KADA znanstvenici tumače da je svemir nastao iz velikog praska, jedno od pitanja koje se često nameće je: A kako je nastao veliki prasak? Ni iz čega?

Ovo pitanje postavio je jedan čitatelj časopisa Conversation, a odgovor je pokušao dati Alastair Wilson, profesor filozofije znanosti na sveučilištu u Birminghamu.

Članak je nastao u suradnji časopisa Conversation i BBC-ja u sklopu serijala Life’s Big Questions (Velika životna pitanja).

Pitanje i odgovor prenosimo u cijelosti.

PITANJE ČITATELJA:

Prema mojem shvaćanju, ništa ne dolazi ni iz čega. Da bi nešto postojalo, mora postojati dostupan materijal ili komponenta, a da bi oni bili dostupni, mora biti dostupno još nešto. Moje pitanje jest: odakle je došao materijal koji je stvorio veliki prasak i što se prvo dogodilo da se stvori taj materijal? Petar, 80, Australija.

ODGOVOR:

“Posljednja zvijezda će se polako ohladiti i izblijedjeti. S vremenom, svemir će ponovno postati praznina, bez svjetla, života ili smisla.” Tako je upozorio fizičar Brian Cox u nedavnoj BBC-jevoj seriji Universe. Blijeđenje te posljednje zvijezde bit će samo početak beskrajno duge, mračne epohe. Svu materiju na kraju će pojesti monstruozne crne rupe, koje će pak ispariti u najbljeđoj svjetlosti. Prostor će se zauvijek nastaviti širiti sve dok čak i to slabašno svjetlo ne postane previše razvučeno za bilo kakvu interakciju. Aktivnosti će prestati.

Ili možda neće? Začudo, neki kozmolozi vjeruju da je prethodni, hladan, taman, prazan svemir poput onog koji leži u našoj dalekoj budućnosti mogao biti izvor našeg vlastitog velikog praska.

Prva tvar

No, prije nego što dođemo do toga, pogledajmo kako je prvi put nastao "materijal", odnosno fizička materija. Ako želimo objasniti podrijetlo stabilne materije sačinjene od atoma ili molekula, toga zasigurno nije bilo u velikom prasku - niti stotinama tisuća godina nakon toga. Mi zapravo prilično dobro razumijemo kako su prvi atomi nastali od jednostavnijih čestica nakon što su se uvjeti dovoljno ohladili da složena materija bude stabilna i kako su se ti atomi kasnije spojili u teže elemente unutar zvijezda. No to razumijevanje ne rješava pitanje je li nešto nastalo ni iz čega.

Stoga trebamo razmisliti dalje unatrag. Prve dugovječne čestice tvari bilo koje vrste bili su protoni i neutroni, koji zajedno čine atomsku jezgru. Oni su nastali u prvoj deset tisućinki sekunde nakon velikog praska. Prije tog trenutka stvarno nije bilo materijala u nekom uobičajenom smislu te riječi. Međutim, fizika nam omogućuje da nastavimo pratiti vremensku liniju dalje unatrag - do fizičkih procesa koji su prethodili bilo kojoj stabilnoj materiji.

To nas vodi u takozvanu "veliku ujedinjenu epohu". Sada smo već uveliko u području spekulativne fizike, jer u našim eksperimentima ne možemo proizvesti dovoljno energije da ispitamo procese koji su se događali u to vrijeme. No, vjerojatna je hipoteza da je fizički svijet tada bio sastavljen od juhe kratkoživućih elementarnih čestica – uključujući kvarkove, građevne blokove protona i neutrona. Postojale su i materija i "antimaterija" u otprilike jednakim količinama: svaka vrsta čestice materije, kao što je kvark, ima "zrcalnu sliku" u nekoj čestici antimaterije, koja je skoro identična samoj sebi i razlikuje se samo u jednom aspektu. Međutim, materija i antimaterija uništavaju se u bljesku energije kada se sretnu, što znači da su se te čestice neprestano stvarale i uništavale.

No, kako su uopće nastale te čestice? Kvantna teorija polja govori nam da je čak 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 ubrzo nakon toga nestaju. Ovo može zvučati kao matematička zamisao, a ne kao prava fizika, no takve su čestice uočene u nebrojenim eksperimentima.

