ДА ЛИ ЈЕ ПОСТАО НИ ИЗ ЧЕГА

Kада научници тумаче да је свемир настао из великог праска, једно од питања које се често намеће јесте: А како је настао велики прасак? Ни из чега?

Ово питање поставио је један читатељ часописа Conversation, а одговор је покушао дати Аластер Вилсон, професор филозофије науке на Универзитету у Бирмингему. Чланак је настао у сарадњи овог магазина и BBC-ја у склопу серијала Велика животна питања (Life’s Big Questions). Питање и одговор преносимо у циелости.

Питање: Према мојем схватању, ништа не долази ни из чега. Да би нешто постојало, мора постојати доступан материјал или компонента, а да би они били доступни, мора бити доступно још нешто. Моје питање јесте: одакле је дошао материјал који је створио велики прасак и шта се прво догодило да се створи тај материјал? Питер, 80, Аустралија.

Одговор: „Последња звезда ће се полако охладити и избледети. С временом, свемир ће поновно постати празнина, без светла, живота или смисла.” Тако је упозорио физичар Брајан Кокс у недавној BBC-јевој серији Universe. Блеђење те посљедње звезде биће само почетак бескрајно дуге, мрачне епохе. Сву материју на крају ће појести монструозне црне рупе, које ће пак испарити у најблеђој светлости. Простор ће се заувек ширити све док чак и то слабашно светло не постане превише развучено за било какву интеракцију. Активности ће престати. Или можда неће? Зачудо, неки козмолози верују да је претходни, хладан, таман, празан свемир попут оног који лежи у нашој далекој будућности могао бити извор нашег властитог великог праска.

Прва твар

Но, пре него што дођемо до тога, погледајмо како је први пут настао „материјал”, односно физичка материја. Ако желимо обаснити порекло стабилне материје сачињене од атома или молекула, тога засигурно није било у великом праску – нити стотинама хиљада година након тога. Ми, заправо, прилично добро разумемо како су први атоми настали од једноставнијих честица након што су се услови довољно охладили да сложена материја буде стабилна и како су се ти атоми касније спојили у теже елементе унутар зезда. Но то разумевање не решава питање да ли је нешто настало ни из чега.

Стога треба размислити унатраг. Прве дуговечне честице твари било које врсте били су протони и неутрони, који заједно чине атомско језгро. Они су настали у првој десетохиљадинки секунде након великог праска. Пре тог тренутка стварно није било материјала у неком уобичајеном смислу те речи. Међутим, физика нам омогућује да наставимо пратити временску линију унатраг – до физичких процеса који су претходили било којој стабилној материји.

То нас води у такозвану „велику уједињену епоху”. Сада смо већ увелико у подручју спекулативне физике, јер у нашим експериментима не можемо произвести довољно енергије да испитамо процесе који су се догађали у то време. Но, вероватна хипотеза јесте да је физички свет тада био састављен од супе краткоживећих елементарних честица – укључујући кваркове, грађевне блокове протона и неутрона. Постојале су и материја и „антиматерија” у отприлике једнаким количинама: свака врста честице материје, као што је кварк, има „огледалску слику” у некој честици антиматерије, која је скоро идентична самој себи и разликује се само у једном аспекту. Међутим, материја и антиматерија уништавају се у бљеску енергије када се сретну, што значи да су се те честице непрестано стварале и уништавале.

Аластер Вилсон (Birmigham.ac.uk)

Но, како су уопште настале те честице? Kвантна теорија поља говори нам да је чак и вакуум, који наводно одговара празном простор-времену, пун физичке активности у облику флуктуација енергије. Ове флуктуације могу довести до искакања, односно стварања честица, које убрзо након тога нестају. Ово може звучати као математичка замисао, а не као права физика, но такве су честице уочене у небројеним експериментима.

Просторно-временско вакуумско стање кипи од честица које се непрестано стварају и уништавају, наизглед „ни из чега”. Можда нам све ово у бити говори да је квантни вакуум (упркос имену) нешто, а не ништа. Филозоф Дејвид Алберт незаборавно је критиковао извештаје о великом праску који нуде могућност да се у њему добија нешто ни из чега.

Претпоставимо да поставимо питање: одакле је настао сам простор-време? У том случају можемо наставити окретати сат још унатраг, у уистину древну Планкову епоху – раздобље толико рано у повести свемира да наше најбоље теорије физике у њему не функционишу. Ово доба наступило је приближно 10^-43 секунде након великог праска. У том тренутку, сам простор и време постали су подложни квантним флуктуацијама. Физичари обично одвојено баве квантном механиком, која влада микросветом честица, и с општом релативношћу, која се примењује у великим, космичким размерима. Но да бисмо истински разумјели Планкову епоху, потребна нам је потпуна теорија квантне гравитације, која спаја те две теорије.

