Kvintesencijalni svemir

Slika: 1. U svemiru deluju dve međusobno suprotne sile. Gravitacija tamne i obične (barionske) tvari je privlačna sila, koja usporava širenje prostora i na slici je prikazana kao opruga. Tamna energija je sila suprotnog delovanja, koja ubrzava širenje i nju predstavljaju baloni. S Hubbleovim merenjima po prvi puta su razotkriveni učinci tamne energije još u posve mladom svemiru. Tada još nije predstavljala prevladavajuću komponentu (malo balona na slici), kasnije se povećao njen udeo.
Ilustracija: NASA/ESA/A.Feild (STScl

Kvintesencijalni svemir

                                                    quinta essentia-peta supsatnca

Jeremiah P.Ostriker i Paul J. Steihna

U sadašnje vreme svemirom upravlja nevidljivo polje energije koje uzrokuje ubrzanje njegova širenja prema rubovima

DA LI JE KONCEPT SVEMIRA U CELINI JASAN, ILI ĆE JOŠ BITI MNOGO VIKE?

Da li nam je svemir, osim nekih manjih pojedinosti, u potpunosti razumljiv? Još pre nekoliko godina  izgledalo je tako. Nakon vekova energičnih rasprava naučnici su  usuglasili stavove u vezi osnovne istorije svemira. Sve je počelo s plinom i zračenjem nezamislivo visoke temperature i gustoće koji se 15 milijardi godina širi i hladi. Galaktike i druge složene strukture narasle su od mikroskopskih začetaka – kvantnih fluktuacija, koje su se raširile do kosmičke veličine u kratkom razdoblju širenja (inflacije). Također, saznali smo da se samo maleni delić materije sastoji od uobičajenih hemijskih elementa iz našeg svakodnevnog iskustva. Veći deo sastoji se od takozvane tamne materije, koju tvore egzotične elementarne čestice, koje ne deluju uzajamno sa svetlom. Mnogo je nepoznanica ostalo i dalje, ali smo bar osmislili glavnu sliku.

Tamna energija 
razlikuje se od tamne materijeu jednom glavnom vidu: sigurno je gravitacijski odbojna.

Ili smo samo tako mislili? Ispostavlja se da nam nedostaje veći deo priče. Otprilike tokom zadnjih pet godina, posmatranja su uverila kosmologe da hemijski elementi i tamna materija zajedno, čine manje od pola sadržaja svemira. Veći deo je sveprisutna tamna energija s neobičnim i jedinstvenim svojstvom. Njena gravitacija ne privlači. Ona odbija! Dok gravitacija vuče hemijske elemente i tamnu materiju u zvezde i galaktike, ona gura tamnu energiju u gotovo jednoličnu maglicu koja prožima ceo svemir. Svemir je bojno polje ove dve tendencije i pobeđuje odbojna gravitacija. Ona postupno nadvladava privlačnu silu obične materije, uzrokujući sve veće ubrzanje širenja svemira, verovatno ulazeći u novu nezaustavljivu fazu širenja i stvarajući tako potpuno drugačiju budućnost svemira nego što je većina kosmologa još pre jedne decenije zamišljala.

Sve do nedavno kosmolozi su se koncentrisali samo na dokazivanje postojanja tamne energije. Nakon što su dokazali da su u pravu, sada usmeravaju paznju na jedan dublji problem: odakle ta energija dolazi? Najverovatnija mogućnost je da je ta energija svojstvena samoj strukturi svemira. Čak i da je svemir potpuno prazan, bez i trunke materije i zračenja, ipak bi sadržavao ovu energiju. Ovakvo poimanje energije vredno je poštovanja, te je vezano uz Alberta Einsteina i njegov pokušaj konstruisanja statičkog modela svemira iz 1917. godine. Poput mnogih vodećih naučnika kroz vekove, uključujući Isaaca Newtona, Albert Einstein je verovao da se svemir ne menja; niti se sažima, niti se širi. Kako bi izvukao tu nepokretnost iz svoje opšte teorije relativnosti, morao je uvesti energiju vakuuma, ili, u njegovoj terminologiji, kosmološku konstantu. Prilagodio je vrednost konstante tako da je njezino gravitacijsko odbijanje točno u protuteži gravitacijskom privlačenju materije.

Posle, kada su astronomi utvrdili da se svemir širi, Einstein je požalio zbog svoje pažljivo usklađene tvorevine, nazivajući je svojom najvećom zabludom. No, možda je ova osuda bila ishitrena. Kada bi kosmološka konstanta imala samo malo veću vrednost od one koju je predlagao Einstein, njeno odbijanje bi premašilo privlačenje materije i kosmičko širenje bi se ubrzavalo.

Međutim, mnogi kosmolozi usmeravaju svoja saznanja prema drugačijoj zamisli; zamisli poznatoj kao kvintesencija. Kvintesencija, u prevodu – «peti element», aluzija je na drevnu grčku filozofiju, koja je tvrdila da se svemir sastoji od zemlje, zraka, vatre i vode, kao i efemerne materije, koja sprečava pad Meseca i planeta u središte nebeskog svoda. Pre četiri godine Robert R. Caldwell, Rahul Dave i jedan od nas (Steinhardt), (svi su tada bili na Sveučilištu Pennsylvania), ponovo su uveli ovaj pojam da ukažu na dinamičko kvantno polje, koje se ne razlikuje od električnog ili magnetskog polja, koja su odbojna.

