Как и как започна Вселената? Почти всички религии, вероизповедания и култове предлагат отговори на този въпрос, стар колкото света. Но науката го прие сериозно съвсем наскоро - едва през 20-ти век.
Най-простият отговор ще бъде най-краткият - всичко започна с Големия взрив. Това се доказва от решенията на всички разумни модели на еволюцията на Вселената, изградени на базата на общата теория на относителността. Ако ги превъртим назад във времето, неизбежно ще ударим момента, когато плътността и температурата на материята станат безкрайни. Той също трябва да бъде взет като начало, нулева точка от време. Невъзможно е да продължите решенията в областта от предишни времена: математиката не позволява.
Единственият изход
Физиците никога не са харесвали тази ситуация. Откакто се научиха да изчисляват строго световните модели, надеждите да се освободят от безкрайностите и да погледнат, така да се каже, в миналото на Големия взрив, не изчезнаха. Но всички опити за намиране на разумни модели на „безименната“, с други думи вечната Вселена, се оказаха неуспешни. Това състояние на нещата продължава и след началото на 80-те години на миналия век, разработва модели на инфлационно разширяване на ранната Вселена, които се основават не само на общата относителност, но и на фалшивата вакуумна хипотеза, заимствана от квантовата теория на полето.
Инфлацията е супер бързо разширяване на Вселената в самото начало на нейното съществуване. Тя възниква поради факта, че в този момент вакуумът е в състояние с много висока положителна енергийна плътност, неизмеримо надвишаваща минималната му стойност. Вакуумът с най-ниска енергийна плътност се нарича вярно, с по-висок - фалшив. Всеки положителен вакуум действа като антигравитация, тоест кара пространството да се разширява. Лъжлив вакуум с изключително висока енергийна плътност също е изключително нестабилен, той бързо се разпада и енергията му се изразходва за образуването на радиация и частици, нагряти до изключително високи температури. Този разпад на вакуум е това, което се нарича Големия взрив. Той оставя след себе си обикновено пространство, изпълнено с гравитационна материя, която се разширява с умерена скорост.
Има обаче един сценарий, който преодолява задния край на математическите безкрайности. Според този сценарий Вселената е възникнала от нищо, по-точно от състояние, в което няма нито време, нито пространство, нито материя в класическия смисъл на тези термини. На пръв поглед тази идея изглежда смешна - как нищо не може да породи нещо? Или, преминавайки от метафори към физика, как можете да заобиколите основните закони за опазване? Да речем законът за запазване на енергията, който се счита за абсолютен. Енергиите на материята и излъчването са винаги положителни, така че как биха могли да възникнат от състояние с нулева енергия?
Промоционално видео:
От предимствата на изолацията
За щастие тази трудност е напълно разрешима - обаче не за всякакви вселени, а само за затворени. Може да се докаже, че общата енергия на всяка затворена вселена е точно нула. Как може да е това, тъй като Вселената е изпълнена с материя и радиация? Съществува обаче и енергията на гравитацията, за която се знае, че е отрицателна. Оказва се, че в затворена Вселена приносът на положителната енергия на частиците и електромагнитните полета се компенсира точно с равен по величина и противоположен по принос принос на гравитационното поле, така че общата енергия винаги е нула. Това заключение се отнася не само за енергията, но и за електрическия заряд. В затворена вселена всеки положителен заряд задължително се придружава от същия заряд със знак минус, така че общата сума на всички заряди отново се оказва нула. Същото може да се каже и за други физически величини, спазващи строги закони за опазване.
Какво следва от това? Ако една затворена вселена възникне от абсолютна празнота, всички запазени количества са такива, каквито са и остават нула. Оказва се, че основните закони за опазване изобщо не забраняват такова раждане. Нека сега си спомним, че всеки квантов механичен процес, незабранен от тези закони, може да се случи, дори с много малка вероятност. Така че раждането на затворена вселена от нищо по принцип не е възможно. Така квантовата механика се различава от класическата механика, където самата пустота не може да породи нищо.
До началото на времето
Шансовете за спонтанно раждане на различни вселени според този сценарий могат да бъдат изчислени: физиката има математически апарат за това. Интуитивно е очевидно, че те падат с увеличаването на размера на Вселената и уравненията потвърждават това: по-вероятно е да възникнат лилипутски вселени, отколкото по-големи вселени. В същото време размерът на Вселената се свързва със свойствата на фалшивия вакуум, който я изпълва: колкото по-голяма е плътността на нейната енергия, толкова по-малка е Вселената. И така, максималните шансове за спонтанно раждане се дават на затворени микро-вселени, изпълнени с високоенергиен вакуум.
Нека сега да кажем, че вероятността работи в полза на този сценарий и затворена вселена се роди от нищо. Фалшивият вакуум създава отрицателна гравитация, което принуждава вселената на новороденото да се разширява, а не да свива. В резултат на това тя ще се развива от първоначалния момент, който фиксира спонтанното й раждане. Когато приближаваме този момент от гледна точка на бъдещето, ние не се сблъскваме с безкрайността. Но въпросът какво се е случило преди този момент няма смисъл, тъй като тогава нямаше нито време, нито място.
Трябва да има начало
Преди няколко години аз, заедно с двама съавтори, доказах теорема, която е пряко свързана с нашия проблем. Грубо казано, тя твърди, че всяка вселена, която се разширява средно, има начало. Изясняването „средно“има значението, че на някои етапи вселената може да се свие, но през цялото си съществуване тя все още основно се разширява. И заключението за съществуването на началото означава, че тази вселена има истории, които, когато продължат в миналото, се разпадат, техните световни линии имат определени отправни точки. Напротив, всяка вселена, която съществува вечно, не може да има такива световни линии, всички нейни истории непрекъснато се отдалечават в миналото до безкрайна дълбочина. И тъй като вселените, които се раждат в резултат на инфлационни процеси, отговарят на условията на теоремата,те трябва да имат начало.
Можете също така математически да симулирате затворена вселена, която беше в статично състояние за безкрайно дълго време, а след това започна да се разширява. Ясно е, че нашата теорема не важи за нея, тъй като средно време за нейното разширяване е нула. Такава вселена обаче винаги ще има шанс да се срине: това се изисква от квантовата механика. Вероятността за срив може да бъде много малка, но тъй като Вселената е в статично състояние за безкрайно време, това със сигурност ще се случи и такава Вселена просто няма да оцелее, за да се разшири. Така че отново стигаме до извода, че разширяващата се вселена трябва да има начало. Естествено, това се отнася и за нашата собствена вселена.
Александър Виленкин, директор на Института по космология към Туфтския университет, автор на „Светът на много светове“. Физици в търсене на други вселени”.
Интервюират: Алексей Левин, Олег Макаров, Дмитрий Мамонтов
