On The Origin of Time

Thomas Hertog, autor knjige On the Origin of Time: Stephen Hawking’s Final Theory, objavljene prošle godine, je u većem dijelu svoje znanstvene karijere imao vrlo zanimljivu ali i tešku ulogu. On je, naime, bio jedan od najbližih suradnika Stephena Hawkinga u periodu njegovog sve lošijeg zdravlja i otežane komunikacije ali i dalje znatiželjnog i otvorenog duha te snažnog znanstvenog entuzijazma. Ta pozicija mu je omogućila visoki stupanj, često intuitivnog, razumijevanja Hawkingovih znanstvenih sumnji, novih ideja i neortodoksnih rješenja. Prema riječima autora, ova je knjiga rekapitulacija posljednjih dvadesetak godina profesionalnog rada Stephena Hawkinga i nudi zajednički znanstveni stav o porijeklu svemira i našem mjestu u njemu.

Da bi se bolje razumio odnos ova dva znanstvenika potrebno je znati da suradnja Stephena Hawkinga i njegovih studenata na Univerzitetu u Cambridgeu bila uobičajena. Studenti koju su se isticali radom, imali su priliku sudjelovati na projektima iz područja profesorovog interesa – najčešće se radilo o vrlo kompleksnim temama teoretske fizike s primjenom u kozmologiji.

Thomas Hertog je studentsku suradnju s Hawkingom započeo krajem prošlog stoljeća, u vrijeme značajnih kozmoloških otkrića. Naime, u to je vrijeme eksperimentalno utvrđeno da se kozmičko širenje ubrzava, istovremeno se rasplamsala rasprava o kozmičkoj inflaciji i teoriji mnogo svemira (Multiverse), kao i o problemu fino podešenih parametara nužnih za postojanje svemira koji poznajemo (fine tunning). Također, do tada je već splasnula euforija oko izrazito popularne knjige The Brief History of Time, koju je Stephan Hawking napisao krajem osamdesetih godina, pa je svu svoju energiju mogao ponovo usmjeriti na znanstveni rad.

Tadašnja glavna znanstvena preokupacija Stephana Hawkinga i tema u koju se Hertog izravno uključio je bilo pitanje nastanka svemira. Problem s tada sve popularnijom idejom kozmičke inflacije i teorije mnoštva izoliranih svemira u kojima vladaju različiti zakoni fizike je u njenoj potpunoj neodređenosti prema vjerojatnosti nastanka bilo kojeg svemira, pa tako i našega. Teorija ne uspostavlja zakonitost, niti pripadajuću matematičku interpretaciju koja bi objasnila kada i kako nastaju uvjeti za stvaranje i razvoj upravo ovakvog svemira – s mnoštvom naizgled fino podešenih parametara koji mu omogućuju optimalnu brzinu širenja i interakcije fizičkih čestica za oblikovanje galaksija i planetarnih sustava, od kojih su neki pogodni za život i u kojem se barem na jednom život i razvio.

Problem nastanka svemira nije nov i predstavlja golemi znanstveni izazov. U prošlom stoljeću su se sukobljavale ideje stalnog – vječnog svemira i svemira koji se širi. Danas, nakon brojnih dokaza o svemirskoj ekspanziji – dileme više nema. Ipak, takvo uvjerenje pretpostavlja singularitet u prošlosti, odnosno ishodišnu točku koja predstavlja početak prostora i vremena. Točka u kojoj počinje vrijeme i prostor nije intuitivno prihvatljiva. Primjerice Einstein se opirao ideji širećeg svemira i prvobitnog atoma, koju je 1927. godine predložio George Lemaitre – Belgijski svećenik i teoretski fizičar. Einsteinu je bio nepojmljiv koncept stvaranja svemira niotkuda, smatrajući da takva ideja implicitno zahtjeva postojanje božanske sile.