Ми још немамо савршену теорију квантне гравитације, али постоје неки покушаји да се она формулише – попут теорије струна и квантне гравитације петљи. У тим покушајима, обичан простор и време обично се виде као надолазећи, попут таласа на површини дубоког океана. Оно што доживљавамо као простор и време производ је квантних процеса који делују на дубљој, микроскопској равни – процеса који за нас као створења укорењена у макроскопском свету немају превише смисла.

У Планковој епохи наше уобичајено разумевање простора и времена се распада, тако да се више не можемо ослонити ни на наше уобичајено разумевање узрока и последице. Упркос томе, све теорије кандидати за квантну гравитацију описују нешто физичко што се догађало у Планковој епохи – неку квантну претечу обичног простора и времена. Али одакле је то дошло?

Чак и ако се у Планковој епохи каузалност више не примењује на уобичајен начин, још би било могуће објаснити једну компоненту свемира тога времена у терминима друге. Нажалост, за сада чак ни најбоља физика којом располажемо никако не успева дати одговоре. Док не остваримо даљи напредак према „теорији свега”, нећемо моћи дати никакав коначан одговор. Највише што можемо с поверењем рећи у овој фази јесте да физика до сада није пронашла ниједан потврђени пример да нешто настаје ни из чега.

Циклуси готово ни из чега

Да бисмо истински одговорили на питање како нешто може настати ни из чега, морали бисмо објаснити квантно стање целог свемира на почетку Планкове епохе. Сви покушаји да се то учини за сада остају врло спекулативни. Неки од њих позивају се на натприродне силе попут творца. Но друга објашњења кандидата остају унутар подручја физике – попут мултиверзума, који садржи бесконачан број паралелних свемира, или цикличких модела свемира, који се рађају изнова и изнова.

Физичар, добитник Нобелове награде 2020. Роџер Пенроуз, предложио је интригантан, али контроверзан модел за циклични свемир назван „конформна циклична космологија”. Пенроуза је инспирисала занимљива математичка веза између стања врло врућег, густог, малог свемира – какав је био у великом праску – и стања изузетно хладног, празног, проширеног свемира – какав ће бити у далекој будућности. Његова радикална теорија која објашњава ову кореспонденцију јесте да та стања постају математички идентична када се доведу до својих крајњих граница. Иако се чини парадоксално, потпуна одсутност материје можда је успела произвести сву материју коју видимо око себе у нашем свемиру.

У тој перспективи, велики прасак настаје готово ни из чега. То је оно што је преостало када је сва материја у свемиру упала у црне рупе, које су потом испариле у фотоне – изгубљене у празнини. Цео свемир тако настаје из нечега што је – гледано из друге физичке перспективе – најближе ничему што је уопште могуће доћи. Али то ништа је још нека врста нечега. То је још физички свемир, колико год био празан.

Kако исто стање може бити хладан, празан свемир из једне перспективе и врућ густи свемир из друге? Одговор лежи у сложеном математичком поступку званом „конформално рескалирање”, што је геометријска трансформација којом се мења величина објекта, али његов облик остаје непромењен.

Роџер Пенроуз (NobelPrize.org)

Пенроуз је показао како се хладно празно стање и вруће густо стање могу повезати таквим скалирањем тако да се поклапају с обзиром на облике њиховог простор-времена, иако не и с обзиром на њихове величине. Додуше, тешко је схватити како два објекта могу бити идентична када имају различите величине – али Пенроуз тврди да величина као концепт престаје имати смисла у таквим екстремним физичким окружењима.

У конформалној цикличној космологији смер објашњења иде од старог и хладног према младом и врућем: вруће густо стање постоји због хладног празног стања. Али у овом случају „зато што” није оно уобичајено – узрока након којег у времену следи његова последица. У тим екстремним стањима величина није једино што престаје бити релевантно: то се збива и с временом. Хладно ретко стање и вруће густо стање заправо се налазе на различитим временским линијама. Хладно празно стање наставило би се заувек из перспективе посматрача у његовој временској геометрији, но вруће густо стање које ово прво ствара заправо настањује засебну, нову временску линију.

У овом контексту може помоћи ако схватимо да је вруће густо стање, на неки неузрочан начин настало из хладног празног стања. Можда би требало рећи да вруће густо стање произлази из хладног, празног стања или је утемељено у њему, или га остварује. То су изразито метафизичке идеје које су опширно истраживали филозофи науке, посебно у контексту квантне гравитације где се чини да се уобичајени узрок и последица распадају. На границама нашег знања, физику и филозофију је тешко одвојити.

Постоје ли експериментални докази?

Kонформална циклична космологија нуди неке детаљне, иако спекулативне, одговоре на питање одакле је дошао велики прасак у нашем свемиру. Али чак и ако Пенроузова визија буде потврђена будућим напретком космологије, било би оправдано рећи како то још не нуди одговор на дубље филозофско питање – питање о томе одакле долази сама физичка стварност. Kако је настао цео систем циклуса? Ту коначно завршавамо с чистим питањем зашто постоји нешто, а не ништа – што је једно од највећих питања метафизике.