Prostorno-vremensko vakuumsko stanje kipi od čestica koje se neprestano stvaraju i uništavaju, naizgled "ni iz čega". No možda nam sve ovo u biti govori da je kvantni vakuum (unatoč imenu) nešto, a ne ništa. Filozof David Albert nezaboravno je kritizirao izvještaje o velikom prasku koji nude mogućnost da se u njemu dobiva nešto ni iz čega.

Pretpostavimo da postavimo pitanje: odakle je nastao sam prostor-vrijeme? U tom slučaju možemo nastaviti okretati sat još dalje unatrag, u uistinu drevnu Planckovu epohu - razdoblje toliko rano u povijesti svemira da naše najbolje teorije fizike u njemu ne funkcioniraju. Ovo doba nastupilo je samo deset milijuna bilijuntinki, bilijuntinki bilijuntinke sekunde nakon velikog praska. U tom trenutku, sam prostor i vrijeme postali su podložni kvantnim fluktuacijama. Fizičari obično odvojeno rade s kvantnom mehanikom, koja vlada mikrosvijetom čestica, i s općom relativnošću, koja se primjenjuje u velikim, kozmičkim razmjerima. No da bismo istinski razumjeli Planckovu epohu, potrebna nam je potpuna teorija kvantne gravitacije, koja spaja te dvije teorije.

Mi još uvijek nemamo savršenu teoriju kvantne gravitacije, ali postoje neki pokušaji da se ona formulira - poput teorije struna i kvantne gravitacije petlji. U tim pokušajima, običan prostor i vrijeme obično se vide kao emergentni, poput valova na površini dubokog oceana. Ono što doživljavamo kao prostor i vrijeme proizvod je kvantnih procesa koji djeluju na dubljoj, mikroskopskoj razini – procesa koji za nas kao stvorenja ukorijenjena u makroskopskom svijetu nemaju previše smisla.

U Planckovoj epohi naše uobičajeno razumijevanje prostora i vremena se raspada, tako da se više ne možemo osloniti ni na naše uobičajeno razumijevanje uzroka i posljedice. Unatoč tome, sve teorije kandidati za kvantnu gravitaciju opisuju nešto fizičko što se događalo u Planckovoj epohi – neku kvantnu preteču običnog prostora i vremena. Ali odakle je to došlo?

Čak i ako se u Planckovoj epohi kauzalnost više ne primjenjuje na uobičajen način, još uvijek bi bilo moguće objasniti jednu komponentu svemira toga vremena u terminima druge. Nažalost, za sada čak ni najbolja fizika kojom raspolažemo nikako ne uspijeva dati odgovore. Dok ne ostvarimo daljnji napredak prema “teoriji svega”, nećemo moći dati nikakav konačan odgovor. Najviše što možemo s povjerenjem reći u ovoj fazi jest da fizika do sada nije pronašla nijedan potvrđeni primjer da nešto nastaje ni iz čega.

Ciklusi gotovo ni iz čega

Da bismo istinski odgovorili na pitanje kako nešto može nastati ni iz čega, morali bismo objasniti kvantno stanje cijelog svemira na početku Planckove epohe. Svi pokušaji da se to učini za sada ostaju vrlo spekulativni. Neki od njih pozivaju se na natprirodne sile poput tvorca. No druga objašnjenja kandidata ostaju unutar područja fizike - poput multiverzuma, koji sadrži beskonačan broj paralelnih svemira, ili cikličkih modela svemira, koji se rađaju iznova i iznova.

Fizičar, dobitnik Nobelove nagrade 2020. Roger Penrose, predložio je jedan intrigantan, ali kontroverzan model za ciklički svemir nazvan "konformna ciklička kozmologija". Penrosea je inspirirala zanimljiva matematička veza između stanja vrlo vrućeg, gustog, malog svemira - kakav je bio u velikom prasku - i stanja iznimno hladnog, praznog, proširenog svemira - kakav će biti u dalekoj budućnosti. Njegova radikalna teorija koja objašnjava ovu korespondenciju je da ta stanja postaju matematički identična kada se dovedu do svojih krajnjih granica. Iako se čini paradoksalno, potpuna odsutnost materije možda je uspjela proizvesti svu materiju koju vidimo oko sebe u našem svemiru.

U toj perspektivi, veliki prasak nastaje gotovo ni iz čega. To je ono što je preostalo kada je sva materija u svemiru 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 je uopće moguće doći. Ali to ništa je još uvijek neka vrsta nečega. To je još uvijek fizički svemir, koliko god bio prazan.

