Wie und wie hat das Universum begonnen? Fast alle Religionen, Glaubensbekenntnisse und Kulte bieten Antworten auf diese Frage, so alt wie die Welt. Aber die Wissenschaft hat es erst vor kurzem ernst genommen - erst im 20. Jahrhundert.
Die einfachste Antwort wird die kürzeste sein - alles begann mit dem Urknall. Dies wird durch die Lösungen aller vernünftigen Modelle der Evolution des Universums belegt, die auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie aufgebaut sind. Wenn wir sie in der Zeit zurückblättern, werden wir unweigerlich den Moment erreichen, in dem die Dichte und Temperatur der Materie unendlich werden. Es muss auch als Ursprung genommen werden, als Nullzeitpunkt. Es ist unmöglich, Lösungen für den Bereich früherer Zeiten fortzusetzen: Mathematik erlaubt es nicht.
Der einzige Ausweg
Physiker mochten diese Situation nie. Seit sie gelernt haben, rigorose Weltmodelle zu berechnen, sind die Hoffnungen, Unendlichkeiten loszuwerden und sozusagen in die Vergangenheit des Urknalls zu schauen, nicht verschwunden. Aber alle Versuche, vernünftige Modelle des "anfangslosen", mit anderen Worten des ewigen Universums, zu finden, erwiesen sich als erfolglos. Dieser Zustand setzte sich fort, nachdem Anfang der 1980er Jahre Modelle der inflationären Expansion des frühen Universums entwickelt wurden, die nicht nur auf der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern auch auf der aus der Quantenfeldtheorie entlehnten falschen Vakuumhypothese beruhten.
Die Inflation ist eine superschnelle Expansion des Universums zu Beginn seiner Existenz. Es entsteht dadurch, dass sich das Vakuum zu diesem Zeitpunkt in einem Zustand mit einer sehr hohen positiven Energiedichte befindet, der seinen Minimalwert unermesslich überschreitet. Das Vakuum mit der niedrigsten Energiedichte heißt wahr, mit einem höheren - falsch. Jedes positive Vakuum wirkt als Anti-Schwerkraft, dh es vergrößert den Raum. Ein falsches Vakuum mit einer extrem hohen Energiedichte ist auch extrem instabil, es zerfällt schnell und seine Energie wird für die Bildung von Strahlung und Partikeln verwendet, die auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden. Dieser Vakuumzerfall wird Urknall genannt. Es hinterlässt einen gewöhnlichen Raum voller Gravitationsmaterie, die sich mäßig ausdehnt.
Es gibt jedoch ein Szenario, das die Sackgasse mathematischer Unendlichkeiten überwindet. Nach diesem Szenario entstand das Universum aus dem Nichts, genauer gesagt aus einem Zustand, in dem es weder Zeit noch Raum noch Materie im klassischen Sinne dieser Begriffe gibt. Auf den ersten Blick scheint diese Idee lächerlich - wie kann aus nichts etwas entstehen? Oder wie können Sie beim Übergang von Metaphern zur Physik die grundlegenden Naturschutzgesetze umgehen? Nehmen wir das Gesetz der Energieerhaltung an, das als absolut gilt. Die Energien von Materie und Strahlung sind immer positiv. Wie können sie also aus einem Zustand ohne Energie entstehen?
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Über die Vorteile der Isolation
Glücklicherweise ist diese Schwierigkeit vollständig lösbar - jedoch nicht für irgendwelche Universen, sondern nur für geschlossene. Es kann bewiesen werden, dass die Gesamtenergie eines geschlossenen Universums genau Null ist. Wie kann das sein, da das Universum mit Materie und Strahlung gefüllt ist? Es gibt jedoch auch die Energie der Schwerkraft, von der bekannt ist, dass sie negativ ist. Es stellt sich heraus, dass in einem geschlossenen Universum der positive Energiebeitrag von Partikeln und elektromagnetischen Feldern genau durch den gleich großen und entgegengesetzten Vorzeichenbeitrag des Gravitationsfeldes kompensiert wird, so dass die Gesamtenergie immer Null ist. Diese Schlussfolgerung gilt nicht nur für Energie, sondern auch für elektrische Ladung. In einem geschlossenen Universum wird jede positive Ladung notwendigerweise von derselben Ladung mit einem Minuszeichen begleitet, so dass sich die Gesamtsumme aller Ladungen wieder als Null herausstellt. Gleiches gilt für andere physikalische Größen, die strengen Erhaltungsgesetzen entsprechen.
