Jak a jak vznikl vesmír? Téměř všechna náboženství, vyznání a kultové nabízejí odpovědi na tuto otázku, stejně staré jako svět. Ale věda to brala vážně docela nedávno - teprve ve 20. století.
Nejjednodušší odpověď bude nejkratší - vše začalo Velkým třeskem. O tom svědčí řešení všech rozumných modelů vývoje vesmíru, postavených na obecné teorii relativity. Pokud je posuneme zpět v čase, nevyhnutelně zasáhneme okamžik, kdy bude hustota a teplota hmoty nekonečná. Musí se také brát jako počátek, nulový časový bod. Je nemožné pokračovat v řešení v oblasti dřívějších dob: matematika to neumožňuje.
Jediná cesta ven
Fyzikům se tato situace nikdy nelíbila. Od té doby, co se naučili důsledně počítat světové modely, nezmizely naděje, že se zbaví nekonečna a podívá se do minulosti Velkého třesku. Ale všechny pokusy najít rozumné modely „bezpočtu“, jinými slovy, věčný vesmír, se ukázaly jako neúspěšné. Tento stav přetrvával i poté, co byly na počátku 80. let vyvinuty modely inflační expanze raného vesmíru, které se spoléhaly nejen na obecnou relativitu, ale také na falešnou hypotézu vypůjčenou z teorie kvantového pole.
Inflace je velmi rychlá expanze vesmíru na samém začátku jeho existence. Vzniká v důsledku skutečnosti, že vakuum je v tomto okamžiku ve stavu s velmi vysokou pozitivní hustotou energie, nezměrně překračující jeho minimální hodnotu. Vakuum s nejnižší hustotou energie se nazývá pravda, s vyšším - nepravdivé. Jakékoli pozitivní vakuum působí jako antigravitační, to znamená, že rozšiřuje prostor. Falešné vakuum s extrémně vysokou hustotou energie je také velmi nestabilní, rychle se rozpadá a jeho energie je utracena na tvorbu záření a částeček zahřátých na extrémně vysoké teploty. Tento rozpad vakua se nazývá Velký třesk. Zanechává za sebou obyčejný prostor plný gravitační hmoty, která se mírně rozšiřuje.
Existuje však jeden scénář, který překonává slepé uličky matematických nekonečností. Podle tohoto scénáře nevznikl vesmír z ničeho, přesněji ze stavu, kde není ani čas, ani prostor, ani hmota v klasickém smyslu těchto pojmů. Na první pohled se tato myšlenka zdá absurdní - jak nic nemůže dát vzniknout? Nebo jak se můžete pohybovat od metafor k fyzice, jak se obejít základní zákony zachování? Řekněme zákon zachování energie, který je považován za absolutní. Energie hmoty a záření jsou vždy pozitivní, tak jak by mohly vzniknout ze stavu s nulovou energií?
Propagační video:
O výhodách izolace
Naštěstí je tato obtížnost zcela řešitelná - ne však pro žádné vesmíry, ale pouze pro uzavřené. Lze dokázat, že celková energie jakéhokoli uzavřeného vesmíru je přesně nula. Jak to může být, protože vesmír je naplněn hmotou a zářením? Existuje však také energie gravitace, o které je známo, že je negativní. Ukazuje se, že v uzavřeném vesmíru je kladný energetický příspěvek částic a elektromagnetických polí přesně kompenzován stejnou hodnotou a opačným znaménkovým příspěvkem gravitačního pole, takže celková energie je vždy nulová. Tento závěr se vztahuje nejen na energii, ale také na elektrický náboj. V uzavřeném vesmíru je jakýkoli kladný náboj nutně doprovázen stejným nábojem se znaménkem mínus, takže celková součet všech nábojů se opět ukáže jako nula. Totéž lze říci o jiných fyzických veličinách, které dodržují přísné zákony zachování.
Co z toho vyplývá? Pokud uzavřený vesmír vznikne z absolutní prázdnoty, všechna zachovaná množství jsou tak, jak byla, a zůstávají nulová. Ukazuje se, že základní zákony na ochranu přírody takové narození nezakazují vůbec. Nyní si uvědomte, že může dojít k jakémukoli kvantovému mechanickému procesu, který tyto zákony nezakazují, a to i s velmi nízkou pravděpodobností. Takže narození uzavřeného vesmíru z ničeho není v zásadě možné. Takto se kvantová mechanika liší od klasické mechaniky, kde prázdnota sama o sobě nemůže vést k ničemu.
Na začátek času
Šance na spontánní zrození různých vesmírů podle tohoto scénáře lze vypočítat: fyzika má pro to matematický aparát. Je intuitivně zřejmé, že klesají se zvyšující se velikostí vesmíru a rovnice to potvrzují: Lilliputiánské vesmíry pravděpodobněji vzniknou než větší vesmíry. Velikost vesmíru je zároveň spojena s vlastnostmi falešného vakua, které jej vyplňuje: čím vyšší je hustota jeho energie, tím menší je vesmír. Maximální šance na spontánní porod jsou tedy dány uzavřeným mikrosvětům naplněným vysokonapěťovým vakuem.
Nyní řekněme, že pravděpodobnost pracovala ve prospěch tohoto scénáře a uzavřený vesmír se zrodil z ničeho. Falešné vakuum vytváří negativní gravitaci, která nutí novorozený vesmír spíše expandovat než se stahovat. Výsledkem bude, že se bude vyvíjet od počátečního okamžiku, který napraví její spontánní narození. Když se blížíme k tomuto okamžiku z perspektivy budoucnosti, nesetkáme se do nekonečna. Otázka toho, co se stalo před tímto okamžikem, však nedává smysl, protože od té doby nebyl ani čas, ani prostor.
Musí začít
Před několika lety jsem spolu se dvěma spoluautory dokázal teorém, který přímo souvisí s naším problémem. Zhruba řečeno, tvrdí, že každý vesmír, který se v průměru rozšiřuje, má začátek. Objasnění „v průměru“má význam, že v některých fázích se vesmír může stahovat, ale po celou dobu své existence se stále rozšiřuje. A závěr o existenci začátku znamená, že tento vesmír má příběhy, které, když pokračují v minulosti, vylomí se, jejich světové linie mají určité výchozí body. Naopak, žádný vesmír, který existuje věčně, nemůže mít takové světové linie, všechny jeho příběhy neustále ustupují do minulosti do nekonečné hloubky. A protože vesmíry, které se rodí v důsledku inflačních procesů, splňují podmínky věty,musí mít začátek.
Můžete také matematicky simulovat uzavřený vesmír, který byl ve statickém stavu po nekonečně dlouhou dobu, a poté se začal rozšiřovat. Je jasné, že se na ni naše věta nevztahuje, protože časově průměrná míra jeho expanze je nula. Takový vesmír však bude mít vždy šanci se zhroutit: to vyžaduje kvantová mechanika. Pravděpodobnost kolapsu může být velmi malá, ale protože vesmír je ve statickém stavu po nekonečně dlouhou dobu, určitě se to stane, a takový vesmír prostě nepřežije, aby se rozšířil. Znovu jsme dospěli k závěru, že expandující vesmír musí mít začátek. Samozřejmě to platí také pro náš vlastní vesmír.
Alexander Vilenkin, ředitel Kosmologického ústavu na Tuftsově univerzitě, autor Svět mnoha světů. Fyzici při hledání jiných vesmírů. “
Rozhovor: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov