Tamna energija i antropsko načelo

 

Prema knjizi " Nastanci;četrnaest milijardi godina kosmičke evolucije" američkih autora Nila de Grasa Tajsona i Donalda Goldsmita, koja se nalazi u vrhu liste naučnopopularnih bestselera, televizijska kompanija PBS NOVA snimila je izvanredan specijal. Tekst koji sledi je jedan deo- poglavlje u kome se razmatra najveća zagonetka savremene kosmologije – tamna energija. 

                                                               

 Otkriće da živimo u kosmosu koji se sve brže širi uzdrmao je svet kosmologije 1998. godine, kada su prvi put obznanjeni nalazi proučavanja supernova koji su ukazali na ovo ubrzanje. Sada kada su pretpostavku o kosmosu koji se sve brže širi potvrdila podrobna posmatranja kosmičkog pozadinskog zračenja i pošto su kosmolozi imali na raspolaganju nekoliko godina da razmotre posledice ovog ubrzanog širenja, iskrsla su dva velika pitanja koja su im zagorčala dane, a zasladila noći. Šta je to što nagoni kosmos da se ubrzano širi? I zašto to ubrzanje ima baš onu vrednost koju sada zapažamo u kosmosu?

       Jednostavan odgovor na prvo pitanje pripisuje svu odgovornost za ubrzanje postojanju tamne energije, odnosno kosmološkoj konstanti različitoj od nule. Obim ubrzanja neposredno zavisi od obima tamne energije po kubnom centimetru. Što je više energije, veće će biti ubrzanje. Prema tome, ako bi kosmolozi uspeli da objasne odakle potiče tamna energija i zašto je ima upravo onoliko koliko zapažamo danas, mogli bi da ustvrde da su otkrili jednu od temeljnih tajni kosmosa – kosmički "besplatni ručak", prisustvo energije u praznom prostoru koja neprekidno pogoni kosmos ka večnom, sve bržem širenju i dalekoj budućnosti u kojoj će postojati nepojamno ogroman prostor i srazmerno ogromna količina tamne energije, dok gotovo uopšte neće biti materije po kubnoj svetlosnoj godini.

VIRTUELNE ČESTICE: Odakle uopšte tamna energija? Kosmolozi su u prilici da ponude odgovor koji potiče iz najvećih dubina fizike čestica: tamna energija nastaje iz događaja koji mora da se zbivaju u praznom prostoru, ako možemo da se pouzdamo u ono što smo doznali u okviru kvantne teorije materije i energije. Celokupna fizika čestica zasniva se na ovoj teoriji koja je tako često i tako temeljito proverena na submikroskopskom području da gotovo nema fizičara koji nije uveren u njenu valjanost. Iz kvantne teorije proističe da ono što nazivamo praznim prostorom vrvi, zapravo, od "virtuelnih čestica" koje toliko brzo nastaju i nestaju da ih nikada ne možemo neposredno registrovati, već smo u stanju jedino da zapažamo posledice koje proizvode. Neprekidno nastajanje i nestajanje ovih virtuelnih čestica – pojava koju su oni što drže do precizne terminologije fizike nazvali "kvantne fluktuacije vakuuma" – daju energiju praznom prostoru. Štaviše, fizičari čestica mogu, bez mnogo poteškoća, da izračunaju količinu energije koja počiva u svakom kubnom centimetru vakuuma. Iz neposredne primene kvantne teorije na ono što nazivamo vakuumom sledi da kvantne fluktuacije mogu da stvore tamnu energiju. Kada se stvari sagledaju iz ovog ugla, veliko pitanje o tamnoj energiji ovako glasi: "Zašto je kosmolozima bilo potrebno toliko dugo da uvide da ova energija mora da postoji?"

Nažalost, postojeće okolnosti unekoliko menjaju ovo pitanje, tako da ono glasi: "Kako to da su fizičari čestica do sada grešili?" Proračuni količine tamne energije u svakom kubnom centimetru daju vrednost koja je za oko 10120 veća od vrednosti do koje su kosmolozi došli na osnovu posmatranja supernova i kosmičkog pozadinskog zračenja. U ekstremnim astronomskim situacijama proračuni koji se razlikuju za činilac 10 mogu se bar privremeno oceniti kao saglasni, ali razlika za činilac 10120 nikako se ne može gurnuti pod tepih. Ako prazan prostor stvarno sadrži tamnu energiju makar i približno u obimu o kome govore fizičari čestica, kosmos bi već odavno trebalo da se raširio u tako veliku zapreminu da nikakvo okupljanje materije ne bi moglo da se odigra budući da bi se ona za samo delić sekunde nepojamno razredila. Teorija i posmatranja saglasni su u tome da prazan prostor mora da sadrži tamnu energiju, ali razlikuju se za bilion na deseti stepen kad je reč o količini te energije. Nikakva zemaljska analogija, pa čak ni kosmička, ne može da predoči razmere ovog neslaganja. Udaljenost do najdalje galaksije za koju trenutno znamo veća je od protona 1040 puta. Čak i ovaj ogroman broj samo je kubni koren činioca za koji se teorija i posmatranja razilaze u pogledu vrednosti kosmološke konstante.

OTKUD OVAKO: Fizičarima čestica i kosmolozima odavno je poznato da iz kvantne teorije proishodi neprihvatljivo velika vrednost količine tamne energije, ali u vreme kada se smatralo da je kosmološka konstanta jednaka nuli nadali su se da će se pojaviti neko objašnjenje koje će dovesti do potiranja pozitivnih i negativnih elemenata u teoriji, te samim tim i ukinuti problem. Slično potiranje svojevremeno je rešilo jedan drugi problem: koliko energije virtuelne čestice daju česticama koje možemo da posmatramo? Sada kada se ispostavilo da se kosmološka konstanta razlikuje od nule, smanjene su nade da će se doći do takvog potiranja. Ako ono postoji, onda mora nekako da ukloni gotovo celu mamutsku teorijsku vrednost koju imamo danas. Za sada, u nedostatku bilo kakvog valjanog objašnjenja veličine kosmološke konstante, kosmolozi moraju da nastave saradnju s fizičarima čestica u nastojanju da izmire teoriju o tome kako kosmos stvara tamnu energiju s vrednošću obima tamne energije po kubnom centimetru dobijenom na osnovu posmatranja.

Neki od vodećih stručnjaka za kosmologiju i fiziku čestica uložili su mnogo truda da objasne vrednosti dobijene posmatranjem, ali bez uspeha. To je silno ozlojedilo teoretičare, delimično stoga što su svesni da Nobelova nagrada – da se i ne pominje ogromno ushićenje zbog otkrića – čeka one koji objasne šta je priroda učinila da bi kosmos ispao ovakav kakvim ga vidimo. No, još jedno pitanje bez objašnjenja silno je uznemirilo duhove. Zašto se količina tamne energije, izražena kao masa, približno poklapa s količinom energije kojoj odgovara svekolika masa u kosmosu?

Ovo pitanje može se postaviti i preko dve Ω koje koristimo da bismo izmerili gustinu materije i gustinu ekvivalentnu onoj koju ima tamna energija. Zašto su ΩM i ΩΛ približno jednake, umesto da jedna bude daleko veća od druge? Tokom prve milijarde godina posle velikog praska ΩM bila je gotovo tačno jednaka jedinici, dok je ΩΛ praktično bila ravna nuli. U tom razdoblju ΩM bila je najpre milionima, potom hiljadama, a onda stotinama puta veća od ΩΛ. Danas, kada je ΩM = 0,27, a ΩΛ = 0,73, one su, grubo uzev, jednake, premda je ΩΛ već znatno veća od ΩM. U dalekoj budućnosti, kroz više od pedeset milijardi godina, ΩΛ biće najpre stotinama, pa hiljadama i najzad milionima i milijardama puta veća od ΩM. Samo tokom kosmičkog razdoblja koje je trajalo u rasponu od tri milijarde do 50 milijardi godina posle Velikog praska ove dve veličine imaju makar približno jednaku vrednost.

BEZNAČAJNO OGROMNO: Za one koji se ne udubljuju u stvari raspon od tri milijarde do 50 milijardi godina veoma je dugo razdoblje. U čemu je onda problem? Posmatrano iz astronomskog ugla, ovaj period praktično je beznačajan. Astronomi se često opredeljuju za logaritamski pristup vremenu, deleći ga na razdoblja koja se povećavaju za činilac od 10. Kosmos je najpre dosegao neko doba; potom je postao deset puta stariji; pa deset puta stariji od toga; i tako sve dalje ka beskonačnom vremenu koje nalaže beskonačan broj ovakvih desetostrukih uvećanja. Pretpostavimo da počnemoračunati vreme u najranijem trenutku posle Velikog praska koji ima smisla u kvantnoj teoriji – 10–43 sekunde. Kako svaka godina sadrži oko 30 miliona (3 x 107) sekundi, potrebno je da protekne oko 60 činilaca desetostrukog uvećanja od 10–43 sekunde do tri milijarde godina posle Velikog praska. Nasuprot tome, dovoljno je samo nešto malo više od jednog činioca od deset da bi se od tri milijarde stiglo do 50 milijardi godina, a to je jedino razdoblje kada su ΩM i ΩΛ približno jednake. Posle toga, beskonačan broj uvećanja za činilac od 10 otvara put ka beskonačnoj budućnosti. Posmatrano iz ove logaritamske perspektive, zanemarljivo su mali izgledi da živimo upravo u onom razdoblju kosmosa kada ΩM i ΩΛ imaju makar slične vrednosti. Vodeći američki kosmolog Majkl Tarner nazvao je ovu neobičnost – pitanje kako to da postojimo baš u dobu kada su ΩM i ΩΛ približno jednake – "problemom Nensi Kerigen", po uzoru na poznatu olimpijsku klizačicu na ledu koja je pitala, pošto ju je napao mladić njene suparnice: "Zašto mene? Zašto sada?"

Iako nisu u stanju da izračunaju kosmološku konstantu čija bi vrednost iole bila blizu one što se dobija merenjem, kosmolozi ipak imaju odgovor na Kerigenin problem, ali im se mišljenja veoma razlikuju u pogledu njegovog značaja i onoga što se njime podrazumeva. Neki ga rado prihvataju; drugi to čini nevoljno, treći ga izbegavaju; a četvrti ga odbacuju. Ovo objašnjenje dovodi u vezu vrednost kosmološke konstante s činjenicom da mi postojimo na planeti koja kruži oko obične zvezde u običnoj galaksiji. Kako mi postojimo, tvrdi se, parametri koji opisuju kosmos, a posebno vrednost kosmološke konstante, moraju biti takvi da omoguće naše postojanje.

MULTIVERZUM: Razmotrimo, na primer, šta bi se dogodilo u kosmosu sa znatno većom kosmološkom konstantom od naše. Znatno veća količina tamne energije dovela bi do toga da ΩΛ daleko nadmaši ΩM ne kroz 50 milijardi godina, već posle samo nekoliko miliona. U to vreme, u kosmosu kojim bi preovlađivala dejstva ubrzanja tamne energije, materija bi se tako brzo razudila da uopšte ne bi stigle da nastanu galaksije, zvezde ili planete. Ako pretpostavimo da od trenutka kada dođe do prvog srašćivanja materije do nastanka i razvoja života mora da protekne bar milijardu godina, možemo da zaključimo da naše postojanje ograničava kosmološku konstantu na raspon od nule do nekoliko njenih trenutnih vrednosti, isključujući celo ono mnoštvo većih vrednosti.

Ovo dodatno dobija na snazi ako zamislimo, kao što to čine mnogi kosmolozi, da sve ono što nazivamo kosmosom ili univerzumom pripada znatno većem "multiverzumu". Ovaj sadrži beskonačan broj kosmosa među kojima nijedan ne stupa u međudejstva s nekim drugim. Zamisao o multiverzumu zasnovana je na postojanju viših dimenzija, u smislu da prostor u našem kosmosu ostaje potpuno nedostupan bilo kom drugom kosmosu – i obrnuto. Ovo nepostojanje makar i teorijske mogućnosti preplitanja svrstava teoriju o multiverzumu u kategoriju naizgled neproverivih hipoteza – bar do trenutka kada neko mudriji od nas ne nađe načina da nekako ipak proveri model multiverzuma. U multiverzumu, novi kosmosi nastaju u potpuno nepravilnim razmacima, a odlikuju se time da ih inflacija širi u ogromne zapremine prostora, pri čemu nemaju nikakvog dodira s beskonačnim brojem drugih kosmosa.

U multiverzumu, svaki novi kosmos nastaje s osobenim zakonima fizike koji određuju veličinu kosmičke konstante. Mnogi drugi kosmosi imaju kosmološku konstantu daleko veću od naše, te tako veoma brzo dostižu stanje gustine bliske nuli koje nije pogodno za život. Samo majušan, možda infinitezimalan deo svih kosmosa u multiverzumu raspolaže uslovima koji omogućuju nastanak života zato što su jedino tu na snazi parametri koji dopuštaju da se materija organizuje u galaksije, zvezde i planete, odnosno da ovi objekti traju milijardama godina.

DO BOLJEG REŠENJA: Kosmolozi nazivaju ovaj pristup objašnjenju vrednosti kosmološke konstante antropskim načelom, premda bi verovatno bilo prikladnije nazvati ga antropskim pristupom. Ovaj pristup tumačenju ključnog pitanja kosmologije deluje veoma privlačno: ljudi ga vole ili mrze, ali retko su ravnodušni prema njemu. Kao i mnoge intrigantne zamisli, antropsko načelo može se tako iskazati da ide u prilog ili da izgleda da ide u prilog raznim teološkim i teleološkim mentalnim konstrukcijama. Neki religijski fundamentalisti smatraju da antropski pristup podupire njihova verovanja zato što čovečanstvu pripisuje središnju ulogu: bez nekoga ko bi ga posmatrao, kosmos – bar onaj koji poznajemo – uopšte ne bi postojao niti bi mogao da postoji; prema tome, neka viša sila mora da je podesila stvari baš onako kako nama odgovara. Oni koji se ne slažu s ovim zaključkom primetili bi da on baš ne sledi iz antropskog pristupa. Na teološkom nivou, ovaj argument u prilog postojanja Boga pretpostavlja svakako najrasipnijeg tvorca koji se može zamisliti: on stvara bezbrojne kosmose da bi u majušnom sektoru samo jednog od njih mogao da nastane život. Zašto ne odstraniti ovog posrednika i držati se starijih mitova o postanju u čijem je središtu čovečanstvo?

S druge strane, ako rešite da vidite Boga u svemu, kao što je to činio Spinoza, ne možete da se ne divite multiverzumu koji neprekidno rađa nove kosmose. Kao i većina vesti s graničnih područja nauke, zamisao o multiverzumu i antropski pristup lako se mogu zloupotrebiti kao potpora ovog ili onog sistema verovanja. No, kako trenutno stoje stvari, mnogi kosmolozi prihvataju multiverzum bez dovođenja u vezu s nekim sistemom verovanja. Stiven Hoking koji drži (baš kao i Isak Njutn pre njega) Lukasovu katedru za astronomiju na univerzitetu Kembridž smatra da je antropski pristup izvrsno rešenje problema Nensi Kerigen. Stiven Vajnberg, koji je dobio Nobelovu nagradu za postignuća na polju fizike čestica, nije poklonik ovog pristupa, ali ga ipak prihvata, bar privremeno, u nedostatku nekog boljeg rešenja.

PITANJE DOPADLJIVOSTI: Istorija konačno može da pokaže da su kosmolozi usredsređeni na pogrešan problem – pogrešan u smislu da naše znanje još nije dovoljno da bismo ga kako valja napali. Vajnbergu se dopada analogija s Johanom Keplerom, koji je pokušao da objasni zašto Sunce ima šest planeta (kako su to astronomi onda verovali) i zašto se one kreću baš takvim orbitama. Četiri stotine godina posle Keplera, astronomi i dalje znaju premalo o nastanku planeta da bi objasnili tačan broj i orbite članova Sunčeve porodice. Poznato nam je da je netačna Keplerova pretpostavka da je razmak planetnih orbita oko Sunca upravo takav da između dve susedne putanje može da se smesti po jedno od pet savršenih tela; ta tela se, naime, ne uklapaju baš dobro, ali još je značajnije to što ne raspolažemo valjanim objašnjenjem zbog čega bi se planete pokoravale takvom pravilu. Potonjim naraštajima sadašnji kosmolozi mogu da nalikuju na poznog Keplera u svojim odvažnim nastojanjima da objasne nešto što je neobjašnjivo na temelju današnjeg razumevanja kosmosa.

