NASTANAK svemira jedno je od najzanimljivijih pitanja svih vremena. Ako danas pitate ljude kako je nastao svemir, većina će vam reći da se to dogodilo u Velikom prasku, mali broj znat će da se to dogodilo prije 13,8 milijardi godina, a postojat će velika razlika u mišljenju o tome kako se to dogodilo. Jedan dio ljudi vjerojatno će reći da ne zna, drugi da ga je stvorio Bog, treći da su nas stvorili znanstvenici u laboratoriju, četvrti da smo možda neka vrsta simulacije, peti da je sve ovo iluzija neke druge vrste i tako dalje.
Točan odgovor je ovaj prvi: nitko ne zna kako je nastao svemir. No to ne znači da su sve ideje ili teorije o nastanku svemira jednako vrijedne. Kao i uvijek u životu, najvrednije su one ideje koje se zasnivaju na postojećem znanju i prikupljenom iskustvu. Kad pričamo o nepoznatom, bila to budućnost ili prošlost, najviše vjerodostojnosti imaju ideje koje pokušavaju postojeće znanje proširiti na nepoznato područje. To se u jeziku znanosti zove ekstrapolacija.
Znamo povijest svemira od prvih trenutaka
Mi danas o svemiru znamo puno, no naravno, puno toga ne znamo. Primjerice, znamo, u široj slici ili grubim crtama, kako se svemir razvijao otkako je bio star milijunti dio milijuntog dijela jedne sekunde od samog početka (0,000000000001 sekundi od Velikog praska) pa sve do danas. Zamislite taj trenutak: nije dakle prošla ni sekunda od samog početka, nego milijunti dio milijuntog dijela jedne sekunde! I znamo što se tada događalo.
A znate li kako to znamo? Jer smo ponovno stvorili taj trenutak!
U sudarima protona u Velikom sudaraču hadrona (LHC) u CERN-u ponovno stvaramo uvjete kakvi su vladali kad je svemir bio star 0,000000000001 sekundi i proučavamo što se tada događalo. Ostale trenutke u razvoju svemira istražujemo kroz razne eksperimente iz fizike elementarnih čestica, astrofizike, kozmologije i srodnih grana znanosti. Na donjoj slici, za mene jednoj od najljepših znanstvenih ilustracija ikada, prikazan je razvoj svemira u pojedinim fazama.
Iz nje vidimo da je svemir vjerojatno nastao iz kvantnih fluktuacija, nakon čega je vjerojatno uslijedio period takozvane inflacije, zatim su prvi atomi nastali kad je svemir bio star 375.000 godina i tada se oslobodilo svjetlo koje danas izgleda kao takozvano pozadinsko zračenje, nakon čega su nastupila tamna vremena koja su završila stvaranjem prvih zvijezda oko 400 milijuna godina od samog početka. Potom je uslijedilo stvaranje galaksija, planeta, a sve to uz širenje svemira koje se nedavno počelo dodatno ubrzavati. Na ovu ilustraciju sam kao pripadnik ljudskog roda itekako ponosan: mi smo u zadnjih 400-tinjak godina, otkako smo sustavno počeli promatrati svemir, saznali što se u njemu događalo praktički od samog početka do danas. To je izvanredno dostignuće s kojim treba upoznati svakog stanovnika Zemlje, od najmanje djece do svih odraslih.
Credit: NASA/WMAP Science Team
Proširenjem, tj. ekstrapolacijom sadašnjih znanstvenih spoznaja na sam početak svemira, sve veći broj znanstvenika zastupa ideju da je svemir vrlo vjerojatno nastao iz ničega, i to slučajno. Sve se to dogodilo sasvim prirodno i u skladu je sa svim što smo do sada naučili o svemiru kroz eksperimentalne i teorijske znanosti poput astrofizike, kozmologije i fizike elementarnih čestica.
Većini vas koji s pažnjom čitate, odmah se “upalila lampica” i sigurno su vam na pamet pala dva pitanja: “Kako to iz ničega može nastati nešto?” i “Kako se bilo što može dogoditi slučajno, pa valjda sve ima neki uzrok?”. U ovoj kolumni ću odgovoriti na prvo pitanje, a u nekoj od sljedećih na drugo.
Što je nešto?
Da bismo razumjeli kako se iz “ničega” može stvoriti “nešto”, trebamo prvo razmisliti što uopće znači “nešto”, a što je to “ništa”. Definirati “nešto” je relativno lako jer nam je i intuitivno jasno da se sve oko nas sastoji od materije, koja se sastoji od atoma, koji se sami sastoje od jezgre i elektronskog omotača. Jezgra se sastoji od protona i neutrona, koji se sastoje od još manjih čestica - kvarkova i gluona. I tako smo došli do najmanjih sastavnih dijelova materije, barem onih za koje sada znamo. Moderna istraživanja na CERN-u i u drugim svjetskim znanstvenim centrima pokušavaju saznati postoje li i manje čestice, no za sada smo se zaustavili na kvarkovima i leptonima (od kojih je najpoznatiji elektron) kao osnovnim građevnim blokovima svijeta oko nas.
