KOSMOLOGIJA

Od Velikog praska do prazne budućnosti

Nešto – a ni iz čega?

Odakle potiče materijal koji je stvorio Veliki prasak, tj. šta se dogodilo da se stvori taj materijal? “Poslednja zvezda će se ohladiti i izbledeti. Svemir će ponovo postati praznina, bez svetla i života”, upozorio je svojevremeno fizičar Brajan Koks. Sve veća izbledelost poslednje zvezde samo je  početak beskrajno duge mračne epohe. Svu materiju će pojesti crne rupe, koje će potom ispariti u jedva primetnoj svetlosti. Prostor će nastaviti da se širi sve dok to tinjajuće slabašno svetlo ne postane nemoćno za bilo kakvu interakciju. Šta će se onda desiti? Neki kosmolozi veruju da će prethodni hladan, taman i  prazan svemir postati izvor još jednog Velikog praska.

Ako se, u pokušaju objašnjavanja, oslonimo na poreklo stabilne materije sačinjene od atoma ili molekula - toga  nije bilo ni u Velikom prasku ni u potonjim vremenima. Prvi atomi nastali su od jednostavnijih čestica, onda kada su uslovi omogućili da složena materija bude stabilna i kada su se ti atomi spojili u teže elemente unutar zvezda.
Prve dugovečne čestice bile su protoni i neutroni, koji zajedno čine atomsko jezgro. Oni su nastali u prvom trenu posle Velikog praska. Pre toga, nije bilo materijala u uobičajenom smislu te reči. Međutim, ako nastavimo da pratimo vremensku liniju unazad, do fizičkih procesa koji su prethodili stabilnoj materiji, to vodi u tzv. "veliku ujedinjenu epohu", gde smo u području spekulativne fizike pošto ne možemo da proizvedemo dovoljno energije da bismo ispitali procese koji su se događali u to vreme. Pretpostavka je da je fizički svet tada bio sastavljen od supe kratkoživućih elementarnih čestica, uključujući kvarkove, gradivne blokove protona i neutrona. Postojale su i materija i "antimaterija" u otprilike jednakim količinama, koje se uništavaju u sevanju energije kada se sretnu, što znači da su se neprekidno stvarale i uništavale.
Kako su nastale te čestice? Kvantna teorija polja govori da je i vakuum, koji navodno odgovara praznom prostoru-vremenu, pun fizičke aktivnosti u obliku fluktuacija energije. Ove fluktuacije mogu dovesti do iskakanja, odnosno stvaranja čestica koje potom ubrzo nestaju.

Plankova epoha

Prostorno-vremensko vakuumsko stanje puno je čestica koje se stalno stvaraju i uništavaju, naizgled ni iz čega. Ali da li ovo govori da je kvantni vakuum nešto a ne ništa?
Ako postavimo pitanje: odakle je nastao sam prostor-vrijeme, možemo da okrenemo sat dalje unazad, u Plankovu epohu - razdoblje toliko rano u istoriji svemira da ni naše najbolje teorije fizike u njemu ne funkcionišu. Ovo doba nastupilo je u neshavtljivo malom delu sekunde posle Velikog praska. Tada su prostor i vreme postali podložni kvantnim fluktuacijama. Fizičari obično odvojeno rade s kvantnom mehanikom, koja vlada mikro-svetom čestica, i s opštom relativnošću, koja se primenjuje u velikim, kosmičkim razmerima. A da bismo razumeli Plankovu epohu, potrebna je potpuna teorija kvantne gravitacije, koja spaja te dvije teorije.
Za sada, nema savršene teorije kvantne gravitacije, koliko god da postoje pokušaji da se ona formuliše (teorije struna i kvantne gravitacije petlji). U tim pokušajima, prostor i vreme obično se vide kao talasi na površini dubokog okeana. Ono što doživljavamo kao prostor i vreme proizvod je kvantnih procesa koji deluju na dubljem, mikroskopskom nivou - proces koji za nas kao stvorenja ukorenjena u makroskopskom svetu nemaju previše smisla.
U Plankovoj epohi naše uobičajeno razumevanje prostora i vremena se raspada pa ne možemo da se oslonimo na naše uobičajeno razumevanje uzroka i posledice. Uprkos tome, sve teorije kandidati za kvantnu gravitaciju opisuju nešto fizičko što se događalo u Plankovoj epohi – neku kvantnu preteču običnog prostora i vremena. Odakle to?
Čak i ako se u Plankovoj epohi kauzalnost ne primenjuje na uobičajeni način, još uvek je moguće objasniti jednu komponentu svemira toga vremena u terminima druge. Za sada, nema odgovora. Dok ne ostvarimo napredak prema “teoriji svega”, nećemo moći da damo nikakav konačan odgovor. Najviše što možemo da kažemo jeste da fizika do sada nije pronašla potvrđeni primer da nešto nastaje ni iz čega.