Može se reći da je prošlo stoljeće razdoblje velikih otkrića u fizici te da je donijelo nekoliko znanstvenih preokreta. Prije nešto više od stotinu godina činilo se da je znanost pronašla odgovore na sva bitna pitanja. Newtonova fizika i elektromagnetizam omogućili su novo i dublje razumijevanje svijeta pa je sve do teorije relativnosti i usporednog definiranja zakonitosti kvantne mehanike izgledalo da na sva postojeća pitanja postoje odgovori u okviru tadašnjih teoretskih okvira. Međutim, upravo teorija relativnosti i kvantna mehanika otvorile su epistemološki gap između razumijevanja svijeta na mikro i makro razini. Odjednom je postalo jasno da zakoni fizike nisu potpuni i univerzalni te da oni koji su primjenjivi na jednoj razini, nisu primjenjivi na drugoj.

Od tog vremena, pa sve do danas – znanstvenici tragaju za teorijom koja bi konzistentno i jedinstveno objasnila ponašanje materije i energije u svim okolnostima. Takvo ujedinjenje je posebno značajno na polju kozmologije jer je očigledno da se razvoj svemira odigrao u snažnom međudjelovanju sila na obje razine.

Znanstveno proučavanje svemira se tradicionalno oslanja na opću teoriju relativnosti, odnosno ideju da svemir oblikuje gravitacija te da je ona rezultat zakrivljenosti prostora i vremena. No, pokazalo se da ova teorija ne vrijedi u svim slučajevima. Naime, šezdesetih godina prošlog stoljeća Roger Penrose je njenom primjenom matematički dokazao nužnost nastajanja crnih rupa – područja velike gravitacije i beskonačnog prostornog zakrivljenja. To otkriće je otvorilo brojna pitanja jer se svojstva i ponašanje crnih rupa ne mogu objasniti teorijom relativnosti prema kojoj je njihov nastanak neminovan. Jednako tako, sljedeći teoriju širenja svemira i prateći njegovu ekspanziju unatrag, analiza vodi do singulariteta kojemu je svojstvena beskonačna gustoća i nestanak prostora i vremena. Ovi ali i drugi slučajevi analize graničnih i ekstremnih uvjeta u svemiru pokazuju da opća teorija relativnosti nema odgovore na sva pitanja.

Potpuna teorija bi morala objediniti ponašanje u uvjetima interakcije mikro i makro svijeta, kakvi su karakteristični za nastanak svemira. Primjerice, u prvoj fazi svemirske ekspanzije vladali su kvantni uvjeti pa se snažno manifestirao princip neodređenosti. Dokaze za kvantnu aktivnost u nastanku svemira znanstvenici pronalaze u slici kozmičke mikrovalne pozadine (Cosmic Microwave Background). Prema toj slici u trenutku velikog praska nastale su temperaturne – odnosno energetske fluktuacije – svojstvene za kvantnu neodređenost na razini mikrosvijeta. Istovremeno, inicijalna kvantna manifestacija vodila je prema svemirskoj ekspanziji pri kojoj je utjecaj gravitacije djelovao na oblikovanje strukture svemira, prostora i vremena.

Ovi isprepleteni utjecaji potvrđuju da postojeća znanost nije cjelovita i da ju je potrebno proširiti kako bi obuhvatila ponašanje u rubnim okolnostima. Potrebno je ujedinjenje teorije relativnosti, odnosno gravitacije i kvantne mehanike. Kvantna mehanika, pokazalo se, vrlo precizno opisuje mikrorazinu. Pitanje je kako se ta teorija treba proširiti da bi obuhvatila i univerzalno objasnila ponašanje u općem slučaju (kvantna gravitacija).

Jedna od ideja nastanka svemira, koju su predložili Stephan Hawking i James Hartle, je prijedlog bez granica (no-boundary proposal). Radi se o teoriji kojom se u opisu nastanka svemira izbjegava znanstveno neobjašnjiva točka singulariteta iz koje ravnopravno nastaju prostor i vrijeme, a ne prethodi joj ništa. U njihovom prijedlogu svemir nastaje kvantnom fluktuacijom iz opće valne funkcije koja obuhvaća sve potencijalno moguće kozmičke manifestacije. Najprije se manifestira prostor – iz kojeg u prvim fazama ekspanzije izrasta (emerge) vrijeme. Nažalost, kako se kasnije pokazalo na temelju matematičkog opisa ove ideje, količina početne energije ne bi bila dovoljna za ekspanziju prostora i oblikovanje vremena da bi proizveli karakteristike našeg svemira. Ne bi došlo do formiranja svemirskih tijela, galaksija i života pa je teorija, iako zanimljiva, neprimjenjiva kao objašnjenje postojanja svemira u kojeg nastanjujemo.

Osamdesetih godina prošlog stoljeća Andrei Linde i Alexander Vilenkin predlažu teoriju mnogih svemira nastalih u inflacijskom procesu (Inflationary Multiverse) koja nudi objašnjenje za postojanje svemira fino prilagođenog našem postojanju. Radi se o teoriji koja naglo širenje svemira u procesu kozmičke inflacije tumači kao samo-reproduktivni mehanizam. Prema toj toriji ovaj se proces neprestano odvija u različitim dijelovima svemira, međusobno odvojenih kozmičkim horizontom. U svakom od svemirskih “džepova” stvorenih u inflacijskom procesu vladaju različiti fizički uvjeti, kozmološke konstante imaju drugačije vrijednosti, a zakoni fizike su drugačiji od nama poznatih i međusobno su različiti. Prema tom konceptu beskonačnog broja različitih i odvojenih svemira – neki od njih će sigurno imati svojstva našega.

Upravo je takvo viđenje temelj znanstveno upitnog antropijskog principa (anthropic principle ili observation selection effect) prema kojem je raspon mogućih svemira i vrijednosti njegovih konstanti ograničen činjenicom da su opažanja moguća samo u svemiru u kojem postoji inteligentan život pa opažamo konstante kakve jedino možemo opaziti.

Iako je u početku i Hawking pristajao na ovakvo tumačenje, s vremenom mu se počeo sve više opirati da bi ga u posljednjoj fazi svog znanstvenog rada u potpunosti odbacio. Glavni argument za odbacivanje antropijskog principa je upravo njegova neznanstvenost koju je Hawking tumačio na dvije razine.

Najprije, temelj odbacivanja antropijskog principa je problem mjerenja u kozmologiji (measure problem in cosmology). Radi se o nepostojanju znanstveno utemeljenog izračuna vjerojatnosti pojave određenog tipa svemira, pa tako ne postoji osnova niti za izračun vjerojatnosti pojave našeg. I drugo, jednako važno, ovaj princip snažno naglašava promatrača kao arbitra u procjeni karakteristika svemira. Uz takav princip, promjenom karakteristika promatrača – mijenjaju se i očekivanja od fizičkih zakona. Uz ovako labavo postavljen kriterij – svaku fizičku karakteristiku uočenu u svemiru možemo objasniti promjenom perspektive. Primjerice, neka fizička veličina koja se ne uklapa u našu interpretaciju zakona fizike mogla bi se odlično uklopiti u objašnjenje sastavljeno iz perspektive nekog drugog i drugačijeg promatrača nastanjenog u našem svemiru.

Razinu podijeljenosti znanstvenika oko porijekla svemira kakav poznajemo može pojasniti primjer razilaženje u stavu prema antropijskom principu između Stephana Hawkinga koji ga odbacuje i Andrea Lindea, jednog od tvorca inflacijske teorije razvoja svemira i ideje multiverzuma, koji ga prihvaća.

Stephena Hawking nije promijenio stav samo prema antropijskom principu, već ga je kasniji znanstveni razvoj doveo do odbacivanja vlastitih ideja iznesenih u globalnom znanstveno popularnom hitu – The Brief History of Time. Naime, težnja mnogih znanstveni ka pa tako i njega, bila je pronaći opći znanstveni temelj koji objašnjava nastanak svemira. U skladu takvom težnjom bila je i ideja nastanka svemira bez singulariteta, prema njegovoj teoriji bez granica (no boundary), od koje je odustao zbog neusklađenosti s realnošću, ali još važnije – odustao je i od ideje pronalaska jedinstvene teorije koja bi omogućila razumijevanje nastanka svemira u općem slučaju. Hawking je zaključio da je pogrešno tražiti odgovore na fundamentalna pitanja fizike s pogledom izvana, odnosno iz perspektive objektivnog promatrača – ili, kako on kaže, iz božje perspektive.

