Kuidas ja kuidas universum alguse sai? Peaaegu kõik religioonid, usutunnistused ja kultused pakuvad sellele küsimusele vastuseid, nii vana kui maailm. Kuid teadus on seda üsna hiljuti tõsiselt võtnud - alles 20. sajandil.
Kõige lihtsam vastus on lühim - kõik sai alguse Suurest Paugust. Selle tõestuseks on universaalse evolutsiooni kõigi mõistlike mudelite lahendused, mis on ehitatud üldise relatiivsusteooria põhjal. Kui me neid ajas tagasi kerime, tabame paratamatult hetke, mil mateeria tihedus ja temperatuur muutuvad lõpmatuks. Seda tuleb võtta ka lähtepunktina, nullpunktina. Varasemate aegade valdkonna lahendusi on võimatu jätkata: matemaatika seda ei võimalda.
Ainus väljapääs
Füüsikutele ei meeldinud see olukord kunagi. Pärast seda, kui nad on õppinud rangelt arvutama maailmamudeleid, pole kadunud lootused lõpmatusest vabaneda ja niiöelda Suure Paugu minevikku vaadata. Kuid kõik katsed leida mõistlikke mudeleid "alustamatust", teisisõnu igavesest Universumist, osutusid ebaõnnestunuks. Selline olukord püsis ka pärast seda, kui 1980ndate alguses töötati välja varase Universumi inflatsioonilise laienemise mudelid, mis toetusid mitte ainult üldisele relatiivsusele, vaid ka kvantvälja teooriast laenatud valevaakumhüpoteesile.
Inflatsioon on Universumi ülikiire laienemine selle olemasolu alguses. See tuleneb asjaolust, et vaakum on praegu väga positiivse energiatihedusega olekus, ületades mõõtmatult selle miinimumväärtuse. Madalaima energiatihedusega vaakumit nimetatakse tõeseks, kõrgema vaakumiks - valet. Igasugune positiivne vaakum toimib antigravitatsioonina, see tähendab, et see paneb ruumi laienema. Äärmiselt kõrge energiatihedusega valevaakum on samuti äärmiselt ebastabiilne, see laguneb kiiresti ja selle energia kulub kiirguse ja osakeste tekitamiseks, mis on kuumutatud ülikõrge temperatuurini. Seda vaakumlagunemist nimetatakse suureks pauguks. See jätab maha tavalise gravitatsiooniainega täidetud ruumi, mis laieneb mõõduka kiirusega.
Siiski on üks stsenaarium, mis ületab matemaatiliste lõpmatuste ummikseisu. Selle stsenaariumi kohaselt tekkis Universum mitte millestki, täpsemalt seisundist, kus pole nende terminite klassikalises tähenduses aega, ruumi ega ainet. Esmapilgul tundub see mõte naeruväärne - kuidas ei saa miski millestki algust saada? Või liikudes metafooride juurest füüsika juurde, kuidas pääseda ümber looduskaitseseadustest? Ütleme nii, et energia säästmise seadus on absoluutne. Mateeria ja kiirguse energiad on alati positiivsed, kuidas need siis tekkida nullienergiaga olekust?
Reklaamvideo:
Isolatsiooni eelistest
Õnneks on see raskus täielikult lahendatav - siiski mitte ühegi universumi, vaid ainult suletud universumi jaoks. Võib tõestada, et suletud universumi koguenergia on täpselt null. Kuidas see saab olla, kuna universum on täidetud aine ja kiirgusega? Siiski on ka gravitatsioonienergia, mis on teadaolevalt negatiivne. Selgub, et suletud universumis kompenseeritakse osakeste ja elektromagnetiliste väljade positiivne energiapanus täpselt gravitatsioonivälja võrdse suurusjärguga ja vastassuunas, nii et koguenergia on alati null. See järeldus kehtib mitte ainult energia, vaid ka elektrilaengu kohta. Suletud universumis kaasneb iga positiivse laenguga tingimata sama laeng miinusmärgiga, nii et kõigi laengute kogusumma osutub jälle nulliks. Sama võib öelda ka muude füüsiliste koguste kohta, kus järgitakse rangeid kaitse-seadusi.
