Prieš Didįjį sprogimą: kažkas ar nieko?

Tačiau anksčiau šiais metais, kosmologai Alexas Vilenkinas ir Audrey'is Mithani'is teigė išsprendę šiuos debatus. Jie pateikė priežastis, kodėl visata negalėjo egzistuoti amžinai. Tačiau, ką gamta nenoriai duoda viena ranka, atsiima kita – nors visata ir turi pradžią, jos ištakos gali būti prarastos laiko miglose.

Dabartinė kosmologija prasidėjo 1916 metais, kai Einšteinas pritaikė savo naujai suformuluotą gravitacijos teoriją, bendrąjį reliatyvumą, didžiausiai masei, kokią tik galėjo sugalvoti: visai visatai. Kaip ir Niutonui, Einšteinui buvo artimesnė nekintanti visata – amžinai egzistavusi, tad neturėjusi pradžios. Einšteinas suprato, kad gravitacijai, traukiančiai visą masę, turėjo priešintis tuščios erdvės keista kosminė stūma.

Einšteino statiška visata buvo itin nestabili. Kaip nurodė anglų fizikas Arthuras Eddingtonas, tokia visata balansavo ant peilio ašmenų tarp nesustabdomo plėtimosi ir nesustabdomo susitraukimo. Kitas smūgis statiškos visatos modeliui buvo suduotas 1929 m., kai amerikietis astronomas Edwinas Hubble'as pastebėjo, kad galaktikos lekia viena nuo kitos, kaip kosminis šrapnelis. Ir tai suponavo visatos plėtimąsi.

O jei visata plečiasi, seka neišvengiama išvada, kad praeityje ji buvo mažesnė. Įsivaizduokite plėtimosi atsukimą atgal, iki laiko, kai viskas buvo suspausta į mažiausią tūrį. Tai buvo Didysis sprogimas (DS).

Vėliau sukurta DS teorija aprašo visatos raidą iš karšto, tankaus būvio, tačiau nė žodeliu neužsimena apie tai, iš kur visata atsirado. Tad svarbiausias klausimas lieka neatsakytas – kas nutiko prieš DS ir ar tai buvo tikroji pradžia?

Visai nekeista, kad amžinos visatos modelis populiarumui pasitarnavo tai, kad tokiu atveju nekyla tokie keisti klausimai. 1948 m., Fredas Hoyle'as, Hermannas Bondi'is ir Tommy'is Goldis iškėlė idėją, kad visatai plečiantis, nauja materija atsiranda tarp esančių galaktikų ir formuoja naujas. Pagal šį stacionarios būklės įsivaizdavimą, visata atrodo taip pat, kaip ir dabar ir taip bus per amžius. Ji neturi pradžios, ji tiesiog buvo visada.

Tačiau stacionarios visatos teoriją sugriovė du stebėjimai. Pirmasis, atliktas 1960 m., parodė, kad tolimesnė, o tai reiškia ir ankstesnė visata atrodo ne taip pat, kaip dabartinė. Antrasis buvo kosminio mikrobangų spinduliavimo, DS atšvaitų, atradimas 1964-aisiais. Jau vėliau (2001 m.) NASA'os WMAP zondas atliko detalius kosminės foninės spinduliuotės tyrimus ir pagal tai nustatytas visatos amžius – 13,7 milijardai metų.

Amžinybės trūkumai

Kitus smūgius visatos amžinybei sudavė teorija. Septintajame dešimtmetyje Rogeris Penrose'as ir Stephenas Hawkingas buvo du jauni fizikos teoretikai Kembridžo universitete. Jų darbas parodė, kad pasukus visatos plėtimąsi atgal, neišvengiamai pasiekiamas singuliarumo taškas, kur fiziniai parametrai, tarkime, tankis ir temperatūra šoka į begalybę. O svarbiausia, singuliarume sugriūna mums žinoma fizika ir tampa nebeįmanoma nustatyti, kas glūdi kitapus. Pasak Penrose'o ir Hawkingo, iš tiesų DS turėjo būti pradžia.

Ir pasaka baigta? Na, ne. Pasirodo, Penrose'o ir Hawkingo singuliarumo teorijoje yra landa. Pagal Niutono dėsnius, objekto trauka priklauso tik nuo jo masės. Einšteino įžvalgos atskleidė, kad gravitacijos jėga priklauso ir nuo objekto energijos ir, svarbiausia, jos slėgio. Kurdami savo teoremas, Penrose'as ir Hawkingas tarė, kad erdvės slėgis visad mažas ir teigiamas. O kas, jei jie klydo? „Būtent ši galimybė atvėrė kelius moderniosios kosmologijos teorijoms, kuriose Didysis sprogimas visai nėra pradžia,“ sako Vilenkinas. „Jiems vadovauja infliacija.“

Infliacija, teorija, kurią Vilenkinas padėjo sukurti, prasideda nuo neįprastai didelės energijos vakuumo ir neigiamo slėgio. Karu šie veiksniai suteikia vakuumui stumiančią gravitaciją, kuri užuot traukusi, stumia daiktus vienus nuo kitų. Tai išplečia vakuumą, kuris dėl to stumia vis stipriau, ir dėl to plečiasi vis greičiau.