Ono što toliko privlači kosmologe kod kvintesencije je dinamizam. Najveći izazov za svaku teoriju tamne energije je kako objasniti postojeću količinu materije. Ne toliko što bi ona uticala na stvaranje zvezda i galaktika u počecima svemira, već je sasvim dovoljno to što se njen efekat vidi sada. Energija vakuuma potpuno je inertna, statična, nepokretna, zadržavajući istu gustoću za sva vremena. Prema tome, kako bi objasnili količinu tamne energije danas, trebali bi pažljivo odrediti vrednost kosmološke konstante prilikom stvaranja svemira, što zvuči besmisleno. Oprečno tome, kvintesencija stupa u interakciju s materijom i vremenom se razvija, pa bi se mogla prirodno uskladiti u postizanju vrednosti koju ima danas.

 RECEPT ZA SVEMIR

Glavni sastojak svemira je tamna energija, koja se sastoji od kosmološke konstante ili od kvantnog polja poznatog kao kvintesencija. Drugi sastojci su tamna materija (koju sačinjavaju egzotične elementarne čestice), obična materija (kako vidljiva, tako i nevidljiva) i zračenje u tragovima.

Dve trećine stvarnosti

Razlikovanje ove dve opcije od presudne je važnosti za fiziku. Fizičari elementarnih čestica zavise o visoko energetskim akceleratorima u otkrivanju novih oblika energije i materije. Sada nam svemir otkriva neočekivanu vrstu energije, preretko raširenu, čija je aktivnost preslaba da bi je akceleratori istražili. Definisanje te energije kao inertne, statične, nepokretne, ili kao dinamične, moglo bi biti presudno u formuliranju fundamentalne teorije o prirodi. Fizičari subatomskih čestica otkrivaju kako moraju posmatrati razvoj događaja na nebu, jednako kao i razvoj situacije pomoću akceleratora u laboratorijima.

O AUTORIMA

Jeremiah P. Ostriker i Paul J. Steinhardt, profesori na Sveučilištu Princeton, sarađuju zadnjih sedam godina. Njihovo predviđanje ubrzanog širenja iz 1995. anticipiralo je za nekoliko godina uzdrmavajućim rezultatima sa supernovom. Ostriker je bio jedan od prvih naučnika koji je primetio važnost prevlasti tamne materije i važnost vrućeg međugalaktičkog plina. Godine 2000. dodeljena mu je Nacionalna medalja za nauku SAD-a. Steinhardt je bio jedan od začetnika teorije inflacije i koncepcije kvazikristala. Ponovo je uveo pojam «kvintesencije», nakon što su taj pojam njegov najmlađi sin Will i kći Cindy izabrali između nekoliko mogućnosti.

Slučaj tamne energije izgrađuje se ciglu po ciglu već gotovo celu deceniju. Prva cigla bila je temeljito prebrojavanje sve materije u galaktikama i galaktičkim skupinama uz uporabu raznih optičkih, rendgenskih i radio-tehnika. Nesumnjiv zaključak bio je da celokupna masa hemijskih elemenata i tamne materije, odgovara otprilike samo jednoj trećini teoretski očekivane vrednosti kritične gustoće.

Za mnoge kosmologe ovo je bio pokazatelj da su teoretičari bili u krivu. U tom slučaju živeli bismo u večno širećem svemiru, gde je prostor zakrivljen u obliku hiperbole, kao rog na trubi. Ovo tumačenje je pokopano merenjem vrućih i hladnih tačaka na kosmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, čiji je razmeštaj pokazao da je svemir ravan i da je ukupna gustoća energije jednaka kritičnoj gustoći. Spajanjem ova dva zapažanja jednostavna matematika nalaže potrebu za dodatnom komponentom energije, koja bi nadoknadila one dve trećine gustoće energije koje nedostaju.

Šta god da je, ta nova komponenta mora biti tamna i ne upija niti ispušta svetlo, inače bi je davno primetili. Na taj način ona nalikuje tamnoj tvari. No, ta nova komponenta, zvana tamna energija, razlikuje se od tamne materije u jednom važnom pogledu: mora biti gravitacijski odbojna, inače bi bila uvučena u galaktike i galaktička jata, gde bi uticala na kretanje vidljive materije. Takav uticaj se ne očituje. Osim toga, gravitacijsko odbijanje razrešava «krizu veka», koja je mučila kosmologiju 90-tih godina. Ako uzmemo sadašnja merenja brzine ekspanzije i pretpostavimo da se ekspanzija usporava, onda je starost svemira manja od 12 milijardi godina.

No ipak, dokazi upućuju da su neke zvezde u našoj galaktici stare 15 milijardi godina. Uzrokujući ubrzanje širenja svemira, odbijanje čini da se izvedena starost svemira slaže sa utvrđenom starošću nebeskih tela.

Potencijalna manjkavost ovog argumenta bila je u tome što bi gravitacijsko odbijanje trebalo uzrokovati ubrzanje širenja, što nije bilo primećeno. A onda je 1998. zadnja cigla postavljena na svoje mesto. Dve nezavisne grupe naučnika izvode merenja dalekih supernova, kako bi se utvrdile i otkrile promene u ubrzanju širenja. Obe skupine zaključile su da svemir ubrzava i to upravo predviđenim tempom.

Sva ova zapažanja svode se na tri tačke: prosečnu gustoću materije (kako obične, tako i tamne), prosečnu gustoću tamne energije i zakrivljenost svemira. Einsteinove jednadžbe nalažu dodavanje ove tri tačke kritičnoj gustoći. Moguće kombinacije tačaka mogu se jezgrovito prikazati na grafikonu trokuta 
(vidi ilustraciju «Kosmički trougao» na kraju teksta). Tri različita načina posmatranja: popis materije, kosmičko pozadinsko zračenje i supernove, odgovaraju pojasevima unutar trougla. Neobično je da se pojasevi preklapaju na istom mestu, što stvara argument za tamnu energiju koji se ne može ignorirati.

Od implozije do eksplozije

Naše svakodnevno iskustvo odnosi se na običnu materiju koja gravitacijski privlači, pa je teško predočiti kako tamna energija može gravitacijski odbijati. Ključna značajka je da je njezin pritisak negativan. U Newtonovom zakonu gravitacije pritisak ne igra nikakvu ulogu; jakost gravitacije zavisi samo o masi. Međutim, u Einsteinovom zakonu gravitacije, jakost gravitacije ne zavisi samo o masi, već i o drugim oblicima energije, te o pritisku. Na taj način pritisak ima dva efekta: direktni (uzrokovan delovanjem pritiska na okolnu materiju), i neizravni (uzrokovan gravitacijom koju stvara pritisak).

Predznak gravitacijske sile određuje algebarska kombinacija ukupne gustoće energije, plus tri puta pritisak. Ako je pritisak pozitivan, kao što je za zračenje za običnu materiju i tamnu materiju, onda je kombinacija pozitivna i gravitacija privlači. Ako je pritisak dovoljno negativan, tada je kombinacija negativna i gravitacija odbija. Izrazimo li to kvantitativno, kosmolozi posmatraju osnoa pritiska i gustoće energije kao jednačinuu stanja ili w. Za obični plin w je pozitivan i proporcionalan temperaturi, ali za određene sisteme w može biti negativan. Ako padne ispod -1/3, gravitacija postaje odbojna.

Energija vakuuma zadovoljava ovaj uslov, ako je njena gustoća pozitivna. To je posledica zakona o očuvanju energije, prema kom se energija ne može uništiti. Matematički se ovaj zakon može preforlmulisati na način da je brzina promene gustoće energije proporcionalna w+1. Za energiju vakuuma, čija gustoća se po definiciji nikada ne menja, ovaj zbir mora biti jednak nuli. Drugim rečima, w mora biti točno jednak -1. Tako pritisak mora biti negativan.

Šta znači imati negativan pritisak? Većina vrućih plinova ima pozitivan pritisak; kinetička energija atoma i zračenje potiskuju stenke posude s plinom prema van. Prisetite se kako je direktni efekat pozitivnog pritiska – guranje, a to je suprotnost njegovog gravitacijskog efekta – povlačenja. No, možemo zamisliti interakciju među atomima koja nadvladava kinetičku energiju i uzrokuje imploziju plina. Implozivni plin ima negativni pritisak. Balon s ovakvim plinom bi se urušio prema unutra, zato što bi vanjski pritisak (nula ili pozitivan), premašio unutarnji (negativan). Zanimljivo je da direktni efekat negativnog efekta – implozija – može biti suprotnost njegovog gravitacijskog efekta – odbijanja.

Na balonu je gravitacijski efekat neprimetan. No, zamislite sada da se co svemir ispuni implozivnim plinom. Tada nema površine koja bi ograničavala i nema vanjskog pritiska. Plin još uvek ima negativan pritisak, ali se nema o šta odbiti, pa ne vrši direktan efekat. Postoji samo gravitacijski efekat, tj. odbijanje. Ovo odbijanje rasteže svemir povećavajući mu obim i posledično tome količinu energije vakuuma. Ova tendencija za rastezanjem je stoga samopojačavajuća. Svemir se širi ubrzavajućim tempom. Rastuća energija vakuuma nastaje na račun gravitacijskog polja. 

SNAGA POZITIVNOG (I NEGATIVNOG) MIŠLJENJA

Primenjuje li energetski blok silu koja gravitacijski privlači ili odbija, zavisi o njegovom pritisku. Ako je pritisak nula ili pozitivan, kao što je to kod zračenja i obične materije, gravitacija privlači (jamice okrenute prema dole predstavljaju potencijalne energetske izvore.) Zračenje ima veći pritisak, pa njena gravitacija više privlači. Kod kvintesencije pritisak je negativan, a gravitacija odbija (jamice postaju uzvisine).

Ovi koncepti mogu zvučati čudno, pa ih je čak i Einsteinu bilo teško prihvatiti. On je na statički svemir, početni povod za energiju vakuuma, gledao kao na nesretnu grešku koju treba odbaciti. No, kosmološka konstanta, jednom uvedena nije mogla nestati. Teoretičari su uskoro shvatili da kvantna polja poseduju konačnu količinu energije vakuuma, kao manifestaciju kvantnih fluktuacija, koje kao čarolijom iz ničega stvaraju parove stvarnih čestica. Procena ukupne energije vakuuma koju stvaraju sva poznata polja predviđa ogromnu količinu energije; 120 redova veličine više nego što je gustoća energije u ostaloj materiji. To jest, iako je to teško predstaviti, u pozitivnoj, konstantnoj gustoći energije trebale bi učestvovati neizmerno malene stvarne čestice, što bi značilo negativan pritisak. No, kada bi ova procena bila istinita, ubrzanje epskih proporcija razderalo bi atome, zvezde i galaktike. Jasno je da je procena kriva. Jedan od glavnih ciljeva ujedinjenih teorija gravitacije je saznati zašto.

Jedna od ideja je kako neka do sada neotkrivena simetrija u fundamentalnoj fizici rezultira poništenjem velikih efekata, svodeći energiju vakuuma na nulu. Npr., kvantne fluktuacije stvarnih parova čestica donose pozitivnu energiju česticama s polovičnim spinom (poput kvarkova i elektrona), ali donose negativnu energiju česticama sa celobrojnimspinom (poput fotona). U standardnim teorijama ovo poništenje nije precizno i ostavlja iza sebe neprihvatljivo veliku gustoću energije. No, fizičari istražuju modele s takozvanom supersimetrijom – model koji razmatra odnos između dva tipa čestica, koji može dovesti do preciznog poništenja. Međutim, ozbiljni nedostatak je da bi supersimetrija vredela samo kod vrlo visokih energija. Teoretičari istražuju način očuvanja savršenog poništenja čak i kod nižih energija.

Jedno drugo mišljenje govori o tome da energija vakuuma ipak nije u potpunosti poništena. Možda postoji mehanizam poništenja koji je pomalo nesavršen. Umesto da kosmološku konstantu učini točno ravnu nuli, ovaj mehanizam poništava samo do 120 decimalnih mesta. Tada bi energija vakuuma mogla sačinjavati dve trećine energije svemira koja nedostaje. Pa ipak, to je neobično. Koji bi mehanizam uopšte mogao delovati sa takovom preciznošću? Iako tamna energija predstavlja ogromnu količinu mase, ona je tako retko raširena da je njena energija manja od četiri elektronvolta po kubnom milimetru, što je za fizičara elementarnih čestica nezamislivo malo. Najslabija poznata sila u prirodi sadrži 1.050 puta veću gustoću energije.

Izdvojena unatrag u vremenu, energija vakuuma postaje još veći paradoks. Danas materija i tamna energija imaju usporedivo prosečne gustoće. No, pre više milijardi godina, na početku svog postojanja, naš je svemir bio veličine oveće naranđe, te je materija bila 100 redova veličine gušća. Međutim, kosmološka konstanta bi tada imala istu vrednost kao što je ima sada. Drugim rečima, za svakih 10.100 čestica materije, fizikalni bi procesi stvorili jednu česticu energije vakuuma, a to je stepen tačnosti koji može biti razuman u matematičkoj idealizaciji, ali kog je apsurdno očekivati od stvarnoga sveta. Ova potreba za skoro nadnaravnim usklađivanjem glavni je motiv u razmatranju alternativa ovoj kosmološkoj konstanti.

Prikupljanje naučnih podataka na terenu

Na sreću, energija vakuuma nije jedini način za stvaranje negativnog pritiska. Drugi način je izvor energije koji, za razliku od energije vakuuma, varira u prostoru i vremenu, a to je carstvo raznih mogućnosti i spada u rubriku kvintesencije. Za kvintesenciju w nema utvrđenu vrednost, već mora biti manji od -1/3, da bi gravitacija bila odbojna.

POROĐAJNE MUKE

Svemir se širi različitim brzinama zavisno o tome koja energija prevladava. Materija uzrokuje usporavanje, a kosmološka konstanta uzrokuje ubrzanje. Kvintesencija je u sredini; ona uzrokuje ubrzanje širenja, ali smanjenom brzinom. Kod kvintesencije ubrzanje može u nekim slučajevima biti uključeno ili isključeno (isprekidane linije).

Kvintesencija može poprimiti mnoge oblike. Najjednostavniji modeli govore o kvantnom polju čija energija varira tako polako, da se na prvi pogled doima poput konstantne energije vakuuma. Ova formulacija posuđena je iz inflacijske kosmologije u kojoj kosmičko polje poznato kao inflacija, upravlja širenjem na početku svemira uz upotrebu istog mehanizma inflacije, odnosno širenja ili nadimanja. Ključna razlika je u tome što je kvintesencija puno slabija od inflacije. Ovu hipotezu su pre jedne decenije prvi istraživali Christof Wetterich sa Univerziteta Heidelberg i Bharat Ratra, koji je sada na Univerzitetu  Kansas State, kao i P. James i E. Peebles sa Univerziteta  Princeton.

Moguće je da kvintesencija stvara ciklički obrazac u kom se vrući, homogeni svemir večno stvara i obnavlja

U kvantnoj teoriji fizikalni procesi mogu se opisati u terminima polja ili čestica. No, zato što kvintesencija ima tako malu gustoću energije i varira tako postupno, čestica kvintesencije bila bi nepojmljivo lagana i velika; veličine ogromne skupine galaktika. Zato je opis polja ipak pogodniji. Koncepcijski gledano, polje je neprekidna rasprostranjenost energije, koja svakoj tački unutar polja pridružuje brojčanu vrednost poznatu kao jakost polja. Energija koju polje obuhvata ima kinetičku komponentu, koja zavisi o vremenskoj varijaciji jakosti polja i potencijalnu komponentu, koja zavisi samo o vrednosti jakosti polja. Kako se polje menja, ravnoteža kinetičke i potencijalne energije se pomiče.

Što se tiče energije vakuuma, prisetite se da je negativni pritisak direktna posledica zakona očuvanja energije, što diktira da je svaka varijacija u gustoći energije proporcionalna zbiru gustoće energije (pozitivan broj) i pritiska. Za energiju vakuuma promena iznosi nula, pa tako i pritisak mora biti negativan. Za kvintesenciju promena je dostatno postupna da pritisak mora još uvek biti negativan, iako donekle u manjoj meri. Ovo stanje odgovara većoj količini potencijalne energije nego kinetičke energije.

Zbog toga što je njen pritisak manje negativan kvintesencija ne ubrzava svemir tako snažno kao što to čini energija vakuuma. Konačno, u ovome posmatrači vide razliku između njih. Kvintesencija je više u skladu sa raspoloživim podacima, ali za sada ova razlika nije statistički značajna. Druga razlika je u tome što, za razliku od energije vakuuma, polje kvintesencije može biti podložno svakoj vrsti složene evolucije. Vrednost w može biti pozitivna, zatim negativna, pa onda opet pozitivna. Može imati različite vrednosti na različitim mestima. Iako se mislilo da je nejednolikost mala, ona se može otkriti proučavanjem kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.

Još jedna razlika leži u tome što se kvintesencija može poremetiti. Valovi će se rasprostirati kroz nju, baš kao što zvučni valovi mogu proći zrakom. U žargonu, kvintesencija je «meka». Einsteinova kosmološka konstanta je, za razliku od kvintesencije, kruta; njome se ne može upravljati. Ovo otvara zanimljivo pitanje. Svaki poznati oblik energije je u određenoj meri mek. Možda je krutost idealiziranje koje ne može postojati u stvarnosti, a u tom slučaju kosmološka konstanta je nemoguća stvar. Kvintesencija s w blizu -1 mogla bi biti najbliža prihvatljiva približna vrednost.

Kvintesencija na membrani

Reći da je kvintesencija polje, samo je prvi korak u njenom objašnjenju. Odakle bi tako neobično polje moglo dolaziti? Fizičari elementarnih čestica imaju objašnjenja za fenomene od strukture atoma do podrekla mâsa, ali kvintesencija je nešto poput siročića. Savremene teorije elementarnih čestica uključuju mnoge vrste polja koja bi mogla imati potrebno ponašanje, ali nedovoljno se zna o njihovoj kinetičkoj i potencijalnoj energiji, te je danas teško reći koje bi od njih moglo stvoriti negativan pritisak, ako uopšte postoji takvo.

Jedna egzotična mogućnost je da kvintesecncija izvire iz fizike ekstra dimenzija. Tokom nekoliko prošlih decenija teoretičari su istraživali teoriju struna, koja može povezati opštu relativnost i kvantnu mehaniku u jedinstvenu teoriju fundamentalnih sila. Važna karakteristika teorije struna je postojanje 10 dimenzija. Četiri od ovih su naše poznate tri prostorne dimenzije i vreme. Ostalih šest dimenzija mora da je skriveno. Po nekim formulacijama, one su umotane poput lopti, premalenog obima da bi se uočio (bar ne sa sadašnjim instrumentima). Jedna alternativna zamisao iznesena je s nedavnim proširenjem teorije struna, što je poznato kao M–teorija, koja dodaje jedanaestu dimenziju; obična materija je ograničena na dve trodimenzionalne površine, poznate kao membrane (u izvornom engleskom tekstu: «brane»: skraćeno od membrane – op. prev.), razdvojene mikroskopskim procepom duž jedanaeste dimenzije.

Mi nismo sposobni videti ove druge dimenzije, ali ako one postoje, trebali bismo ih moći opažati indirektno. U stvari, prisustvo umotanih dimenzija, ili bliskih membrana, delovalo bi upravo poput polja. Brojčana vrednost koja je pridružena polju u svakoj tački prostora može odgovarati promeru, ili udaljenosti procepa. Ako se promer ili procep, polagano menja kako se svemir širi, to bi upravo moglo oponašati hipotetičko polje kvintesencije.

Koje god da je poreklo kvintesencije, njen dinamizam mogao bi rešiti mučan problem finog usklađivanja. Jedan način gledanja na ovo je pitanje zašto je kosmičko ubrzanje započelo upravo u ovom određenom trenutku kosmičke istorije. Stvorena kada je svemir bio tek 10^-35 sekunde star, tamna energija mora da je ostala u seni gotovo deset milijardi godina, a to je faktor od više od 10⁵⁰ starosti. Tek tada je, kako navode podaci, tamna energija dostigla materiju i uzrokovala početak ubrzanja svemira. Nije li slučajnost da je svemir iznenada prebacio u petu brzinu tek onda kada su se razvila razumna bića? Čini se da su sudbine materije i tamne energije nekako isprepletene. Ali kako?

MOŽEMO VEROVATI TEK U ONO ŠTO VIDIMO

Podaci dobijeni opažanjem supernova mogu biti jedan od načina za donošenje odluke između kvintesencije i kosmološke konstante. Ova poslednja uzrokuje da svemir ubrzava sve brže, dakle supernova s datim crvenim pomakom će biti udaljenija i stoga prigušenija. Postojeći teleskopi (podaci prikazani u sivom), ne mogu razdvojiti ova dva slučaja, no predložena svemirska letelica za praćenje akceleracije supernova, trebala bi biti u stanju učiniti to. Magnitude relativne sjajnosti supernova predočene pomoću četiri modela prikazane su različitim bojama.

Ako je tamna energija energija vakuuma, onda je slučajnost gotovo nemoguće opravdati. Neki istraživači, uključujući Martina Reesa sa Univerziteta Cambridge i Stevena Weinberga sa Univerziteta  Teksas i Austin, sledili su entropijsko objašnjenje. Možda je naš svemir samo još jedan među mnoštvom svemira, a u svakom od njih energija vakuuma poprima različitu vrednost. Svemiri s energijom vakuuma mnogo većom od četiri elektronvolta po kubnom milimetru, mogli bi biti češći, ali se prebrzo šire da bi formirali zvezde, planete ili život. Svemiri s puno manjim vrednostima bi mogli biti jako retki. Naš svemir bi imao optimalnu vrednost. Samo u ovom «najboljem od svih svetova» mogla bi postojati inteligentna bića sposobna promišljati o naravi svemira. No, fizičari se ne slažu oko toga tvori li ovaj entropijski argument prihvatljivo objašnjenje.

Odgovor koji više zadovoljava i koji bi mogao uključiti oblik kvintesencije poznat kao polje tragača (engl.: tracker field), izučavali su Ratra i Peebles, kao i Steinhardt i Ivaylo Zlatev, a i Limin Wang, tada na Univerzitetu Pennsylvania. Jednačine koje predstavljaju polje tragača imaju klasično privlačno delovanje, poput delovanja kojeg nalazimo u nekim haotičnim sistemima. U njima  delovanje se usmerava prema istom rezultatu za široki opseg početnih uslova. Na primer, kuglica stavljena u praznu kadu, na kraju uvek pada u odvod, bez obzira koja joj je početna tačka kretanja.

Slično tome, inicijalna gustoća energije polja tragača ne mora se podesiti na određenu vrednost, jer se polje samo brzo podešava na tu vrednost. Vezuje se na stazu na kojoj njegova gustoća energije ostaje konstantni delić gustoće zračenja i materije. U tom smislu kvintesencija oponaša materiju i zračenje iako je njen sastav u potpunosti različit. Ovo oponašanje javlja se zato što gustoća zračenja i materije određuju kosmičku brzinu širenja, a to zauzvrat kontroliše brzinu promene gustoće kvintesencije. Ako pobliže promotrimo vidimo kako mali djlić polagano raste. Tek posle puno miliona, ili milijardi godina kvintesencija ga dostiže.

No, zašto ga je kvintesencija dostigla baš tada? Kosmičko ubrzanje je isto tako moglo početi u davnoj prošlosti, ili dalekoj budućnosti, ovisno u izboru konstante u teoriji polja tragača. Ovo nas vraća na slučajnost. No, možda je neki događaj u relativno nedavnoj prošlosti dao maha ubrzanju. Steinhardt, zajedno sa Christianom Armendariz Piconom, koji su sada na Univerzitetu Chicago i Viatcheslav Mukhanov sa Univerziteta Ludwig Maximilians u Minhenu, postavili su kao mogućnost jedan takav nedavni događaj: prelaz iz dominacije zračenja na dominaciju materije.

Prema teoriji Velikog praska energija svemira nalazila se  uglavnom u zračenju. Međutim, kako se svemir hladio, zračenje je gubilo energiju brže nego obična materija. Do vremena kada je svemir bio nekoliko desetaka hiljada godina star, relativno ne tako davno u logaritamskim terminima, ravnoteža energije pomakla se u korist materije. Ova promena obeležila je početak epohe u kojoj dominira materija, čiji smo mi uživaoci. Tek tada je gravitacija mogla početi povlačiti materiju u formiranje galaktika i struktura velikih razmera. U isto vreme brzina širenja svemira doživela je promenu.

