Bagaimana dan bagaimana alam semesta dimulai? Hampir semua agama, kepercayaan dan sekte menawarkan jawaban atas pertanyaan ini, setua dunia ini. Tetapi sains baru-baru ini menganggapnya serius - hanya di abad ke-20.
Jawaban yang paling sederhana akan menjadi yang terpendek - semuanya dimulai dengan Big Bang. Ini dibuktikan dengan solusi dari semua model yang masuk akal dari evolusi Alam Semesta, yang dibangun atas dasar teori relativitas umum. Jika kita menggulirkannya kembali ke masa lalu, kita pasti akan menemukan momen ketika massa jenis dan suhu materi menjadi tak terbatas. Itu juga harus diambil sebagai titik awal, titik waktu nol. Tidak mungkin melanjutkan solusi ke area waktu sebelumnya: matematika tidak memungkinkan.
Satu-satunya jalan keluar
Fisikawan tidak pernah menyukai situasi ini. Sejak mereka belajar menghitung model dunia dengan teliti, harapan untuk menyingkirkan ketidakterbatasan dan melihat, dengan kata lain, ke masa lalu Big Bang, belum hilang. Tetapi semua upaya untuk menemukan model yang masuk akal dari "tanpa awal", dengan kata lain, Alam Semesta yang kekal, ternyata tidak berhasil. Keadaan ini berlanjut setelah awal 1980-an mengembangkan model ekspansi inflasi dari alam semesta awal, yang tidak hanya didasarkan pada relativitas umum, tetapi juga pada hipotesis vakum palsu yang dipinjam dari teori medan kuantum.
Inflasi adalah perluasan alam semesta yang super cepat pada awal keberadaannya. Ini muncul karena fakta bahwa ruang hampa pada saat ini berada dalam keadaan dengan kerapatan energi positif yang sangat tinggi, melebihi nilai minimumnya yang tak terukur. Vakum dengan kerapatan energi terendah disebut benar, dengan yang lebih tinggi - salah. Setiap vakum positif bertindak sebagai anti-gravitasi, yaitu membuat ruang angkasa mengembang. Vakum palsu dengan kepadatan energi yang sangat tinggi juga sangat tidak stabil, ia cepat hancur, dan energinya dihabiskan untuk pembentukan radiasi dan partikel yang dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi. Peluruhan vakum inilah yang disebut Big Bang. Ia meninggalkan ruang biasa yang dipenuhi materi gravitasi, yang mengembang dengan kecepatan sedang.
Namun, ada satu skenario yang mengatasi jalan buntu dari ketidakterbatasan matematika. Menurut skenario ini, alam semesta muncul dari ketiadaan, lebih tepatnya, dari keadaan di mana tidak ada waktu, ruang, atau materi dalam pengertian klasik istilah-istilah ini. Sekilas, ide ini tampak konyol - bagaimana tidak ada yang bisa menimbulkan sesuatu? Atau, beralih dari metafora ke fisika, bagaimana Anda bisa menyiasati hukum kekekalan fundamental? Katakanlah hukum kekekalan energi, yang dianggap absolut. Energi materi dan radiasi selalu positif, jadi bagaimana mereka bisa muncul dari keadaan tanpa energi?
Video promosi:
Tentang manfaat isolasi
Untungnya, kesulitan ini dapat dipecahkan sepenuhnya - namun, tidak untuk alam semesta mana pun, tetapi hanya untuk alam semesta tertutup. Dapat dibuktikan bahwa energi total dari setiap alam semesta tertutup persis nol. Bagaimana ini bisa terjadi, karena alam semesta dipenuhi dengan materi dan radiasi? Namun, ada juga energi gravitasi yang dikenal negatif. Ternyata di alam semesta tertutup, kontribusi energi positif dari partikel dan medan elektromagnetik dikompensasikan dengan tepat dengan besaran yang sama dan berlawanan dalam kontribusi tanda dari medan gravitasi, sehingga energi total selalu nol. Kesimpulan ini tidak hanya berlaku untuk energi, tetapi juga untuk muatan listrik. Dalam alam semesta tertutup, setiap muatan positif harus disertai muatan yang sama dengan tanda minus, sehingga jumlah total semua muatan kembali menjadi nol. Hal yang sama dapat dikatakan tentang besaran fisik lainnya yang mematuhi hukum kekekalan yang ketat.
Apa selanjutnya dari ini? Jika alam semesta tertutup muncul dari kekosongan absolut, semua kuantitas yang dilestarikan adalah sebagaimana adanya dan tetap nol. Ternyata undang-undang konservasi yang mendasar sama sekali tidak melarang kelahiran seperti itu. Sekarang mari kita ingat bahwa setiap proses mekanika kuantum yang tidak dilarang oleh hukum ini dapat terjadi, bahkan dengan probabilitas yang sangat rendah. Jadi, lahirnya alam semesta tertutup dari ketiadaan pada prinsipnya dimungkinkan. Inilah perbedaan antara mekanika kuantum dengan mekanika klasik, di mana kekosongan itu sendiri tidak dapat menimbulkan apa pun.
Ke awal waktu
Peluang kelahiran spontan berbagai alam semesta menurut skenario ini dapat dihitung: fisika memiliki alat matematika untuk ini. Secara naluriah jelas bahwa mereka jatuh seiring bertambahnya ukuran alam semesta, dan persamaan menegaskan hal ini: Alam semesta Lilliput lebih mungkin muncul daripada alam semesta yang lebih besar. Pada saat yang sama, ukuran alam semesta dikaitkan dengan sifat-sifat false vacuum yang mengisinya: semakin tinggi kepadatan energinya, semakin kecil alam semesta. Jadi, kemungkinan maksimum kelahiran spontan diberikan pada mikro-alam semesta tertutup yang diisi dengan ruang hampa berenergi tinggi.
Sekarang katakanlah probabilitas bekerja untuk skenario ini dan alam semesta tertutup lahir dari ketiadaan. Vakum palsu menciptakan gravitasi negatif, yang memaksa alam semesta yang baru lahir mengembang, bukan berkontraksi. Akibatnya, dia akan berevolusi dari momen awal yang memperbaiki kelahiran spontannya. Saat mendekati momen ini dari perspektif masa depan, kita tidak mengalami ketidakterbatasan. Tetapi pertanyaan tentang apa yang terjadi sebelum momen ini tidak masuk akal, karena saat itu tidak ada waktu maupun ruang.
Harus dimulai
Beberapa tahun yang lalu, saya, bersama dengan dua rekan penulis, membuktikan teorema yang terkait langsung dengan masalah kita. Secara kasar, dia berpendapat bahwa setiap alam semesta yang mengembang secara rata-rata memiliki permulaan. Klarifikasi "rata-rata" memiliki arti bahwa pada beberapa tahap alam semesta dapat berkontraksi, tetapi sepanjang keberadaannya, sebagian besar masih mengembang. Dan kesimpulan tentang keberadaan permulaan berarti bahwa alam semesta ini memiliki cerita-cerita yang, ketika diteruskan ke masa lalu, putus, garis dunianya memiliki titik awal tertentu. Sebaliknya, alam semesta yang ada selamanya tidak dapat memiliki garis dunia seperti itu, semua ceritanya terus-menerus surut ke masa lalu hingga kedalaman yang tak terbatas. Dan karena alam semesta yang lahir sebagai hasil dari proses inflasi memenuhi kondisi teorema,mereka harus memiliki permulaan.
Anda juga dapat mensimulasikan secara matematis alam semesta tertutup yang berada dalam keadaan statis untuk waktu yang sangat lama, dan kemudian mulai berkembang. Jelas bahwa teorema kami tidak berlaku untuk itu, karena laju rata-rata waktu dari ekspansinya adalah nol. Namun, alam semesta seperti itu akan selalu berpeluang untuk runtuh: ini dibutuhkan oleh mekanika kuantum. Kemungkinan keruntuhan bisa sangat kecil, tetapi karena alam semesta berada dalam keadaan statis untuk waktu yang tidak terbatas, hal itu pasti akan terjadi, dan alam semesta semacam itu tidak akan bertahan untuk mengembang. Jadi, kita kembali sampai pada kesimpulan bahwa alam semesta yang mengembang pasti memiliki permulaan. Secara alami, itu juga berlaku untuk alam semesta kita sendiri.
Alexander Vilenkin, direktur Institute of Cosmology di Tufts University, penulis The World of Many Worlds. Fisikawan mencari alam semesta lain”.
Diwawancarai oleh: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