Mis sellest järeldub? Kui suletud universum tuleneb absoluutsest tühjusest, on kõik konserveerunud kogused sellised, nagu nad olid, ja jäävad nulliks. Selgub, et põhilised looduskaitse seadused ei keela sellist sündi üldse. Pidagem meeles, et võib toimuda mis tahes kvantmehaaniline protsess, mis pole nende seadustega keelatud, isegi väga väikese tõenäosusega. Niisiis on suletud universumi sünd mitte millestki põhimõtteliselt võimalik. Nii erineb kvantmehaanika klassikalisest mehaanikast, kus tühjus ise ei saa midagi põhjustada.
Aja algusesse
Selle stsenaariumi järgi saab arvutada erinevate universumite spontaanse sündimise võimalused: füüsikal on selleks matemaatiline aparaat. On intuitiivselt ilmne, et need langevad universumi suuruse kasvades ja võrrandid kinnitavad seda: Lilliputian universumid tekivad tõenäolisemalt kui suuremad universumid. Samal ajal seostatakse universumi suurust seda täitva valevaakumi omadustega: mida suurem on tema energia tihedus, seda väiksem on universum. Niisiis, suletud mikrouniversumid, mis on täidetud suure energiavaakumiga, annavad maksimaalsed võimalused spontaanseks sünniks.
Ütleme nüüd, et tõenäosus töötas selle stsenaariumi kasuks ja suletud universum sündis millestki. Valevaakum loob negatiivse gravitatsiooni, mis sunnib vastsündinud universumit laienema, mitte kokku tõmbama. Selle tulemusel areneb ta välja alates oma spontaanse sünnituse fikseerimisest. Sellele hetkele tuleviku vaatenurgast lähenedes ei jookse me lõpmatusse. Kuid küsimusele, mis juhtus enne seda hetke, pole mõtet, sest sellest ajast polnud ei aega ega ruumi.
Peab olema algus
Mitu aastat tagasi tõestasin koos kahe kaasautoriga teoreemi, mis on otseselt seotud meie probleemiga. Ligikaudu öeldes väidab ta, et igal universumil, mis keskmiselt laieneb, on algus. Täpsustusel "keskmiselt" on tähendus, et universum võib mõnel etapil kokku tõmbuda, kuid kogu eksisteerimise ajal laieneb see endiselt peamiselt. Ja järeldus alguse olemasolu kohta tähendab, et sellel universumil on lugusid, mis minevikku jätkates purunevad, ja nende maailmaliinidel on teatud lähtepunktid. Vastupidi, ühelgi igavesti eksisteerival universumil ei saa olla selliseid maailmariine, kõik selle lood taanduvad pidevalt minevikku lõpmatusse sügavusse. Ja kuna inflatsiooniprotsesside tagajärjel sündinud universumid vastavad teoreemi tingimustele,neil peab olema algus.
Samuti saate matemaatiliselt simuleerida suletud universumit, mis oli lõpmata pikka aega staatilises olekus ja hakkas seejärel laienema. On selge, et meie teoreem ei kehti selle kohta, kuna selle laienemise ajaline keskmismäär on null. Kuid sellisel universumil on alati võimalus variseda: seda nõuab kvantmehaanika. Kukkumise tõenäosus võib olla väga väike, kuid kuna universum on lõpmatu aja jooksul staatilises olekus, siis see kindlasti juhtub ja selline universum laienemiseks lihtsalt ei püsi. Niisiis jõuame taas järeldusele, et laienevas universumis peab olema algus. Loomulikult kehtib see ka meie enda universumi kohta.
Aleksandr Vilenkin, Tuftsi ülikooli kosmoloogia instituudi direktor, raamatu "Paljude maailmade maailm" autor. Füüsikud otsivad teisi universumeid”.
Intervjueerinud: Aleksei Levin, Oleg Makarov, Dmitri Mamontov
