Hoe en hoe is het universum ontstaan? Bijna alle religies, geloofsbelijdenissen en culten bieden antwoorden op deze vraag, zo oud als de wereld. Maar de wetenschap heeft het vrij recentelijk serieus genomen - pas in de 20e eeuw.
Het eenvoudigste antwoord is het kortste - het begon allemaal met de oerknal. Dit wordt bewezen door de oplossingen van alle redelijke modellen van de evolutie van het heelal, gebouwd op basis van de algemene relativiteitstheorie. Als we ze terug in de tijd scrollen, zullen we onvermijdelijk het moment bereiken waarop de dichtheid en temperatuur van materie oneindig worden. Het moet ook worden genomen als de oorsprong, het tijdpunt nul. Het is onmogelijk om door te gaan met oplossingen op het gebied van vroegere tijden: wiskunde staat het niet toe.
De enige uitweg
Natuurkundigen hielden nooit van deze situatie. Sinds ze leerden om rigoureus wereldmodellen te berekenen, is de hoop om van de oneindigheden af te komen en als het ware naar het verleden van de oerknal te kijken niet verdwenen. Maar alle pogingen om redelijke modellen te vinden van het "beginloze", met andere woorden, het eeuwige heelal, bleken niet succesvol. Deze stand van zaken hield aan, zelfs nadat de modellen van inflatoire expansie van het vroege heelal werden ontwikkeld in het begin van de jaren tachtig, die niet alleen gebaseerd waren op de algemene relativiteitstheorie, maar ook op de valse vacuümhypothese die was ontleend aan de kwantumveldentheorie.
Inflatie is een supersnelle uitbreiding van het universum aan het begin van zijn bestaan. Het ontstaat door het feit dat het vacuüm zich op dit moment in een toestand bevindt met een zeer hoge positieve energiedichtheid, die de minimumwaarde onmetelijk overschrijdt. Het vacuüm met de laagste energiedichtheid wordt waar genoemd, met een hogere - onwaar. Elk positief vacuüm werkt als anti-zwaartekracht, dat wil zeggen dat het de ruimte vergroot. Een vals vacuüm met een extreem hoge energiedichtheid is ook extreem onstabiel, het valt snel uiteen en de energie wordt besteed aan de vorming van straling en deeltjes die tot extreem hoge temperaturen verhit worden. Dit vacuümverval wordt de oerknal genoemd. Het laat gewone ruimte achter die gevuld is met graviterende materie, die zich met een matige snelheid uitbreidt.
Er is echter één scenario dat de doodlopende weg van wiskundige oneindigheden overwint. Volgens dit scenario is het universum ontstaan uit het niets, meer bepaald uit een toestand waarin geen tijd, ruimte of materie is in de klassieke zin van deze termen. Op het eerste gezicht lijkt dit idee belachelijk: hoe kan niets aanleiding geven tot iets? Of, gaande van metaforen naar natuurkunde, hoe kun je de fundamentele behoudswetten omzeilen? Laten we zeggen de wet van behoud van energie, die als absoluut wordt beschouwd. De energieën van materie en straling zijn altijd positief, dus hoe kunnen ze ontstaan uit een toestand zonder energie?
Promotie video:
Over de voordelen van isolatie
Gelukkig is deze moeilijkheid volledig op te lossen - echter niet voor universums, maar alleen voor gesloten universums. Het kan worden bewezen dat de totale energie van een gesloten universum precies nul is. Hoe kan dit, aangezien het universum gevuld is met materie en straling? Er is echter ook de energie van de zwaartekracht, waarvan bekend is dat deze negatief is. Het blijkt dat in een gesloten universum de positieve energiebijdrage van deeltjes en elektromagnetische velden exact wordt gecompenseerd door de gelijke in grootte en tegengestelde in tekenbijdrage van het zwaartekrachtveld, zodat de totale energie altijd nul is. Deze conclusie is niet alleen van toepassing op energie, maar ook op elektrische lading. In een gesloten universum gaat elke positieve lading noodzakelijkerwijs gepaard met dezelfde lading met een minteken, zodat de totale som van alle ladingen weer nul blijkt te zijn. Hetzelfde kan gezegd worden over andere fysieke hoeveelheden die aan strikte instandhoudingswetten voldoen.