Uz čestice, u prirodi postoje i antičestice, čija su osnovna svojstva identična česticama osim što imaju suprotan naboj. Kad se jedna čestica nađe blizu svoje antičestice, ponište se, nestanu i pretvore u čistu energiju. To se odvija zbog činjenice da se energija može pretvarati u masu i obratno, kao što nas je Einstein naučio kroz svoju famoznu jednadžbu E = mc^2 (kako je c brzina svjetlosti u biti običan broj, njega možemo i zanemariti u relaciji koja onda kaže E = m, tj. energija i masa su jednake i mogu se pretvarati jedna u drugu). Kako se čestica i antičestica mogu poništiti i pretvoriti u energiju, tako se može dogoditi i obratno: iz energije se mogu stvoriti čestica i antičestica. Zaključak: ono što mi zovemo “nešto” je sve što vidimo oko nas, uključujući i nas same, a sve to sastavljeno je od čestica, a pored njih u prirodi postoje i antičestice.
Što je ništa?
Dakle, to bi bilo to “nešto”. A što je “ništa”? Najintuitivnija definicija ničega bila bi: kada iz nekog dijela prostora maknemo sve čestice, tada u njemu ostane - NIŠTA. To se u znanstvenom jeziku naziva “vakuum”. I eto problema! Kada iz nekog dijela prostora maknemo sve čestice, u njemu i dalje postoji energija u obliku takozvanih kvantnih fluktuacija iz kojih neprestano nastaje beskonačan broj virtualnih čestica i antičestica. One posude energiju iz vakuuma, žive jako kratko, i onda tu energiju vrate natrag vakuumu. Zakon očuvanja energije je zadovoljen, a čestice i antičestice su nakratko živjele i nestale. Jedna od lijepih ilustracija kvantnog vakuuma je prikazana na donjoj animaciji kao vizualna interpretacija “ničega”. Iz ovakvih kvantnih fluktuacija vjerojatno je nastao cijeli naš svemir, a onda u konačnici i mi sami.
Image credit: Derek B. Leinweber
Koji su dokazi?
Naravno, odmah se postavlja milijun novih pitanja, od kojih su možda dva najzanimljivija: “Kako mi ovo znamo ili jesmo li mi to stvarno izmjerili?” i “Kako je iz toga nastao cijeli svemir?”.
Odgovor na prvo pitanje je: Da, izmjerili smo da postoje kvantne fluktuacije i da u vakuumu, tj. praznom prostoru, postoji energija. To smo izmjerili tako što smo u prazan prostor, ispražnjen praktički od svih čestica, stavili dvije metalne ploče koje su se same spojile. Tako smo demonstrirali da postoji sila privlačenja između metalnih ploča, kao posljedica specijalne organizacije kvantnih fluktuacija između i izvan tih ploča. Naime, kvantne fluktuacije imaju svojstva slična valovima. Između dviju ploča mogu se stvoriti valovi kvantnih fluktuacija koji počinju i završavaju na pločama, dok izvan ploča nema takvog ograničenja. Stoga je gustoća valova između ploča manja te se stvara tlak, a time i sila u smjeru od izvan prema pločama (slika dolje). Taj efekt naziva se Casimirov efekt i dokaz je o postojanju kvantnih fluktuacija i energije vakuuma, tj. praznog prostora, ili pojednostavljeno rečeno “ničega”.
Drugi dokaz o postojanju kvantnih fluktuacija u praznom prostoru je priča o masi protona ili neutrona. A kako je više od 99 % mase našeg tijela u biti masa protona i neutrona, to je priča i o masi našeg tijela. I najjednostavnijoj slici protona i neutrona kažemo da se oni sastoji od po tri kvarka. Ali kad zbrojimo masu tih kvarkova, dobijemo da je to oko 1 % mase protona ili neutrona. Ostatak mase je posljedica kompleksnih fizikalnih procesa koji se odvijaju unutar protona, u kojima se neprestano stvaraju i nestaju virtualni kvarkovi i antikvarkovi, koji se onda povezuju gluonima i tako tvore protone i neutrone. Sve se to odvija u praznom prostoru pa bismo pojednostavljeno mogli reći da je masa našeg tijela posljedica fizikalnih procesa koji se odvijaju u ničemu. “Ništa” je očigledno vrlo kompleksan pojam.
A kako je moguće da je cijeli svemir nastao iz ničega? Na samom početku bilo je ništa, ili u jeziku fundamentalne fizike - vakuum ispunjen kvantnim fluktuacijama. Na početku nije bilo ničega: ni čestica, ni antičestica, ni prostora, ni vremena. Kao što smo gore objasnili, iz ničega se mogu stvoriti čestice i antičestice koje žive neko vrijeme i ponovno nestanu. Na isti način se mogu stvoriti mali dijelovi prostor-vremena, takozvani “prostorno-vremenski mjehuri”, s raznim svojstvima, možda čak s raznim prirodnim zakonima.