Kako isto stanje može biti hladan, prazan svemir iz jedne perspektive i vrući gusti svemir iz druge? Odgovor leži u složenom matematičkom postupku zvanom "konformalno reskaliranje", što je geometrijska transformacija kojom se mijenja veličina objekta, ali njegov oblik ostaje nepromijenjen.

Penrose je pokazao kako se hladno prazno stanje i vruće gusto stanje mogu povezati takvim skaliranjem tako da se poklapaju s obzirom na oblike njihovog prostor-vremena, iako ne i s obzirom na njihove veličine. Doduše, teško je shvatiti kako dva objekta mogu biti identična kada imaju različite veličine - ali Penrose tvrdi da veličina kao koncept prestaje imati smisla u takvim ekstremnim fizičkim okruženjima.

U konformalnoj cikličnoj kozmologiji smjer objašnjenja ide od starog i hladnog prema mladom i vrućem: vruće gusto stanje postoji zbog hladnog praznog stanja. Ali u ovom slučaju “zato što” nije ono uobičajeno – uzroka nakon kojeg u vremenu slijedi njegova posljedica. U tim ekstremnim stanjima veličina nije jedino što prestaje biti relevantno: to se zbiva i s vremenom. Hladno rijetko stanje i vruće gusto stanje zapravo se nalaze na različitim vremenskim linijama. Hladno prazno stanje nastavilo bi se zauvijek iz perspektive promatrača u njegovoj vremenskoj geometriji, no vruće gusto stanje koje ovo prvo stvara zapravo nastanjuje zasebnu, novu vremensku liniju.

U ovom kontekstu može pomoći ako shvatimo da je vruće gusto stanje, na neki ne-uzročan način nastalo iz hladnog praznog stanja. Možda bismo trebali reći da vruće gusto stanje proizlazi iz hladnog, praznog stanja ili je utemeljeno u njemu, ili ga ostvaruje. To su izrazito metafizičke ideje koje su opširno istraživali filozofi znanosti, posebno u kontekstu kvantne gravitacije gdje se čini da se uobičajeni uzrok i posljedica raspadaju. Na granicama našeg znanja, fiziku i filozofiju je teško odvojiti.

Postoje li eksperimentalni dokazi?

Konformalna ciklička kozmologija nudi neke detaljne, iako spekulativne, odgovore na pitanje odakle je došao veliki prasak u našem svemiru. Ali čak i ako Penroseova vizija bude potvrđena budućim napretkom kozmologije, bilo bi opravdano reći kako to još uvijek ne nudi odgovor na dublje filozofsko pitanje - pitanje o tome odakle dolazi sama fizička stvarnost. Kako je nastao cijeli sustav ciklusa? Tu konačno završavamo s čistim pitanjem zašto postoji nešto, a ne ništa – što je jedno od najvećih pitanja metafizike.

Ali naš fokus ovdje je na objašnjenjima koja ostaju unutar područja fizike. Postoje tri široke opcije za dublje pitanje kako su ciklusi počeli. To uopće ne bi moralo imati fizičko objašnjenje. Ili bi mogli postojati ciklusi koji se neprestano ponavljaju, od kojih je svaki svemir za sebe, s početnim kvantnim stanjem svakog svemira objašnjen nekim obilježjem svemira prije. Ili bi mogao postojati jedan jedini ciklus, i jedan jedini svemir koji se ponavlja, s početkom tog ciklusa objašnjenim nekom značajkom njegovog vlastitog kraja. Posljednja dva pristupa izbjegavaju potrebu za bilo kakvim neuzrokovanim događajima - i to im daje osobitu privlačnost. Fizika ništa ne bi ostavila neobjašnjeno.

Penrose predviđa niz beskonačnih novih ciklusa iz razloga koji su dijelom povezani s njegovim vlastitim preferiranim tumačenjem kvantne teorije. U kvantnoj mehanici fizički sustav postoji u superpoziciji više različitih stanja u isto vrijeme, i samo kada ga mjerimo nasumično "odabire jedno". Za Penrosea svaki ciklus uključuje nasumične kvantne događaje koji imaju različite ishode - što znači da će se svaki ciklus razlikovati od onih prije i onih nakon njega. Ovo je zapravo dobra vijest za eksperimentalne fizičare, jer bi nam mogla omogućiti da nazremo stari svemir iz kojeg je nastao naš kroz slabe tragove ili anomalije u ostatku zračenja velikog praska koje je zabilježio Planckov satelit.