Prema mišljenju koje je razvio u posljednjih dvadeset godina života, a to je razdoblje u kojem je surađivao s Thomasom Hertogom, potrebno se okrenuti tumačenju koje kreće iznutra – odustajući od ideje univerzalnih zakona i posebnih početnih uvjeta koji objašnjavaju specifičnosti konkretne fizičke manifestacije.

U svim znanstvenim tumačenjima dosad, realnost se tretirala kao objektivna činjenica koju možemo objasniti s neutralne točke gledišta, kao svjedoci – a ne kao sudionici procesa. Od Newtona, preko Einsteina pa i ranog Hawkinga – prostor i vrijeme su tumačeni neovisno o promatraču. Takvo gledište pretpostavlja postojanje univerzalnih zakona, koji vrijede za sve – za nas, ali i bez nas. To je perspektiva koja vrijedi i za inflatorno tumačenje nastanka multiverzuma – u inflacijskom procesu nastaju bojne varijante svemirskih džepova, a u nekom od tih svemira nastajemo i mi. Tako bi to vidjeli da gledamo s neutralne pozicije – koja, tvrdi Hawking, u realnosti ne postoji.

Druga važna promjena u razmišljanju Stephena Hawkinga, upućuje nas autor knjige, je promjena smjera analize. Dosadašnja uvriježena praksa je analitički princip koji počinje odozdo i kreće se prema gore (bottom – up). To znači da se kozmološkim, ali i u drugim znanstvenim analizama, primjenjuju kauzalno, determinističko razumijevanje slijeda događaja kako bi taj slijed matematički opisali pa predvidjeli njihov dalji razvoj. Takva filozofija znanosti pretpostavlja unaprijed zadanu zakonitost po kojoj se fizički procesi nadovezuju u jedinstveno definirani red događaja. Ishod takvog procesa određen je ugrađenom zakonitošću i ishodišnim početnim uvjetima. Prema tom viđenju, svrha kozmoloških istraživanja bila bi u pronalaženju univerzalne zakonitosti i određivanju početnih uvjeta koje su dovele do stvaranja našeg, ali i bilo kojeg drugog mogućeg svemira.

Prema Hawkingu, ovakvo razmišljanje je pogrešno. On tvrdi da je naše porijeklo kvantne prirode s ishodištem u superpoziciji beskonačnog broja mogućih kozmičkih povijesti, različitih vjerojatnosti manifestacije. Zbog toga je, objašnjava Hertog ovu ideju, potrebno primijeniti princip analize odozgo prema dolje (top – down), pri čemu se analiza kreće od sadašnje slike svemira prema ranijim fazama u potrazi za karakterističnim točkama u vremenu i prostoru (kozmološkim fosilima) koje svjedoče prekretnicama u kozmičkoj evoluciji.

Sljedeći Hawkingovu znanstvenu ideju kvantnog porijekla i evolucijskog procesa u razvoju svemira – ljudsko postojanje prestaje biti slučajnost – već igra aktivnu i ravnopravnu ulogu. Čin promatranja u kvantnoj fizici, naime, nije izvan procesa već je njegov nedjeljivi dio. Naravno, ne radi se o ljudskom promatranju, nego o interakciji mikro i makro svijeta pri kojoj dolazi do dekoherencije, odnosno do materijaliziranja dijela opće valne funkcije u kojoj su sadržane (superponirane) sve njene moguće vrijednosti. Činjenica da našem svemiru postoji inteligentni život ukazuje na nužnost brojnih interakcija mikro i makro svijeta u kojima su nastajali uvjeti pogodni za život i povratno djelovali na dalje interakcije na mikro i makro razini – oblikujući svojstva svemira na način sličan djelovanju Darwinovog evolutivnog procesa pri oblikovanju živog svijeta.