Nisu svi blagonakloni prema antropskom pristupu. Neki kosmolozi napadaju ga kao defetistički, aistorijski (ovaj pristup, naime, protivureči mnogim primerima kada je fizika uspela da objasni, ranije ili kasnije, prethodno tajanstvene pojave) i opasan zato što deluje iskonstruisano. Štaviše, za mnoge kosmologe nije prihvatljiva, kao temelj teorije kosmosa, pretpostavka da živimo u multiverzumu koji sadrži bezbroj kosmosa s kojima nikada ne možemo da stupimo u međudejstvo, čak ni u teoriji.

Rasprava o antropskom načelu ističe skeptičnost koja stoji u temelju naučnog pristupa razumevanju kosmosa. Teorija koja se dopada jednom naučniku, uglavnom onome koji ju je postavio, nekom drugom može da izgleda smešna ili naprosto pogrešna. Obojica su svesni da teorije opstaju i imaju uspeha kada drugi naučnici ustanove da se njima najbolje može rastumačiti većina posmatračkih nalaza. (Kao što je jedan slavni naučnik svojevremeno primetio, čuvajte se teorije koja objašnjava sve podatke – za neke od njih vrlo je verovatno da će se ispostaviti da su pogrešni.)

BROJ DIMENZIJA: Budućnost možda neće doneti brzo rešenje ove rasprave, ali u njoj ćemo nesumnjivo videti nove pokušaje da se objasni ono što vidimo u kosmosu. Primera radi, Pol Stajnhart s Prinstonskog univerziteta, koji se izveštio u smišljanju neobičnih naziva, sazdao je teorijski "ekpirotski model" kosmosa u saradnji s Nilom Tarokom s univerziteta Kembridž. Nadahnut delom fizike čestica koji se naziva teorija struna, Stajnhart je zamislio kosmos sa jedanaest dimenzija, od kojih je većina "kompaktifikovana", smotana nalik na čarape, tako da zauzimaju samo infinitezimalni deo prostora. Ali neke dodatne dimenzije imaju stvarnu veličinu i značaj, jedino što ne možemo da ih opažamo zato što smo začaureni u naše poznate četiri. Ako zamislite da se svekoliki prostor našeg kosmosa nalazi na beskonačnom listu (u ovom modelu tri dimenzije kosmosa svedene su na dve), onda možete da predočite jedan drugi, uporedni list, a potom da sebi dočarate prizor kako se dva lista međusobno približavaju i sudaraju. Ovaj sudar dovodi do Velikog praska, a kada se listovi odbiju jedan od drugoga, istorija svakog od njih nastavlja se utabanim stazama, u smislu da nastaju galaksije i zvezde. Konačno, dva liste prestaju da se razmiču i ponovo počinju da se primiču, što dovodi do novog sudara i novog Velikog praska na svakom listu. Kosmos tako ima cikličnu istoriju, ponavlja se, bar u najširim okvirima, u razmacima od više stotina milijardi godina. Budući da "ekpirosis" znači "požar" na grčkom (setite se poznatije reči "piroman"), "ekpirotski kosmos" podseća sve one kojima grčki nije sasvim stran na veliku vatru iz koje je nastao kosmos kakav poznajemo.

Ovaj ekpirotski model kosmosa deluje emotivno i intelektualno privlačno, premda ipak ne toliko da zadobije srca i umove mnogih Stajhartovih kolega kosmologa. Bar ne još. Nešto približno slično ekpirotskom modelu, ako ne i on sâm, moglo bi jednoga dana da omogući proboj kome se današnji kosmolozi nadaju u nastojanjima da rastumače tamnu energiju. Čak i oni kojima je veoma blizak antropski pristup teško da bi po svaku cenu pokušali da odole novoj teoriji koja bi pružila valjano objašnjenje kosmološke konstante, a da pri tom ne uvede u igru beskonačan broj kosmosa među kojima je upravo naš onaj koji je srećniji od drugih.

izvor