O svemiru, uglavnom, razmišljamo kao o beskonačnom i vječnom prostoru. Ako se ikad o njemu i pitamo, podrazumijevamo da je postojao oduvijek i da će trajati zauvijek. Ipak, postoje znanstvenici koji o tome razmišljaju profesionalno, u okviru svoje znanstvene misije. Katie Mack, docentica na Državnom sveučilištu Sjeverne Karoline, bavi se proučavanjem fizike svemira pa su njegov početak i kraj važne teme njenog znanstvenog istraživanja, jer upravo na tim rubnim područjima ponašanje materije i energije izlazi iz okvira poznatog, a često i izvan intuitivnog.
Najprije, uobičajena ideja da je prošlost zauvijek nestala te da je od nje ostalo samo sjećanje, u kontekstu svemirskih prostranstava naprosto nije točna jer gledanje u daljinu je, zapravo, gledanje u prošlost. Uspijemo li uočiti događaj na suncu, taj je događaj direktan prijenos prošlosti jer svjetlosti treba 8 minuta da bi dosegla zemlju. Odnosno, to što vidimo sada, dešavalo se osam minuta ranije. Jakim, modernim teleskopima možemo uočiti mnogo dalje od sunca pa izravno pratiti događaje u ranom svemiru.
Zapravo, u stanju smo vidjeti u prošlost gotovo do samih njenih početaka. Zvuči nevjerojatno, ali je činjenica da možemo pratiti direktni prijenos rođenja svemira. Prema široko prihvaćenoj teoriji, naime, svemir je nastao velikim praskom (big bang) prije gotovo četrnaest milijardi godina (13,7) te se u djeliću sekunde iz singulariteta – područja velike energetske gustoće – inflatornim procesom naglo i vrlo značajno proširio, a onda se nastavio širiti ali znatno sporije. U procesu nakon inflatornog širenja, kao ostatak procesa razvoja ranog svemira, negdje oko 380.000 godina nakon velikog praska, uspostavljena je pozadinska elektromagnetska radijacija, odnosno CMB – Cosmic Background Radiation, koja se od tada širi s ekspanzijom svemira i možemo ju pronaći svugdje, u cijelom njegovom prostranstvu.
Promatrajući i mjereći pozadinsku elektromagnetsku radijaciju, analizirajući u stvarnom vremenu njenu gustoću i energetske oscilacije, možemo uočiti konfiguraciju svemira u trenutku bliskom njegovom nastanku. Znanstvenici su primjenjujući poznate fizikalne zakone na energetske nabore u pozadinskom zračenju uspjeli simulirati proces grupiranja i distribucije materije u oblike približne današnjem rasporedu galaksija pa se znanstvene teorije o fizici širenja svemira mogu usporediti s današnjom kozmičkom konfiguracijom i time provjeriti. Iako su to ohrabrujuća istraživanja, mnogo je ozbiljnih nepoznanica u znanosti o svemiru i one su značajna prepreka punom razumijevanju nastanka i razvoja, pa tako i o njegovom kraju. Odnosno, znanstvene činjenice nedvosmisleno sugeriraju da promjene u svemiru imaju svoju fizikalnu pozadinu te da se odvijaju u skladu sa zakonima koje tek djelomično razumijemo.
Ono što ne razumijemo pokušavamo shvatiti predlaganjem teorija koje znanstvenici provjeravaju pa potvrđuju ili odbacuju. Tako je teorija velikog praska i širenja svemira, kao i posljedičnog razmicanja nebeskih tijela te znanstveno priznatog gravitacijskog utjecaja – intuitivno upućivala na znanstvenu pretpostavku da će se u budućnosti energija širenja i gravitacijske sile između nebeskih tijela uravnotežiti pa će se širenje zaustaviti, nakon čega će se svemir pod utjecajem jačanja gravitacijskog utjecaja početi sažimati do točke singulariteta i njegovog konačnog sažimanja i uništenja (veliko sažimanje).
Dodatno, kako nitko ne poznaje fiziku singulariteta i ne može se znati što je prethodilo velikom prasku, ne može se znati niti što bi moglo uslijediti nakon velikog sažimanja. Još kompliciranije, to je trenutak u kojem ne postoji prije i poslije, jer ne postoji entropija pa tako niti “strijela” vremena. Radi se okolnostima koju naša znanost ne razumije, i jedino što može je pretpostavljati i nagađati. Jedna od takvih pretpostavki je da se radi o cikličnom procesu koji izmjenjuje veliki prasak s velikom sažimanjem, bez gubitaka pa se ponavlja zauvijek.