Bet infliacinis vakuumas iš prigimties kvantinis, tad nestabilus. Dėl to infliacinis vakuumas atsitiktinai suyra į paprastą, kasdieninį vakuumą. Įsivaizduokite vakuumą kaip didžiulį okeaną verdančio vandens, kurio visame ilgyje ir plotyje formuojasi burbuliukai. Infliacinio vakuumo energija turi kažkur pasidėti ir ji tai daro, kurdama materiją ir kiekviename tokiame burbule įkaitindama ją iki beprotiškai didžiulių temperatūrų. Taip sukuriami didieji sprogimai. Mūsų visata yra vieno tokio burbulo, atsiradusio, kaip Didysis sprogimas prieš 13,7 mlrd. metų, viduje.

Viena iš įstabiausių infliacijos savybių yra jos amžinumas. Naujas, aukštos energijos vakuumas kuriasi daug sparčiau, nei suyra į paprastą vakuumą, o tai reiškia, kad kartą prasidėjusi, infliacija niekada nesustoja ir visatos plečiasi amžinai. Bet kadangi amžina infliacija išvengia nelemtojo singuliarumo, labai gali būti, kad visatos taip išsipūsdavo ir neribotai tolimoje praeityje.

Infliacija atitinka visus mūsų stebėjimus ir Vilenkinas gana užtikrintas, kad yra fundamentaliai teisus. Tačiau su amžina infliacija yra problema, kurią Vilenkinas pirmą kartą aptiko 2003 metais, kai dirbo kartu su Arvindu Borde iš Southamptono Koledžo Niujorke ir infliacijos teorijos pionieriumi Alanu Guthu iš MIT.

Jie skaičiavo, kas nutiktų augančioje visatoje ir neėmė domėn energijos ar gravitacijos. Jų teoremoje paprasčiausiai tariama, kad bendrai paėmus, vidutiniškai, visata plečiasi. „Didžiam mūsų nustebimui, pasirodė, kad dauguma atvejų erdvėlaikis į praeitį nesitęsia amžinai,“ sako Vilenkinas. „Infliacija privalo turėti pradžią.“

Tačiau infliacija nėra vienintelė galimybė. Tad, ar alternatyvūs scenarijai galėjo turėti pradžią? Anksčiau šiais metais Vilenkinas kartu su Audrey Mithani, jo kolege iš Tufts universiteto Medforde, Masačiusetse, patikrino du iš tikėtiniausių alternatyvių kosmologinių scenarijų.

Pirmasis yra „cikliškoji visata“, kurią, remdamiesi stygų teorija, išvystė Neilas Turokas iš Kanados Perimeter teorinės fizikos instituto Waterloo, Ontarijuje, ir Paulas Steinhardtas iš Princetono universiteto. Pagal šį scenarijų, mūsų visata yra keturmatė sala, „[mem]brana“ daugiamatėje erdvėje. Ji periodiškai susidaužia su kita brana. Įsivaizduokite šias dvi branas kaip dvi lygiagrečias duonos riekes, suartėjančias per penktąjį išmatavimą, pereinančiomis viena per kitą, vėl išsiskiriančiomis ir vėl suartėjančiomis. Kaskart branoms susilietus, jų didžiulė judėjimo penktuoju matmeniu energija sukuria materiją kiekvienoje branoje ir įkaitina iki neregėtos temperatūros. Branoje esančiam stebėtojui tai atrodytų lygiai taip pat, kaip Didysis sprogimas, paliktų tokią pačią kosmoso foninę mikrobangų radiaciją ir galaktikų pasiskirstymą. Tačiau, tai Didysis sprogimas be pradžios, sako Turokas ir Steinhardtas, nes ciklai kartojasi amžinai.

©NewScientist

Tačiau Vilenkinas ir Mithani parodė, kad cikliškoji visata negali be galo tęstis į ateitį ir praeitį. Pasak šios teorijos, materija branose su kiekvienu ciklu plečiasi vis labiau ir tai reiškia, kad Borde-Guth-Vilenkin teorema apie visatos pradžios egzistavimą tebegalioja. „Jei pasuktume laiką atgal, kaip kino juostą, išvystume, kaip cikliškąją visatą ištinka singuliarumas ar kokia kita pradžia, pavyzdžiui, infliacija,“ sako jis.