Penrose i njegovi suradnici vjeruju da su možda već uočili te tragove, pripisujući obrasce u Planckovim podacima o zračenju supermasivnih crnih rupa u prethodnom svemiru. Međutim, njihova zapažanja osporili su drugi fizičari, a konačnog suda o tome i dalje nema.

Dolje: Karta kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.

Karta kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. ESA i Planck Collaboration

Beskonačni novi ciklusi ključni su za Penroseovu viziju. No, postoji prirodan način pretvaranja konformalne cikličke kozmologije iz višeciklusne u jednociklusnu formu. Tada se fizička stvarnost sastoji u jednom kruženju koje se odvija od velikog praska do maksimalno praznog stanja u dalekoj budućnosti - i onda opet nazad do istog velikog praska, čime se isti svemir stalno iznova stvara.

Ova potonja mogućnost u skladu je s drugom interpretacijom kvantne mehanike, nazvanom interpretacija mnogih svjetova. Interpretacija mnogih svjetova kaže da svaki put kada mjerimo sustav koji je u superpoziciji, to mjerenje ne odabire neko nasumično stanje. Umjesto toga, rezultat mjerenja koji vidimo samo je jedna mogućnost - ona koja se odigrava u našem svemiru. Svi drugi rezultati mjerenja odigravaju se u drugim svemirima u multiverzumu, odvojenima od našeg. Dakle, bez obzira na to koliko je mala šansa da se nešto dogodi, ako postoji šansa koja je različita od nule, onda se taj događaj zbiva u nekom paralelnom kvantnom svijetu. Postoje ljudi poput vas u drugim svjetovima koji su dobili na lutriji ili ih je neki tajfun odnio u oblake ili su se spontano samozapalili, ili su se dogodile sve tri stvari istovremeno.

Neki ljudi vjeruju da bi se takvi paralelni svemiri mogli uočiti u kozmološkim podacima, kao svojevrsni otisci uzrokovani sudarima drugih svemira s našim.

Kvantna teorija mnogih svjetova predstavlja novi zaokret u konformalnoj cikličkoj kozmologiji, iako se ne slaže s Penroseovom. Naš veliki prasak mogao bi biti ponovno rođenje jednog jedinog kvantnog multiverzuma, koji sadrži beskonačno mnogo različitih svemira koji se pojavljuju zajedno. Događa se sve moguće – onda se događa opet i opet i opet.

Drevni mit

Za filozofe znanosti Penroseova vizija je fascinantna. Ona otvara nove mogućnosti za objašnjenje velikog praska, nadilazeći naša objašnjenja izvan domene uobičajenih uzroka i posljedica. Stoga je ona izvrstan probni slučaj za istraživanje različitih načina na koje fizika može objasniti naš svijet. Ona zaslužuje više pažnje filozofa.

Za ljubitelje mitova Penroseova vizija je lijepa. U Penroseovom preferiranom tumačenju s više ciklusa ona predviđa beskrajne nove svjetove rođene iz pepela njihovih prethodnika. U tumačenju s jednim cikličkim krugom, ona predstavlja zanimljivo suvremeno podsjećanje na drevnu ideju o Ouroborosu, odnosno svjetskoj zmiji. U nordijskoj mitologiji, zmija Jörmungandr dijete je pametnog prevaranta Lokija i divovske Angrbode. Jörmungandr jede svoj vlastiti rep, a tako stvoreni krug održava ravnotežu svijeta. Mit o Ouroborosu dokumentiran je u cijelom svijetu - uključujući i stari Egipat.

Dolje: Slika kamenog Ouroborosa uklesanog na Tutankamonovoj grobnici

Ouroboros na Tutankamonovoj grobnici. Djehuty / Wikimedia

Ouroboros jednog cikličkog svemira doista je veličanstven. U svom trbuhu sadrži naš vlastiti svemir, kao i svaki od čudnih i prekrasnih alternativnih mogućih svemira koje dopušta kvantna fizika - a na mjestu gdje mu se glava susreće s repom, potpuno je prazan, ali također kruži energijom na temperaturama od sto tisuća milijuna milijardi bilijuna Celzijevih stupnjeva. Čak bi i Loki, mjenjač oblika, bio impresioniran.

Izvorni članak može se pročitati na ovoj poveznici.