Zatim stvari u ruke preuzme inflacija, i jedan takav prostorno-vremenski mjehur se za izuzetno kratko vrijeme proširi na ogromne razmjere. S veličine manje od jednog protona proširi se na veličinu zrna pijeska. A polje sile koje je to učinilo transformira se u materiju i energiju koja ispunjava današnji svemir. Alan Guth, jedan od očeva ove ideje, to naziva “definitivni besplatni ručak”. Cijeli svemir, prostor, vrijeme, materija i energija mogu nastati iz ničega.
Dokaz geometrije svemira
Jedan od dokaza za mogućnost da je svemir zaista nastao iz ničega došao je relativno nedavno, kada smo izmjerili geometriju i ukupnu energiju svemira. Pokazalo se da je geometrija svemira ravna. U našem svemiru zbroj svih kutova u trokutu je 180 stupnjeva, dok bi u zatvorenom svemiru bio manji od toga, a u otvorenom veći. Najrelevantnije objašnjenje savršeno ravnog svemira dolazi upravo iz teorije inflacije, a ona je nužna za postanak svemira iz ničega. Možda i najspektakularniji dokaz da bi svemir zaista mogao nastati iz ničega dolazi iz rezultata mjerenja ukupne energije u svemiru. Kada zbrojimo svu pozitivnu energiju u materiji i gibanju u svemiru s negativnom energijom gravitacije, dobijemo točno nulu. Ukupna energija u svemiru jednaka je nuli, što znači da je svemir zaista mogao nastati iz ničega.
Na samom kraju, zamislite ogroman svemir oko nas. Vidljivi svemir sastoji se od oko 100 milijardi galaksija, od kojih svaka ima oko 100 milijardi zvijezda. Svaka zvijezda oko sebe ima u prosjeku po jedan planet. To znači da u vidljivom svemiru ima oko 10.000 milijardi milijardi zvijezda i planeta, što je otprilike jednako broju svih zrnaca pijeska na svim plažama na Zemlji zajedno. Sve to je samo 5 % svemira, dok je 95 % sadržano u obliku tamne materije i tamne energije, o čemu znamo jako malo. Teško je zamisliti da je sve to moglo nastati slučajno iz ničega. Bilo je još mnogo stvari koje je bilo teško zamisliti, ali nam je moderna znanost otvorila poglede i naučila nas mnogim tajnama, spektakularnim i fascinantnim činjenicama o prirodi oko nas i cijelom svemiru. Mogućnost da je svemir nastao slučajno iz ničega i da je to u potpunom skladu s prirodnim zakonima samo je jedna od njih.
Svemir nema smisao, ali...
Moderna znanost i prirodni zakoni naučili su nas da svemir nema nikakvu svrhu ni smisao niti je svemir briga za nas. Prirodni zakoni nisu tu da bi stvorili ljude niti su ljudi smisao evolucije. Premda nekome to može zvučati pesimistično, za mene je to jedna od najljepših poruka za sve nas: premda svemir nije briga za nas, premda prirodni zakoni nemaju svrhu ni smisao, to nama ljudima daje posebnu slobodu i odgovornost. Nas je briga za nas same. Mi smo odgovorni za sebe, za ljude oko nas, za prirodu oko nas i za društvo u kojem živimo. Zato vodimo računa jedni o drugima i planetu na kojem živimo, a svemir će nastaviti svoj život prema prirodnim zakonima, šireći se u nedogled. Iz ničega je nastao, a jednog dalekog dana u ništa će se i pretvoriti.
*Stavovi izneseni u kolumnama i komentarima su osobni stavovi autora i ne odražavaju nužno stav redakcije portala Index.hr. Navedeni stavovi ne odražavaju ni stav bilo koje ustanove, subjekta ili objekta s kojima je povezan autor.
**Fizičar Ivica Puljak redoviti je profesor fizike na FESB-u u Splitu. Doktorirao je na Sveučilištu Pierre i Marie Curie u Parizu. Vodio je grupu od više od 100 svjetskih znanstvenika unutar CMS kolaboracije koji su radili na otkriću Higgsova bozona. Bio je pridruženi znanstvenik na CERN-u i gostujući profesor na Ecole polytechnique, gdje je predavao fiziku Higgsovog bozona. Član je kolaboracija MAGIC i CTA koje upravljaju teleskopima za astročestičnu fiziku. Trenutačno predaje na međunarodnim školama, član je odbora HEPP Europskog fizikalnog društva, član Programskog odbora za znanstvenu infrastrukturu za Obzor 2020 pri Europskoj komisiji i predsjednik savjetodavnog odbora CERN-ove škole znanstvenog računanja. Aktivni je popularizator znanosti i dobitnik brojnih domaćih i svjetskih nagrada.
Želite li momentalno primiti obavijest o svakom objavljenom članku vezanom uz Index Lab, instalirajte Index.me aplikaciju i pretplatite se besplatno na tag: Index Lab
Index.me aplikaciju za android besplatno možete preuzeti na ovom linku, dok iPhone aplikaciju možete preuzeti ovdje.