Али наш фокус овде је на објашњењима која остају унутар подручја физике. Постоје три широке опције за дубље питање како су циклуси почели. То уопште не би морало имати физичко објашњење. Или би могли постојати циклуси који се непрестано понављају, од којих је сваки свемир за себе, с почетним квантним стањем сваког свемира објашњен неким обележјем свемира пре. Или би могао постојати један једини циклус, и један једини свемир који се понавља, с почетком тог циклуса објашњеним неком одликом његовог властитог краја. Последња два приступа избегавају потребу за било каквим неузрокованим догађајима – и то им даје особиту привлачност. Физика ништа не би оставила необјашњено.

Пенроуз предвиђа низ бесконачних нових циклуса из разлога који су делом повезани с његовим властитим преферисаним тумачењем квантне теорије. У квантној механици физички систем постоји у суперпозицији више различитих стања у исто време, и само када га меримо насумично „одабире једно”. За Пенроуза сваки циклус укључује насумичне квантне догађаје који имају различите исходе – што значи да ће се сваки циклус разликовати од оних пре и оних након њега. Ово је заправо добра вест за експерименталне физичаре, јер би нам могла омогућити да назремо стари свемир из којег је настао наш кроз слабе трагове или аномалије у остатку зрачења великог праска које је забележио Планков сателит.

Пенроуз и сарадници верују да су можда већ уочили те трагове, приписујући обрасце у Планковим подацима о зрачењу супермасивних црних рупа у претходном свемиру. Међутим, њихова запажања оспорили су други физичари, а коначног суда о томе и даље нема.

Kарта космичког микроталасног позадинског зрачења (ESA и Planck Collaboration)

Бесконачни нови циклуси кључни су за Пенроузову визију. Но, постоји природан начин претварања конформалне цикличне космологије из вишециклусне у једноциклусну форму. Тада се физичка стварност састоји у кружењу које се одвија од великог праска до максимално празног стања у далекој будућности – и онда опет назад до истог великог праска, чиме се исти свемир стално изнова ствара.

Ова потоња могућност у складу је с другом интерпретацијом квантне механике, названом интерпретација многих светова. Интерпретација многих светова каже да сваки пут када меримо систем који је у суперпозицији, то мерење не одабире неко насумично стање. Уместо тога, резултат мерења који видимо само је једна могућност – она која се одиграва у нашем свемиру. Сви други резултати мерења одигравају се у другим свемирима у мултиверзуму, одвојеним од нашег. Дакле, без обзира на то колико је мала шанса да се нешто догоди, ако постоји шанса која је различита од нуле, онда се тај догађај збива у неком паралелном квантном свету. Постоје људи попут вас у другим световима који су добили на лутрији или их је неки тајфун однео у облаке или су се спонтано самозапалили, или су се догодиле све три ствари истовремено.

Неки људи верују да би се такви паралелни свемири могли уочити у космолошким подацима, као својеврсни отисци узроковани сударима других свемира с нашим. Kвантна теорија многих светова представља нови заокрет у конформалној цикличној космологији, иако се не слаже с Пенроузовом. Наш велики прасак могао би бити поновно рођење једног јединог квантног мултиверзума, који садржи бесконачно много различитих свемира који се појављују заједно. Догађа се све могуће – онда се догађа опет и опет и опет.

Древни мит

За филозофе науке Пенроузова визија је фасцинантна. Она отвара нове могућности за објашњење великог праска, надилазећи наша објашњења изван домена уобичајених узрока и последица. Стога је она изврстан пробни случај за истраживање различитих начина на које физика може објаснити наш свет. Она заслужује више пажње филозофа.

За љубитеље митова Пенроузова визија је лепа. У његовом преферисаном тумачењу с више циклуса она предвиђа бескрајне нове светове рођене из пепела претходника. У тумачењу с једним цикличним кругом, она представља занимљиво савремено подсјћање на древну идеју о Уроборосу, односно светској змији. У нордијској митологији, змија Јормунгандр дете је паметног преваранта Локија и дивовске Ангрбоде. Јормунгандр једе свој властити реп, а тако створени круг одржава равнотежу света. Мит о Уроборосу документован је у целом свету – укључујући стари Египат.

Уроборос на Тутанкамоновој гробници. Djehuty/Wikimedia

Уроборос једног цикличког свемира доиста је величанствен. У свом трбуху садржи наш властити свемир, као и сваки од чудних и прекрасних алтернативних могућих свемира које допушта квантна физика – а на месту где му се глава сусреће с репом потпуно је празан, али такође кружи енергијом на температурама од сто хиљада милиона милијарди билиона Целзијусивих степени. Чак би и Локи, мењач облика, био импресиониран.

(Извор Индекс)