Iako veliko sažimanje ima logički temelj i djeluje prihvatljivo, ono je znanstveno odbačeno. Odnosno, vjerojatnost takvog svemirskog uništenja je izrazito mala. Glavni razlog odbacivanju ideje ponovnog sažimanja su promatranja zvjezdanih termonuklearnih eksplozija radi izračuna pretpostavljenog usporavanja svemirskog širenja. Takva mjerenja se provode na temelju analize promjene svjetlosnog spektra (standard candle method) koji emitiraju standardna nebeska tijela (supernova Type IA ) prilikom termonuklearne eksplozije. Na čuđenje znanstvenika, izračuni su pokazali da se širenje svemira ne usporava, nego upravo suprotno – ubrzava.
Ovo saznanje je ponovo u teoriju vratilo odbačenu Einsteinovu kozmološku konstantu, kojom je on pokušao neutralizirati utjecaj gravitacije, ali ju je odbacio nakon što se ispostavilo da se svemir širi – misleći da je širenje rezultat inicijalne eksplozije, koje će se s vremenom usporiti, zaustaviti te dopustiti svemirsko sažimanje. Sada, uz nova saznanja o ubrzavanju širenja svemira, ponovo je trebalo uvesti veličinu koja bi takvo širenje trajno opravdala. Zbog toga su znanstvenici ovu pojavu pokušali objasnili unutrašnjim svojstvom svemira – takozvanom energijom praznine (vacuum energy). No, teoretske vrijednosti energije praznine,na temelju kvantnih izračuna, u odnosu na vrijednosti dobivene na temelju brzine širenja svemira odstupaju 120 redova veličina. To znači da ideja energije praznine poznata u kvantnoj fizici nije temelj širenja svemira. Zbog toga se taj proces pripisuje novoj veličini, tamnoj energiji – za koju još nema objašnjenja, osim da je ravnomjerno rasprostranjena svemirom. Promatranja i izračuni pokazuju da je ubrzano širenje svemira započelo prije oko pet milijardi godina i od tada ubrzava.
Posljedica ubrzavanja svemirskog širenja je udaljavanje horizonta vidljivosti, koji bi da ubrzanog širenja nema, bio na udaljenosti nešto manjoj od četrnaest milijardi svjetlosnih godina (13,7 miijardi) – na koliko se procjenjuje starost svemira. No, zbog ubrzanog širenja, horizont vidljivosti se procjenjuje na oko šetrdeset pet milijardi svjetlosnih godina. Drugačije rečeno – u manje od četrnaest milijardi godina svemir se raširio na četrdeset pet milijardi svjetlosnih godina, što znači da širenje svemira nije ograničeno brzinom svjetlosti, nego se on širi brže. Upravo to širenje je temelj ideje toplinske smrti – propasti svemira zbog razilaženja galaksija i nebeskih tijela, što vodi prema praznom svemiru, kompletnom hlađenju. Ta situacija se može opisati maksimalnom entropijom, u kojem nema kretanja, a može se očekivati za vrlo dalekih deset na tisuću godina (10 exp 1000).
Ipak, kad se govori o entropiji, treba uzeti u obzir njenu statističku prirodu te činjenicu da se ta statistika odvija u vremenu koje teži beskonačnosti, te okolnosti nas uvode u područje neintuitivnih, gotovo čudnih pretpostavki. Na primjer, čak i u okolnostima termalne smrti u kojima je entropija dosegla maksimum, čekajući dovoljno dugo – statistički je malo vjerojatan ali moguć nastanak područja minimalne entropije, s potencijalom za novi veliki prasak, odnosno novu ekspanziju svemira.
Veliko širenje kao posljedicu, osim toplinske smrti, može imati drugačiji, razarajući oblik uništenja. Tamna energija, naime, za sada nema znanstveno objašnjenje pa su moguće različite pretpostavke o njenom ponašanju u budućnosti. Benigna pretpostavka je da je tamna materija određeno svojstvo svemirskog prostora te da njena gustoća ostaje razmjerna širenju svemira. Drugim riječima, pritisak koji stvara tamna energija na materiju koju okružuje je konstantan. Parametar kojim se iskazuje kozmološka jednadžba stanja (Equation of state), odnosno omjer pritiska i gustoće tamne energije je “w” i za sada ima vrijednost -1. To znači da je gustoća tamne energije i pritisak jednake vrijednosti, ali suprotnog predznaka, odnosno uz postojeću gustoću tamne energije svemir se širi ovako kako to danas možemo mjeriti. Kad bi, iz nekog razloga, ta vrijednost bila manja od -1, na primjer -1.5 ili -2, svemir bi se širio energičnije, a to znači da bi energija širenja bila veća od sila koje materiju drže na okupu pa bi, osim širenja, došlo do pucanja, najprije gravitacijskih veza između nebeskih tijela, a onda i do pucanja veza na atomskoj i subatomskoj razini što bi vodilo do velikog raspada materije .