U varijaciji modela tragača ova transformacija potaknula je seriju događaja koji su doveli do današnjeg kosmičkog ubrzanja. Tokom većeg dela istorije svemira kvintesencija je pratila energiju zračenja ostajući beznačajnom sastavnicom svemira. No, kada je svemirom počela dominirati materija, promena u brzini širenja poremetila je podržavalačko ponašanje kvintesencije. Umesto da prati zračenje, ili čak materiju, pritisak kvintesencije se promenio u negativnu vrednost. Njena gustoća ostala je skoro nepromenjena i konačno je pretekla gustoću materije koja se smanjivala. U ovoj slici, činjenica da su razumna bića i kosmičko ubrzanje počeli postojati skoro u isto vreme nije slučajnost. I stvaranje zvezda i planeta nužnih za podržavanje života, kao i transformacija kvintesencije u negativni pritisak, potaknuto je početkom dominacije materije.

Gledanje u budućnost

U bliskom periodu žarište istraživanja kosmologa biće otkrivanje postojanja kvintesencije. Ona ima vidljive posledice. Zato što se njena vrednost w razlikuje od one kod energije vakuuma, stvara različiti stepen kosmičkog ubrzanja. Preciznija merenja supernova koje se nalaze na većim udaljenostima, može razdvojiti ova dva slučaja. Kako bi rešili ovaj problem astronomi su izneli plan o dva nova opservatorija; sonde za merenje ubrzanja supernova koja bi kružila u orbiti, te teleskopa s velikim otvorom za sinoptička merenja izgrađenim na Zemlji. Razlike u stepenu ubrzanja također stvaraju male razlike u kutnoj veličini vrućih i hladnih tačaka u kosmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, što bi Sonda za mikrovalnu anizotropiju (MAP) i Plankova svemirska letelica, trebali biti u stanju otkriti.

Drugi testovi beleže kako broj galaktika varira s povećanjem crvenog pomaka, ukazujući kako se ubrzanje širenja svemira s vremenom promenilo. Zemaljski projekt pod nazivom Dubinska vangalaktička evolucionarna sonda pratiće ovaj učinak.

 Specijalni instrumenti za istraživanja, kao i novi testovi, reći će nam koja budućnost je naša

Na duže staze, svi ćemo mi biti u situaciji promišljanja o dubljem smislu ovih revolucionarnih otkrića. Ona vode k novim trezvenim tumačenjima našeg mesta u kosmičkoj istoriji. Na početku ili bar u najranije vreme o kojem imamo neku zamisao, bila je inflacija, produženo razdoblje ubrzanog širenja tokom prvih trenutaka posle velikog praska. Svemir je u to vreme bio gotovo bez materije, a prevladavalo je kvintesenciji nalik kvantno polje s negativnim tlakom. Tokom tog razdoblja svemir se širio po većem faktoru nego tokom 15 milijardi godina pošto se inflacija završila. Pri kraju inflacije polje se svelo na vrući plin kvarkova, gluona, elektrona, svetla i tamne energije.

Hiljadama godina svemir je bio tako gusto ispunjen plinom, da se atomi, a pogotovo veće strukture, nisu mogli formirati. Tada je materija preuzela kontrolu. Sledeća faza je naša epoha stalnog hlađenja, kondenzacije i evolucije složenih struktura, čija se veličina stalno povećava. No, ovom razdoblju dolazi kraj. Kosmičko se ubrzanje vratilo. Čini se da je svemir koji nam je poznat, sa sjajnim zvezdama, galaktikama i njihovim skupinama, bio samo kratko međurazdoblje. Kako kosmičko ubrzanje bude prevladavalo sledećih desetaka milijardi godina, materija i energija će u svemiru postajati sve razređenije i svemir će se razvlačiti prebrzo da bi omogućio oblikovanje novih struktura. Za živa bića svemir će biti sve više neprijateljska sredina. Ako ubrzanje uzrokuje energija vakuuma, tada je priča o svemiru završena: planete, zvezde i galaktike, koje danas vidimo, najveća su tačka kosmičke evolucije.

No, ako ubrzanje uzrokuje kvintesencija, kraj tek treba biti ispisan. Svemir bi mogao ubrzavati zauvek, ili bi kvintesencija mogla nestati u novim oblicima materije i zračenja i nanovo napučiti svemir. Zato što je gustoća tamne energije tako mala moglo bi se pretpostaviti da bi materija stvorena njezinim nestajanjem imala premalu energiju da učini bilo što važno. Međutim, pod nekim okolnostima kvintesencija bi mogla nestajati pretvaranjem mehura u jezgre. Unutrašnjost mehura bila bi praznina, ali bi stenka mehura bila polje silovitog delovanja. Kako bi se stenka pomicala prema van, počistila bi svu energiju nastalu nestankom kvintesencije. Povremeno, dva mehura bi se sudarila u fantastičnoj raskoši vatrometa. U tom bi procesu mogle nastati masivne čestice, kao što su protoni i neutroni, a možda i zvezde i planete.

