daļiņu un elektromagnētiskā lauka pozitīvo enerģijas devumu precīzi kompensē gravitācijas lauka vienādojuma lielums un pretējs signāls, tā ka kopējā enerģija vienmēr ir nulle. Šis secinājums attiecas ne tikai uz enerģiju, bet arī uz elektrisko lādiņu. Slēgtā Visumā jebkurai pozitīvai lādiņai obligāti pievieno to pašu lādiņu ar mīnusa zīmi, lai visu lādiņu kopējā summa atkal izrādītos nulle. To pašu var teikt par citiem fizikāliem daudzumiem, ievērojot stingrus saglabāšanas likumus.
Kas no tā izriet? Ja slēgts Visums rodas no absolūta tukšuma, visi saglabātie lielumi ir tādi, kādi tie bija, un paliek nulle. Izrādās, ka pamata saglabāšanas likumi šādu dzimšanu vispār neaizliedz. Tagad atcerēsimies, ka var notikt jebkurš kvantu mehānisks process, ko neaizliedz šie likumi, pat ar ļoti mazu varbūtību. Tātad principā ir iespējama slēgta Visuma dzimšana no nekā. Tādējādi kvantu mehānika atšķiras no klasiskās mehānikas, kur pats tukšums neko nevar radīt.
Uz laika sākumu
Var aprēķināt dažādu Visumu spontānas dzimšanas iespējas saskaņā ar šo scenāriju: fizikai tam ir matemātisks aparāts. Ir intuitīvi acīmredzami, ka tie samazinās, palielinoties Visuma lielumam, un vienādojumi to apstiprina: Lilliputijas Visumi rodas daudz biežāk nekā lielāki Visumi. Tajā pašā laikā Visuma lielums ir saistīts ar viltus vakuuma īpašībām, kas to piepilda: jo lielāks ir tā enerģijas blīvums, jo mazāks ir Visums. Tātad maksimālas spontānas dzimšanas iespējas tiek dotas slēgtiem mikrouniversāliem, kas piepildīti ar augstas enerģijas vakuumu.
Tagad pieņemsim, ka varbūtība darbojās par labu šim scenārijam un slēgts visums radās no nekā. Viltus vakuums rada negatīvu smagumu, kas liek jaundzimušajam Visumam paplašināties, nevis sarauties. Tā rezultātā viņa attīstīsies no sākotnējā brīža, kas nosaka viņas spontāno dzimšanu. Tuvojoties šim brīdim no nākotnes skatupunkta, mēs neieslīgstam bezgalībā. Bet jautājumam par to, kas notika pirms šī brīža, nav jēgas, jo kopš tā laika nebija ne laika, ne vietas.
Jābūt sākumam
Pirms vairākiem gadiem es kopā ar diviem līdzautoriem pierādīju teorēmu, kas ir tieši saistīta ar mūsu problēmu. Aptuveni runājot, viņa apgalvo, ka jebkuram Visumam, kas izplešas vidēji, ir sākums. Skaidrojumam "vidēji" ir tāda nozīme, ka dažos posmos Visums var sarauties, bet visā pastāvēšanas laikā tas joprojām galvenokārt paplašinās. Un secinājums par sākuma esamību nozīmē, ka šim visumam ir stāsti, kuri, turpinot pagātni, pārtrūkst, viņu pasaules līnijām ir noteiktas izejas vietas. Gluži pretēji, jebkuram mūžīgi pastāvošam visumam nevar būt šādas pasaules līnijas, visi tā stāsti nepārtraukti atkāpjas pagātnē līdz bezgalīgam dziļumam. Un tā kā visumi, kas dzimst inflācijas procesu rezultātā, atbilst teorēmas nosacījumiem,viņiem ir jābūt sākumam.
Jūs varat arī matemātiski simulēt slēgtu Visumu, kas bezgalīgi ilgu laiku atradās statiskā stāvoklī, un pēc tam sāka paplašināties. Ir skaidrs, ka mūsu teorēma uz to neattiecas, jo vidējais tās paplašināšanas ātrums ir nulle. Tomēr šādam visumam vienmēr būs iespēja sabrukt: to pieprasa kvantu mehānika. Sabrukšanas varbūtība var būt ļoti maza, taču, tā kā Visums ir statiskā stāvoklī bezgalīgi ilgi, tas noteikti notiks, un šāds Visums vienkārši neizdzīvos, lai paplašinātos. Tātad mēs atkal nonākam pie secinājuma, ka paplašinātajam Visumam ir jābūt sākumam. Dabiski, ka tas attiecas arī uz mūsu pašu Visumu.
Aleksandrs Vilenkins, Tufta universitātes Kosmoloģijas institūta direktors, grāmatas “Daudzu pasaules pasaule” autors. Fiziķi, meklējot citus Visumus”.
Intervēja: Aleksejs Levins, Oļegs Makarovs, Dmitrijs Mamontovs