Tajna tamne energije tek treba biti otkrivena pa nagađanja o njenom ponašanju u budućnosti – odnosno rastu pritiska na materiju koji će dovesti do njenog raspada, što bi prema nekim kalkulacijama moglo nastupiti za 200 milijardi godina, za sada nemaju znanstveno uporište.
Za razliku od velikog raspada, uništenje svemira zbog promjene razine energije vakuuma (vacuum decay) je znanstveno utemeljenija i, barem po mojem mišljenju, strašnija mogućnost. U vrijeme potrage za Higgs bozonom u vrijeme intenzivnih eksperimenata korištenjem “velikog sudarača” čestica u CERN-u, neki znanstvenici su upozoravali upravo na takav apokaliptični ishod. Srećom, uvjeravali su drugi, u prirodi se stalno dešavaju mnogo žešća sudaranja pa nije došlo do promjene razine energije praznog prostora, niti do uništenja svemira i, zbog toga, ne treba očekivati da mi ga mi mogli umjetno prouzročiti.
Uglavnom, radi se o tome da Higgsov bozon i Higgsovo polje određuju način interakcije između čestica materija, određujući im masu i naboj. Naboj i masa čestica ovise o karakteristici Higgsovog polja, a ono je u lažno stabilnom stanju. Znanstvenici to stanje nazivaju lažno stabilnim jer je stabilno sada, ali ne nužno zauvijek. Karakteristike Higgsovog polja se, teoretski, mogu promijeniti i znatnim energetskim udarom prebaciti preko energetske barijere koja ga dijeli od niže, stvarne stabilne vrijednosti. Takva promjena bi istoga trenutka promijenila vrijednosti sila koje elementarne čestice svemira kojeg poznajem drže na okupu i nastupio bi raspad materije koji bi se iz jezgre promjene širio prema obodima brzinom svjetlosti (mjehur kvantne smrti).
Ako u tome ima nešto dobro, onda je to činjenica da tu promjenu, koja putuje brzinom svjetlosti, ne bi stigli uočiti jer bi se dezintegrirali istovremeno s dolaskom informacije o tome.
Postoje različite teorije o vjerojatnosti takvog događaja. S jedne strane povijest svemira koji poznajemo pokazuje da se u gotovo četrnaest milijardi godina do sada nisu dešavali energetski udari koji bi promijenili fiziku svemira pa je vjerojatnost da će se desiti u budućnosti relativno mala. Ipak, radi se promjeni na kvantnoj razini gdje se premještanje čestica s jedne energetske razine, na drugu razinu može desiti kvantnim udarom, ali i tuneliranjem. U slučaju tuneliranja dolazi do prolaska elementarnih čestica izravnog kroz energetsku barijeru. Takav događaj je moguć, ograničen samo statistički – vjerojatnošću da će se dogoditi. Srećom, znanstvenici su izračunali da je vjerojatnost tuneliranja kojim bi Higgsov bozon prešao na nižu energetsku razinu i stvorio novu vrijednost Higgsovog polja, izuzetno niska i takav događaj se može očekivati za 10 na 100-tu godina.
Fizika na svojim krajnjim granicama, kako na subatomskoj, tako i na razini velikih gravitacijskih sila u području crnih rupa pokazuje značajna odstupanja od ponašanja koje razumijemo. Na tim razinama su eksperimenti sve teži, često i nemogući, a matematički modeli postaju sve neintuitivniji. Posebno komplicirana situacija je s gravitacijom koja se i djelovanjem, a tu se misli izravan utjecaj na geometriju prostora, ali i matematičkom interpretacijom opisuje drugačije nego ostale fizikalne veličine koje oblikuju svijet koji poznajemo. Zbog toga se gravitacija ne može jednostavno uklopiti u teoriju svega, koja bi konzistentno objedinila znanje o fizikalnom djelovanju od najmanjih do najvećih čestica i energija. U nastojanju da se gravitacija uvrsti u ujedinjeni standardni model, razvila se ideja o višedimenzionalnom prostoru unutar kojeg je, barem matematički, moguće opisati sve postojeće fizikalne veličine i svako do sada uočeno ponašanje.
U skladu s idejom višedimenzionalnog prostora, a zbog kritika ideje velikog praska i njegovog nastanka u singularitetu te, prema mišljenju nekih znanstvenika, umjetno konstruiranim inflatornim procesom, ponuđena je ideja cikličkog ekpirotskog svemira (ekpyrotic).