Wat volgt hieruit? Als uit absolute leegte een gesloten universum ontstaat, zijn alle geconserveerde grootheden zoals ze waren en blijven ze nul. Het blijkt dat de fundamentele natuurbeschermingswetten een dergelijke geboorte helemaal niet verbieden. Laten we nu bedenken dat elk kwantummechanisch proces dat niet door deze wetten verboden is, kan plaatsvinden, zelfs met een zeer lage waarschijnlijkheid. Dus de geboorte van een gesloten universum uit het niets is in principe mogelijk. Dit is hoe de kwantummechanica verschilt van de klassieke mechanica, waar leegte zelf nergens toe kan leiden.
Tot het begin der tijden
De kans op spontane geboorte van verschillende universums volgens dit scenario kan worden berekend: de natuurkunde heeft hiervoor een wiskundig apparaat. Het is intuïtief duidelijk dat ze afnemen naarmate de omvang van het universum toeneemt, en de vergelijkingen bevestigen dit: Lilliputiaanse universums zullen waarschijnlijk eerder ontstaan dan grotere universums. Tegelijkertijd wordt de grootte van het universum geassocieerd met de eigenschappen van het valse vacuüm dat het vult: hoe hoger de dichtheid van zijn energie, hoe kleiner het universum. De maximale kans op een spontane geboorte wordt dus gegeven aan gesloten micro-universums gevuld met een hoogenergetisch vacuüm.
Laten we nu zeggen dat waarschijnlijkheid in het voordeel van dit scenario werkte en dat uit het niets een gesloten universum werd geboren. Het valse vacuüm creëert negatieve zwaartekracht, die het pasgeboren universum dwingt uit te breiden in plaats van samen te trekken. Als gevolg hiervan zal ze evolueren vanaf het eerste moment dat haar spontane geboorte herstelt. Wanneer we dit moment benaderen vanuit het perspectief van de toekomst, komen we niet in de oneindigheid. Maar de vraag wat er vóór dit moment is gebeurd, slaat nergens op, aangezien er toen tijd noch ruimte was.
Moet een begin hebben
Enkele jaren geleden heb ik, samen met twee co-auteurs, een stelling bewezen die direct verband houdt met ons probleem. Grofweg stelt ze dat elk universum dat zich gemiddeld uitbreidt, een begin heeft. Verduidelijking "gemiddeld" heeft de betekenis dat het universum in sommige stadia kan samentrekken, maar gedurende zijn bestaan voornamelijk nog steeds uitbreidt. En de conclusie over het bestaan van het begin betekent dat dit universum verhalen heeft die, als ze doorgaan in het verleden, afbreken, hun wereldlijnen hebben bepaalde startpunten. Integendeel, elk universum dat eeuwig bestaat, kan dergelijke wereldlijnen niet hebben, al zijn verhalen wijken voortdurend terug in het verleden tot een oneindige diepte. En aangezien universums die ontstaan als resultaat van inflatoire processen voldoen aan de voorwaarden van de stelling,ze moeten een begin hebben.
U kunt ook wiskundig een gesloten universum simuleren dat zich oneindig lang in een statische toestand bevond en daarna begon uit te breiden. Het is duidelijk dat onze stelling er niet op van toepassing is, omdat de tijdgemiddelde snelheid van zijn expansie nul is. Zo'n universum zal echter altijd een kans hebben om in te storten: dit is vereist door de kwantummechanica. De kans op ineenstorting kan erg klein zijn, maar aangezien het universum voor een oneindige tijd in een statische toestand verkeert, zal het zeker gebeuren, en zo'n universum zal het eenvoudigweg niet overleven om uit te breiden. We komen dus opnieuw tot de conclusie dat het uitdijende heelal een begin moet hebben. Het geldt natuurlijk ook voor ons eigen universum.
Alexander Vilenkin, directeur van het Instituut voor Kosmologie aan de Tufts University, auteur van The World of Many Worlds. Natuurkundigen op zoek naar andere universums”.
Geïnterviewd door: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
