Come e come è iniziato l'universo? Quasi tutte le religioni, credi e culti offrono risposte a questa domanda, antiche quanto il mondo. Ma la scienza l'ha presa sul serio di recente, solo nel 20 ° secolo.
La risposta più semplice sarà la più breve: tutto è iniziato con il Big Bang. Ciò è evidenziato dalle soluzioni di tutti i modelli ragionevoli dell'evoluzione dell'Universo, costruiti sulla base della teoria generale della relatività. Se li scorriamo indietro nel tempo, inevitabilmente colpiremo il momento in cui la densità e la temperatura della materia diventeranno infinite. Deve anche essere preso come origine, il punto temporale zero. È impossibile continuare le soluzioni all'area dei tempi precedenti: la matematica non lo consente.
L'unica via d'uscita
Ai fisici non è mai piaciuta questa situazione. Da quando hanno imparato a calcolare rigorosamente i modelli del mondo, le speranze di sbarazzarsi degli infiniti e guardare, per così dire, nel passato del Big Bang, non sono scomparse. Ma tutti i tentativi di trovare modelli ragionevoli del "senza inizio", in altre parole, l'eterno Universo, si sono rivelati fallimentari. Questo stato di cose continuò dopo che all'inizio degli anni '80 furono sviluppati modelli di espansione inflazionistica dell'Universo primordiale, che erano basati non solo sulla relatività generale, ma anche sull'ipotesi del falso vuoto presa in prestito dalla teoria quantistica dei campi.
L'inflazione è un'espansione super veloce dell'Universo all'inizio della sua esistenza. Sorge a causa del fatto che il vuoto in questo momento è in uno stato con una densità di energia positiva molto elevata, che supera incommensurabilmente il suo valore minimo. Il vuoto con la densità di energia più bassa è chiamato vero, con uno più alto - falso. Qualsiasi vuoto positivo agisce come antigravità, cioè fa espandere lo spazio. Un falso vuoto con una densità di energia estremamente elevata è anche estremamente instabile, si disintegra rapidamente e la sua energia viene spesa per la formazione di radiazioni e particelle riscaldate a temperature estremamente elevate. Questo decadimento del vuoto è quello che viene chiamato Big Bang. Lascia lo spazio ordinario pieno di materia gravitante, che si espande a una velocità moderata.
Tuttavia, c'è uno scenario che supera il vicolo cieco degli infiniti matematici. Secondo questo scenario, l'Universo è sorto dal nulla, più precisamente da uno stato in cui non c'è né tempo, né spazio, né materia nel senso classico di questi termini. A prima vista, questa idea sembra ridicola: come può nulla dare origine a qualcosa? Oppure, passando dalle metafore alla fisica, come aggirare le leggi fondamentali di conservazione? Diciamo la legge di conservazione dell'energia, che è considerata assoluta. Le energie della materia e della radiazione sono sempre positive, quindi come potrebbero derivare da uno stato a energia zero?
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Sui vantaggi dell'isolamento
Fortunatamente, questa difficoltà è completamente risolvibile, tuttavia, non per tutti gli universi, ma solo per quelli chiusi. Si può dimostrare che l'energia totale di qualsiasi universo chiuso è esattamente zero. Come può essere, dal momento che l'universo è pieno di materia e radiazioni? Tuttavia, c'è anche l'energia della gravità, che è nota per essere negativa. Si scopre che in un universo chiuso il contributo energetico positivo delle particelle e dei campi elettromagnetici è esattamente compensato dal contributo uguale in grandezza e segno opposto del campo gravitazionale, in modo che l'energia totale sia sempre zero. Questa conclusione si applica non solo all'energia, ma anche alla carica elettrica. In un universo chiuso, qualsiasi carica positiva è necessariamente accompagnata dalla stessa carica con un segno meno, in modo che la somma totale di tutte le cariche risulti nuovamente pari a zero. Lo stesso si può dire per altre quantità fisiche che obbediscono a severe leggi di conservazione.
Cosa ne consegue? Se un universo chiuso nasce dal vuoto assoluto, tutte le quantità conservate sono come erano e rimangono zero. Si scopre che le leggi fondamentali di conservazione non vietano affatto una tale nascita. Ora ricordiamoci che qualsiasi processo quantistico non proibito da queste leggi può verificarsi, anche con una probabilità molto bassa. Quindi la nascita di un universo chiuso dal nulla è in linea di principio possibile. Ecco come la meccanica quantistica differisce dalla meccanica classica, dove il vuoto stesso non può dare origine a nulla.
All'inizio del tempo
Le possibilità di nascita spontanea di universi diversi secondo questo scenario possono essere calcolate: la fisica ha un apparato matematico per questo. È intuitivamente ovvio che diminuiscono con l'aumentare delle dimensioni dell'universo, e le equazioni lo confermano: è più probabile che si verifichino universi lillipuziani rispetto a universi più grandi. Allo stesso tempo, la dimensione dell'universo è associata alle proprietà del falso vuoto che lo riempie: maggiore è la densità della sua energia, più piccolo è l'universo. Quindi, le possibilità massime di nascita spontanea sono date a microuniversi chiusi pieni di un vuoto ad alta energia.
Ora diciamo che la probabilità ha funzionato a favore di questo scenario e dal nulla è nato un universo chiuso. Il falso vuoto crea gravità negativa, che costringe l'universo neonato ad espandersi anziché contrarsi. Di conseguenza, si evolverà dal momento iniziale che fissa la sua nascita spontanea. Quando ci avviciniamo a questo momento dalla prospettiva del futuro, non andiamo incontro all'infinito. Ma la domanda su cosa sia successo prima di questo momento non ha senso, da allora non c'erano né tempo né spazio.
Deve avere un inizio
Diversi anni fa, insieme a due coautori, ho dimostrato un teorema direttamente correlato al nostro problema. In parole povere, sostiene che qualsiasi universo che si espanda in media ha un inizio. Il chiarimento "in media" ha il significato che in alcune fasi l'universo può contrarsi, ma per tutta la sua esistenza è ancora principalmente in espansione. E la conclusione sull'esistenza dell'inizio significa che questo universo ha storie che, se continuate nel passato, si interrompono, le loro linee del mondo hanno determinati punti di partenza. Al contrario, qualsiasi universo che esiste eternamente non può avere tali linee di mondo, tutte le sue storie si ritirano continuamente nel passato a una profondità infinita. E poiché gli universi che nascono come risultato di processi inflazionistici soddisfano le condizioni del teorema,devono avere un inizio.
Puoi anche simulare matematicamente un universo chiuso che è rimasto in uno stato statico per un tempo infinitamente lungo e poi ha iniziato ad espandersi. È chiaro che il nostro teorema non si applica ad esso, perché il tasso di espansione medio nel tempo è zero. Tuttavia, un tale universo avrà sempre la possibilità di collassare: questo è richiesto dalla meccanica quantistica. La probabilità di collasso può essere molto piccola, ma poiché l'universo è in uno stato statico per un tempo infinito, accadrà sicuramente e un tale universo semplicemente non sopravviverà per espandersi. Quindi arriviamo di nuovo alla conclusione che l'universo in espansione deve avere un inizio. Naturalmente, si applica anche al nostro universo.
Alexander Vilenkin, direttore dell'Istituto di cosmologia alla Tufts University, autore di The World of Many Worlds. Fisici alla ricerca di altri universi”.
Intervistato da: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