Prema toj teoriji, koja je predstavljena nedavno, ekspanzija prostora je rezultat sudara dvaju svemira iz različitih dimenzija nakon koje se širenje nastavlja na način sličan onome koji u standardnoj interpretaciji slijedi nakon inflatornog širenja.
Iako ova teorija zvuči nevjerojatno i graniči s fantastikom, njena glavna prednost je izbjegavanje inflatornog procesa koji sa sobom nosi ideju multiverzuma – odnosno različitih dijelova svemira koji nastaju u inflatornom procesu i imaju fizikalne veličine potpuno različitih vrijednosti – odnosno radi se o dijelovima svemira koji su izvan horizonta svjetlosnog dosega i imaju potpuno drugačije fizikalno ponašanje. Takva ideja je nepopularna među znanstvenicima jer naš svemir tretira kao slučajnost u kojem su fizikalne veličine poprimile upravo ove vrijednosti i ne postoji znanstveni temelj njihove uspostave.
Ekpirotski svemir je u temelju ideje cikličke kozmologije koja opisuje veliki prasak kao posljedicu ranijeg postojanja svjetova u paralelnim dimenzijama koji se privlače do sudara, nakon kojeg nastupa uništenje, a onda i novi nastanak te ponovno širenje u beskonačnom cikličkom ponavljanju.
Scenariji svemirske budućnosti navedeni u knjizi su znanstveno utemeljeni, ali niti jedan nije konačan. Očito je da znanost nema sve nužne informacije na temelju kojih bi se mogao dati konačni sud o ispravnosti bilo koje od njih. Još uvijek smo u ranoj fazi istraživanja koja se tiču rubnih fizikalnih područja.
S jedne strane imamo standardni model čestica, kojim opisujemo materiju i u koji se gravitacija nikako ne uklapa, a koji nema gotovo nikakva saznanja o tamnoj materiji i energiji. S druge strane je kozmološki Lambda CDM model konkordancije (concordance model) koji je široko prihvaćen u znanosti i koji starost svemira utvrđuje na 13,7 milijardi godina, pretpostavlja veliki prasak i inflatorno širenje, definira ga kao prostor u kojem je 73% tamne energije, 23% tamne tvari i 4% svega ostaloga. Prema toj teoriji širenje je određeno Hubble konstantom i iznosi 71 km/s a gustoća svemira je vrlo blizu kritičnoj vrijednosti nakon koje bi svemir iz širenja prešao u proces sažimanja. No, zašto je brzina širenja svemira baš tolika, koja je priroda tamne energije i koja su joj svojstva kao i kakva je vez fizika na mikro i makro razini – ostaje nepoznato.
Da bi znanost mogla napredovati potrebne su nove informacije. Jedan smjer bi mogao biti primjena jačih i sofisticiranijih teleskopa, poput VRO (Vera Rubin Observatory) – nove vrste teleskopa koji je trenutno u fazi izrade, a omogućit će istraživanja prirode tamne materije prateći i uspoređujući strukture milijardi galaksija rasprostranjenih kozmosom. Moguće je da ćemo do novih otkrića doći odižući energiju velikog sudarača u CERN-u ili izgradnjom sasvim novih, većih ili drugačijih. Međutim, osim sistematičnijeg pristupa onome što prepoznajemo kao problem ili kao mogući put do novih saznanja, potrebno je istraživati i u sasvim novim smjerovima. Na primjer, moguće je da prostor i vrijeme nisu fundamentalne fizikalne veličine već proizlaze iz sasvim drugog i za sada nepoznatog temelja. Potrebno je, možda, poljuljati temelje našeg znanja i osmisliti eksperimente koji bi tragali za skrivenim dimenzijama prostorima u kojima se gubi gravitacijska energija pa na tom putu pronaći dokaze koji bi demantirali fiziku koju znamo.
Pred nama je dug put do novih saznanja, a postaje sve jasnije da on nije i neće biti pravocrtan. Morat ćemo se osloniti na širinu u pristupu, na prikupljanje i analizu što većeg broja podataka te upotrijebiti svu domišljatost koja nam je na raspolaganju da bi otkrili nove puteve prema onome što ne znamo ili, jednako važno, pronašli pukotine u onome što znamo. Konačno, autorica uvjerljivo tvrdi, razmišljanje o konačnosti svemira je znanstvena disciplina ali i mentalna gimnastika koja nam omogućuje drugačiji pogled na vlastito postojanje i važnost, kako osobnu tako i civilizacijsku, ljudsku.