Budućim stanovnicima svemir bi izgledao jako nehomogeno, sa životom ograničenim na udaljene otoke okružene ogromnim prazninama. Bi li ikada dokučili da je njihovo poreklo bio homogeni i izotropni svemir koji vidimo oko sebe danas? Bi li ikada znali da je svemir bio živ i da je onda umro, kako bi mu se dala nova prilika?

Ili je možda spremna radikalnija revizija kosmičke istorije. Nadahnuti nedavnim promatranjima kosmičkog ubrzanja, Steinhardt i Neil Turok sa Univerziteta Cambridge, izneli su model «cikličkog svemira», u kojem je kvintesencija mesto delovanja u središtu, a inflacija je sveprisutna. U ovoj slici prostor i vreme postoje zauvek. Svemir prolazi beskrajni niz ciklusa u kojima se sažima u velikom drobljenju i nanovo pojavljuje u širećem velikom prasku, s trilijunima godina evolucije između. Tokom prvih petnaest milijardi godina svakoga ciklusa svemirom dominira zračenje i materija, a kako se svemir hladi, formiraju se zvezde i galaktike. A onda, baš kao što vidimo danas, kvintesencija pokreće produženo razdoblje ubrzanog širenja, koje ispražnjuje svemir od materije i entropije, stvorenih u prethodnom ciklusu. Ključna uloga kvintesencije je da čini svemir homogenim i u isto vreme rasteže prostornu geometriju; dve od funkcija koje se obično pripisuju inflaciji.

Uz to, fluktuacije u polju kvintesencije konačno formiraju zametke za stvaranje galaktika posle praska, što je treća funkcija koju ostvaruje inflacija. Kako polje kvintesencije evoluira, njezina gustoća i pritisak menjaju se sve dok polje ne prestane uzrokovati ubrzanje i umesto toga pokreće period sažimanja. U drobljenju, nešto od energije polja kvintesencije pretvoreno je u materiju i zračenje koji hrane prasak i novo razdoblje širenja, hlađenja i formiranja struktura. Naime, temperatura i gustoća rastu do velike, ali ograničene gustoće. Tako ovaj model također izbegava neograničenosti konvencionalnog pogleda na Veliki prasak. Vrući, homogeni svemir večno se stvara i obnavlja.

Ovaj ciklički scenarij ima prirodno objašnjenje u terminima teorije superstruna s membranama i ekstra dimenzijama. Cikluse možemo opisati beskrajnim, periodičkim sledom kolizija između membrana. Svaka kolizija stvara prasak u kojem se stvaraju nova materija i zračenje. Zračenje i materija uzrokuju rastezanje membrana; uobičajeno razdoblje kosmičkog širenja. Postoji još i sila između membrana koja donosi pozitivnu potencijalnu energiju svemiru kada su membrane jako udaljene. U ovom scenariju kvintesencija je jednostavno ta potencijalna energija. Posle 15 milijardi godina širenja međumembranska potencijalna energija dominira svemirom i razdoblje kosmičkog ubrzanja počinje. Membrane se dostatno rastegnu da bi razredile gustoću materije i zračenja, te da izravnaju eventualne zakrivljenosti, ili nabore na površini membrana.

Membrane se polako zajedno pokreću, ali dok se približavaju, potencijalna energija se smanjuje s pozitivne na negativnu vrednost. Polje kvintesencije sada uzrokuje prestanak istezanja i uzrokuje ubrzanje kretanja membrana prema koliziji. Kolizija i odbijanje odgovaraju preokretu iz sažimanja u širenje. Ipak, samo komponenta ekstra dimenzija se urušava i nanovo pojavljuje. Uobičajena trodimenzionalna komponenta ostaje beskonačna. Stoga gustoća materije na membranama ostaje mala i razređena čak i pri drobljenju. Kada se dve membrane odbiju, potencijalna se energija obnovi do svoje prvotne vrednosti, kvintesencija se nanovo stvori i spremna je za sledeći ciklus.

Eksperimenti bi nam uskoro mogli dati neku zamisao o tome koja budućnost je naša. Verujemo da će poboljšana preciznost klasičnih kosmoloških testova, kao i posebno oblikovani istraživački instrumenti, te neki novi testovi (koji verojatno rabe gravitacijsku optiku), ovo omogućiti. Hoće li to biti «slepa ulica» energije vakuuma, ili nenačeti potencijal kvintesencije? Konačni odgovor zavisi o tome ima li kvintesencija mesto u osnovnim delima prirode, kao što je možda područje teorije struna. Naše mesto u kosmičkoj istoriji zavisi od uzajamnog utjiaja između nauke i jako velikoga i nauke jako maloga.

KOSMIČKI TRUGAO

U ovom grafikonu koSmoloških promatranja, osi predstavljaju moguće vrednosti tri ključne karakteristike svemira. Ako je svemir ravan, kako ističe teorija inflacije, tada bi se različite vrste zapažanja (obojena područja) i crta nultog zakrivljenja (crvena crta) trebali preklapati. U sadašnjem trenutku podaci o pozadinskim mikrovalovima stvaraju malo bolje preklapanje ako se tamna energija sastoji od kvintesencije (isprekidana crta obrisa), a ne od koSmološke konstante (zeleni dEo).


izvor