Was folgt daraus? Wenn ein geschlossenes Universum aus absoluter Leere entsteht, sind alle konservierten Größen so wie sie waren und bleiben Null. Es stellt sich heraus, dass die grundlegenden Naturschutzgesetze eine solche Geburt überhaupt nicht verbieten. Denken wir nun daran, dass jeder quantenmechanische Prozess, der durch diese Gesetze nicht verboten ist, auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit stattfinden kann. Die Geburt eines geschlossenen Universums aus dem Nichts ist also grundsätzlich möglich. So unterscheidet sich die Quantenmechanik von der klassischen Mechanik, bei der die Leere an sich nichts erzeugen kann.
Zum Anfang der Zeit
Die Chancen einer spontanen Geburt verschiedener Universen nach diesem Szenario können berechnet werden: Die Physik verfügt hierfür über einen mathematischen Apparat. Es ist intuitiv offensichtlich, dass sie mit zunehmender Größe des Universums abnehmen, und die Gleichungen bestätigen dies: Liliputanische Universen entstehen eher als größere Universen. Gleichzeitig hängt die Größe des Universums mit den Eigenschaften des falschen Vakuums zusammen, das es füllt: Je höher die Dichte seiner Energie ist, desto kleiner ist das Universum. Die maximalen Chancen auf eine spontane Geburt werden also geschlossenen Mikrouniversen gegeben, die mit einem energiereichen Vakuum gefüllt sind.
Nehmen wir nun an, dass die Wahrscheinlichkeit zugunsten dieses Szenarios gewirkt hat und ein geschlossenes Universum aus dem Nichts geboren wurde. Das falsche Vakuum erzeugt eine negative Schwerkraft, die das neugeborene Universum eher dazu zwingt, sich auszudehnen als zusammenzuziehen. Infolgedessen wird sie sich vom ersten Moment an weiterentwickeln, der ihre spontane Geburt behebt. Wenn wir uns diesem Moment aus der Perspektive der Zukunft nähern, stoßen wir nicht auf Unendlichkeit. Aber die Frage, was vor diesem Moment passiert ist, macht keinen Sinn, da es seitdem weder Zeit noch Raum gab.
Muss einen Anfang haben
Vor einigen Jahren habe ich zusammen mit zwei Mitautoren einen Satz bewiesen, der in direktem Zusammenhang mit unserem Problem steht. Grob gesagt argumentiert sie, dass jedes Universum, das sich im Durchschnitt ausdehnt, einen Anfang hat. Klarstellung "im Durchschnitt" hat die Bedeutung, dass sich das Universum in einigen Stadien zusammenziehen kann, sich aber während seiner gesamten Existenz immer noch hauptsächlich ausdehnt. Und die Schlussfolgerung über die Existenz des Anfangs bedeutet, dass dieses Universum Geschichten hat, die, wenn sie in die Vergangenheit fortgesetzt werden, abbrechen und deren Weltlinien bestimmte Ausgangspunkte haben. Im Gegenteil, jedes Universum, das ewig existiert, kann solche Weltlinien nicht haben, alle seine Geschichten gehen kontinuierlich in eine unendliche Tiefe in die Vergangenheit zurück. Und da Universen, die als Ergebnis von Inflationsprozessen geboren werden, die Bedingungen des Satzes erfüllen,Sie müssen einen Anfang haben.
Sie können auch ein geschlossenes Universum mathematisch simulieren, das sich unendlich lange in einem statischen Zustand befand und dann zu expandieren begann. Es ist klar, dass unser Satz nicht auf ihn zutrifft, da die zeitlich gemittelte Expansionsrate Null ist. Ein solches Universum wird jedoch immer eine Chance haben, zusammenzubrechen: Dies wird von der Quantenmechanik gefordert. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenbruchs kann sehr gering sein, aber da sich das Universum für eine unendliche Zeit in einem statischen Zustand befindet, wird es sicherlich passieren, und ein solches Universum wird einfach nicht leben, um sich auszudehnen. Wir kommen also wieder zu dem Schluss, dass das expandierende Universum einen Anfang haben muss. Natürlich gilt es auch für unser eigenes Universum.
Alexander Vilenkin, Direktor des Instituts für Kosmologie an der Tufts University, Autor von The World of Many Worlds. Physiker auf der Suche nach anderen Universen “.
Interview: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