Kitas Vilenkino ir Mithani aptariamas kosmologinis scenarijus netgi dar keistesnis, nei cikliškoji visata ir infliacija. Tai yra „atsirandančioji visata (emergent universe)“, sukurta George'o Elliso iš Keiptauno universiteto PAR ir Roy'us Maartenso iš Portsmoutho universiteto JK. Ji prasideda kaip maža statiška visata, buvusi šioje būklėje neribotai ilgai ir staiga pradėjusi plėstis. Toks scenarijus remiasi stygų teorija, tad mintis nėra visiškai iš piršto laužta. „Tai šiek tiek desperatiškas scenarijus,“ pastebi Vilenkinas.

Sumodeliuoti amžinybę snaudžiančią ir netikėtai pasirodančią visatą ne taip paprasta. Taip pat, kaip Einšteino statiškoji visata buvo nestabili ir jai reikėjo kosminės stūmos, Ellisas ir Maartensas savąją gali stabilizuoti dviem keistais ingredientais: vakuumu su neigiama energija ir erdvėlaikio sandūros linijomis, dar žinomomis, kaip domeno sienelės, iš kai kurių dalelių fizikos modelių. Domenų sienelės turėtų palikti pėdsaką foninio mikrobangų spinduliavimo temperatūroje, ko nebuvo pastebėta, tačiau gali būti, kad juos ištrynė infliacija.

Spontaniškas kolapsas

Vilenkinas ir Mithani į Ellis ir Maartenso teoriją vertina skeptiškai. „Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad jie sukūrė stabilią visatą,“ paaiškina Vilenkinas. „Tačiau manome, kad ji stabili tik jei ignoruosime kvantų teorijos efektus.“

Remiantis kvantų teorija, visata negali pasilikti mažiausio dydžio amžinai – iškyla spontaninio kolapso tikimybė. „Nors tikimybė labai maža, bet per begalinį laiką tai tampa neišvengiama,“ sako Vilenkinas. „Iš to seka, kad jei gyvename atsirandančiojoje visatoje, ji negalėjo egzistuoti amžinai.“ Pasak Maartenso, šis kvantinio nestabilumo rezultatas „nėra nepagrįstas“. Tačiau jis nėra tikras, kad jis neišvengiamai lemia visatos pradžią. „Manau, tai daug gilesnis klausimas, kuriam reikia bent jau brandžios kvantinės gravitacijos teorijos,“ sako jis. „Deja, jos neturime.“

Tačiau turimos fizikos kontekste Vilenkinas ir Mithani daro išvadą, kad kaip bepažvelgsi, visata negalėjo egzistuoti amžinai, tad privalo turėti pradžią. Bet kaip ji prasidėjo? Pasak Vilenkino, kvantinė teorija turi sprendimą, nes leidžia kažkam atsirasti iš nieko, o tas kažkas – maža visata – ima plėstis, cikliškai atsirasti, ar be galo ilgai būti neveikli prieš pradėdama plėstis.

Ar galime būti tikri, kad visata turėjo pradžią? O gal esame begaliniame tikėjimo ir netikėjimo rate? „Pirmą kartą turime įrankius, leidžiančius kilmės klausimą nagrinėti moksliškai,“ pastebi Vilenkinas. „Tad jaučiu, artinamės prie tiesos.“

Tačiau bet kokios viltys išvysti pradžių pradžią blėsta. Netrukus po to, kai Vilenkinas ir Mithani publikavo savo teiginius, fizikas Leonardas Susskindas iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje atsakė dviem darbais. Juose dėsto, kad pradžia, jei tikrai tokia buvo, tikriausiai nutiko taip seniai, kad visoms praktinėms reikmėms visata buvo amžinai.

Jis teigia, kadangi erdvė plečiasi eksponentiškai, vėlesnis vakuumas yra nepalyginamai didesnis, nei ankstesnio laiko. Kadangi egzistuoja daug daugiau visatų, gali būti, kad vakuumo plotas, kurį vadiname namais, susiformavo vėliau. Tikroji pradžia tikriausiai įvyko siaubingai tolimoje praeityje – tokioje tolimoje, kad visatoje neliko jokios atsiradimo žymės. „Atrodo paradoksalu teigti, kad pradžia privalo būti, tačiau ji tikrai nutiko neapsakomai seniai,“ dėsto Susskindas.

Vilenkinas tai pripažįsta. „Tai ironiška,“ sako jis. „Visata gali turėti pradžią, bet galime niekada tiksliai nesužinoti, kokia tiksliai ta pradžia buvo.“

Kaip bebūtų, kosmologai vis vien turi daug juos neraminančių klausimų. Jei visatos pradžią aprašo kvantų teorija, tai kvantų teorija turėjo egzistuoti prieš visatą. Tad, savaime suprantama, kyla kitas klausimas: iš kur atsirado kvantų teorijos dėsniai? „Mes to nežinome,“ pripažįsta Vilenkinas. „Laikau tai visiškai kitu klausimu.“ Kai kalbame apie visatos pradžią, daugeliu atvejų tebesame pačioje pradžioje.

Marcus Chown, knygos „Tweeting the Universe“autorius; (Faber & Faber, ISBN:978-0571278435),

New Scientist, № 2893