Ciklusi gotovo ni iz čega

Da bismo odgovorili na pitanje: kako nešto može nastati ni iz čega, morali bismo da objasnimo kvantno stanje svemira na početku Plankove epohe. Svi pokušaji da se to učini za sada su spekulativni. Neki od njih pozivaju se na natprirodne sile poput tvorca. Druga objašnjenja ostaju unutar područja fizike - poput multiverzuma koji sadrži beskonačan broj paralelnih svemira, ili cikličkih modela svemira koji se stalno ponovo rađaju.
Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2020. Rodžer Penrouz predložio je model za ciklički svemir nazvan "konformna ciklička kosmologija". Na to ga je uputila zanimljiva matematička veza između stanja vrlo vrućeg, gustog, malog svemira - kakav je bio u Velikom prasku - i stanja hladnog i praznog proširenog svemira - kakav će biti u dalekoj budućnosti. Njegova teorija objašnjava da ta stanja postaju matematički identična kada se dovedu do svojih krajnjih granica. Iako zvuči paradoksalno, potpuna odsutnost materije možda je proizvela svu materiju u svemiru?
Tako gledano, Veliki prasak nastaje gotovo ni iz čega. To je ono što je preostalo kada je sva materija svemira upala u crne rupe, koje su potom isparile u fotone izgubljene u praznini. Čitav svemir tako nastaje iz nečega što je - gledano iz druge fizičke perspektive - najbliže ničemu što se da zamisliti. Ali to ništa još uvek je neka vrsta nečega. To je fizički svemir, koliko god bio prazan.
Kako isto stanje može biti hladan, prazan svemir iz jedne perspektive i vrući gusti svemir iz druge? Penrouz je pokazao kako se hladno prazno stanje i vruće gusto stanje mogu povezati na način da se poklapaju s obzirom na oblike njihovog prostor-vremena, a ne s obzirom na njihove veličine. Doduše, teško je shvatiti kako dva objekta mogu biti identična kada imaju različite veličine - ali Penrouz tvrdi da veličina kao koncept gubi smisao u ekstremnim fizičkim okruženjima.
U cikličnoj kosmologiji, smer objašnjenja ide od starog i hladnog prema mladom i vrućem: vruće gusto stanje postoji zbog hladnog praznog stanja. U tako ekstremnim stanjima veličina nije jedino što prestaje da bude relevantno: to se zbiva i s vremenom. Hladno retko stanje i vruće gusto stanje se nalaze na različitim vremenskim linijama. Možda bismo mogli da kažemo da vruće gusto stanje proizlazi iz hladnog praznog stanja ili je utemeljeno u njemu, ili ga ostvaruje, što je metafizička ideja na krajnjim granicama naših poimanja?

Gde su dokazi?

Ciklička kosmologija nudi neke odgovore na pitanje odakle je došao Veliki prasak? Ali, ako Penrouzova vizija bude nekada potvrđena, opravdano je reći da još uvek ne nudi odgovor na dublje filozofsko pitanje: odakle dolazi fizička stvarnost? Zašto postoji nešto a ne ništa?
Postoje opcije za dublje pitanje kako su ciklusi počeli. To ne mora da ima fizičko objašnjenje. Ili bi mogli postojati ciklusi koji se neprestano ponavljaju, od kojih je svaki svemir za sebe, s početnim kvantnim stanjem svakog svemira objašnjenog nekim obeležjem svemira pre. Ili bi mogao postojati jedan jedini ciklus i jedan jedini svemir koji se ponavlja, s početkom tog ciklusa objašnjenim nekom činjenicom njegovog kraja.
Za Penrouza svaki ciklus uključuje nasumične kvantne događaje koji imaju različite ishode - što znači da će se svaki ciklus razlikovati od onih pre i onih posle njega. To bi možda omogućilo da nazremo stari svemir iz kojeg je nastao naš - kroz slabe tragove ili anomalije u ostatku zračenja Velikog praska.
Beskonačni novi ciklusi ključni su za Penrouzovu teoriju. Međutim, postoji način pretvaranja cikličke kosmologije iz višeciklusne u jednociklusnu formu. Tada se fizička stvarnost sastoji u kruženju koje se odvija od Velikog praska do potpuno praznog stanja u dalekoj budućnosti - i onda opet nazad do istog velikog praska, čime se isti svemir ponovo stvara.
Ova mogućnost u skladu je s drugom interpretacijom kvantne mehanike - interpretacijom mnogih svetova. Interpretacija mnogih svetova kaže da svaki put kada merimo sastav koji je u superpoziciji, to merenje ne bira neko nasumično stanje. Umesto toga, rezultat merenja koji vidimo samo je jedna mogućnost - ona koja se odigrava u našem svemiru. Svi drugi rezultati merenja odigravaju se u drugim svemirima u multiverzumu odvojenima od našeg. Znači, bez obzira na to koliko je mala šansa da se nešto dogodi, ako postoji šansa koja je različita od nule - taj se događaj zbiva u nekom paralelnom kvantnom svetu!
Ima naučnika koji veruju da se takvi paralelni svemiri mogu uočiti u kosmološkim podacima, kao svojevrsni otisci sudara drugih svemira s našim. Naš veliki prasak mogao bi biti ponovno rođenje jednog jedinog kvantnog multiverzuma, koji sadrži beskonačno mnogo različitih svemira koji se pojavljuju zajedno. Sve što se događa - događa se opet i ponovo.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"