Ključni elementi ove teorije, u čijem razvoju je aktivno sudjelovao i autor knjige, nastajali su u posljednjih dvadeset godina života Stephana Hawkinga. U to vrijeme je, zbog Hawkingove bolesti, komunikacija postajala sve teža – pa je Hertog verbalizirao i nadopunjavao ideje koje je iznosio, a kasnije samo nagovještavao i korigirao Hawking. Tijekom vremena teorija se kristalizirala oko dvije ključne okosnice – oko pogleda na razvoj svemira iznutra, iz perspektive bube ili crva (worm view) a ne iz uobičajene perspektive izvana (perspektiva boga – God view) te na retrospektivnoj analizi odozgo prema dolje (top – down).

Ovi principi znanstvene analize očekuju istraživačke postupke koji bi kozmičke fosile, odnosno tragove događaja koji su oblikovali svemir, smjestili na odgovarajuće mjesto drvolike strukture promjena i grananja – analogno Darwinovom konstruiranju drva života. Za takav podvig nije dovoljno intuitivno razumijevanje ideje, već su nužni matematički alati koji će iz postojećih svemirskih relikata poput CBR-a (Cosmic Background Radiation) i drugih kozmičkih fenomena – od strukture galaksija preko crnih rupa do tamne materije i energije, uspjeti rekonstruirati kozmički evolucijski put našeg svemira.

Hawking i Hertog su se u svom radu oslanjali na matematičke metode koje su razvijene u okviru teorije struna (string theory). Povijest njihovog razvoja i stasanja je složena i često osporavana zbog izrazito teoretske podloge koja je gotovo neprovjeriva u praksi. Ipak, izrazito korisna interpretacija kozmičkih procesa je bazirana na holografskoj matematičkoj interpretaciji svojstava crnih rupa na temelju analize dvodimenzionalne površine.

Holografski princip u analizi razvoja svemira omogućuje njegovu potpunu interpretaciju ponašanjem na granici. To znači da se na temelju kvantnih procesa u početnim fazama nastanka svemira, koji se mogu prepoznati analizom kozmičkog pozadinskog zračenja i drugih kozmičkih tragova, uz primjenu matematičkih transformacija na tragu onih iz teorija struna, može zaključivati o najsloženijim kozmičkim pojavama koje trenutno izmiču znanstvenoj analizi.

Neki od zaključaka takve analize, što se poklapa s ranijim Hawkingovim razmišljanjima, vode prema odbacivanju ideju vremena kao osnovne kozmičke komponente, uz objašnjenje da se vrijeme pojavljuje (emerge) u procesu kozmičke evolucije. Jednako tako, kvantna holografska reprezentacija kozmičkog razvoja kodira gravitaciju kao kvantnu interakciju, ne baveći se njome izravno. Odnosno, analiza kvantnog ponašanja primjenom kvantne teorije polja (QFT – quantum field theory) – uz primjenu matematičkih transformacija, omogućuje interpretaciju energije mjerljive na slici pozadinskog zračenja (cosmic background radiation) kao zakrivljenosti prostora pod utjecajem gravitacije. Također, gravitacija u holografskoj interpretaciji crnih rupa može se u potpunosti opisati na temelju analize zagrijavanja i hlađenja plazme koja se sastoji od elementarnih čestica – kvarkova i gluona, a termalna entropija dvodimenzionalne površine u potpunosti opisuje entropiju voluminozne unutrašnjosti.

Hawkingovo tumačenje holografskog principa u analizi nastanka svemira pretpostavlja da kvantna interpretacija objedinjuje superpoziciju svih postojećih prostorno-vremenskih geometrija. Drugim riječima, ovakva analiza nam omogućuje razumijevanje pretpostavki za nastanak svemira različitih karakteristika, kao i procese koje taj razvoj neprestano usklađuju s uspostavljenim okolnostima – vodeći ga kroz kozmičku evoluciju.

Konačno, iako se Hawking u svom radu opirao zamagljivanju znanosti filozofskim idejama, u ovakvom poimanju kozmičkog razvoja nije ih mogao zanemariti. Koncept u kojem promatrač igra jednu od glavnih uloga u oblikovanju stvarnosti, čovjeka čini aktivnim sudionikom i važnim dijelom kozmičke povijesti. Takva interpretacija kozmičkog razvoja nas i naš svemir čini posebnim jer smo njegov nedjeljivi dio, a u njegovom stvaranju i sami sudjelujemo.

---

---