Naša planeta samo je okno kroz koje možemo promatrati kosmičko more. Jesmo li u mogućnosti saznati šta se krije izvan horizonta naše percepcije?




Svemir je, kako kažu, velik. U svojoj knjizi Vodič kroz galaksiju za autostopere, Douglas Adams to objašnjava ovako: „Možda vi mislite da morate dugo pješačiti do apoteke, ali to vam je šaša u usporedbi sa svemirom“. Teško je kroz svakodnevne pojmove prikazati enormnost kosmosa kad većini nas nije lako pojmiti ni veličinu planete zemlje, a kamo li galaksije ili širokih prostranstava međuzvjezdanog prostora. Često se koristimo pojmom svjetlosne godine, koji predstavlja udaljenost koju svjetlost pređe za godinu dana, kao da je brzina svjetlosti nekako lakša za predočiti od triliona kilometara. Na isti način određujemo mjerila (1,3 sekunde potrebne su svjetlosti da proputuje između Zemlje i Mjeseca) no, iz svakodnevnog iskustva znamo da je svjetlost instantna. Na isti način mogli bismo govoriti o visini građevina kao nagomilanim atomima.

A ukoliko smo avanturističkog duha, možemo koristiti analogije zasnovane na ličnom iskustvu. Tako bismo udaljenost od Mjeseca mogli predstaviti sa 32 miliona školskih autobusa, a kada bismo mogli putovati do tamo u jednom od autobusa vozeći se brzinom od oko 100 kilometara na sat, trebalo bi nam 166 dana da stignemo do odredišta! Ali nisam baš sigurna da će vam ovo pomoći.

Voljela bih kada bih mogla reći da mi astronomi ovo možemo bolje predočiti. Istina je da ne možemo. Mozgovi u stvarnosti ne funkcioniraju na taj način. Zbog toga varamo sa brojevima. Koristimo veće mjerne jedinice kada govorimo o većim prostranstvima: kilometar, svjetlosna godina, parsek, kiloparsek, megaparsek, gigaparsek. S lakoćom koristimo eksponente (1,000 je 103; 1 trilion je 1012) i razmišljamo koristeći se logaritamskim intervalima, gdje je svaka sljedeća vrijednost veća za 10 puta. U nekom trenutku, pojam udaljenosti prestaje biti jasan. Ovdje, u Sunčevom sistemu, prostor i vrijeme se manje-više dobro ponašaju, ali kada je riječ o kosmosu kao cjelini, moramo imati na umu činjenicu da on odbija sjediti mirno dok ga pokušavamo mjeriti.

Svemir se širi. To je tako još od Velikog praska i neće prestati u skorijoj budućnosti. Kada pogledate veoma udaljenu galaksiju, ne biste samo trebali uzeti u obzir da je ta slika u koju gledate stara, već i činjenicu da se ona više ne nalazi tamo gdje ste je vidjeli. Recimo da ste vidjeli eksploziju supernove u galaksiji udaljenoj milijardu svjetlosnih godina. Da li je supernova upravo eksplodirala ili se to desilo prije milijardu godina? Rekli bismo da je u pitanju posljednje obzirom da je svjetlost do nas putovala milijardu godina. No, obzirom da to tada nismo mogli promatrati, od kakvog je značaja reći da je eksplodirala u prošlosti? A i ta galaksija na udaljenosti od milijardu svjetlosnih godina, koliko je zapravo daleko? Možda je prije milijardu godina bila udaljena milijardu svjetlosnih godina, ali kako se svemir širio sve to vrijeme sada mora biti mnogo dalje. Kakvu udaljenost koristimo?

Čak je i vrijeme izobličeno širenjem svemira. Možemo gledati kako zvijezda koja eksplodira svijetli i blijedi dok je razaraju udarni talasi i zaključiti da je trebalo oko 100 dana da iščezne. Ali ukoliko bismo je usporedili sa bližom supernovom, vidjet ćemo da udaljenijoj u prosjeku treba nekoliko dana više. Iz naše perspektive, te eksplozije se dešavaju kao na usporenom snimku.

Čak uz ograničenja pri definiranju, činimo sve što je u našoj moći da bismo izmjerili svemir i odredili njegove najudaljenije krajeve. Zabilježili smo bezbroj galaksija, neke toliko daleke da je njihovoj svjetlosti trebao gotovo čitav životni vijek kosmosa da stigne do nas. Pretraživali smo naše mape kosmosa ne bismo li pronašli bilo kakve naznake ruba ili sredine i ništa nismo uspjeli naći. Nema osnova da vjerujemo da se kosmos ne širi bez prestanka, u svakom pravcu, bez značajne promjene u sadržini ili strukturi. Naša galaksija je samo zrno pijeska u širokoj, nesagledivoj pustinji. Odzumirajte dovoljno i vidjet ćete da sve izgleda manje-više isto.

Međutim, postoji granica. Ma koliko bili moćni naši teleskopi i ma koliko dugo zurili, nikada nećemo vidjeti ništa dalje od ruba kosmičkog mjehura kojeg zovemo „vidljivim svemirom“. Ovo je imaginarno područje, čiji centar sačinjavamo mi, i koje definiramo brzinom svjetlosti i starošću kosmosa. Radijus ovog mjehura je udaljenost koju zraka svjetlosti može preći kada bi putovala čitavu dob svemira.

Ako svaki put kada gledamo u kosmos gledamo u prošlost, jasno je da bi posmatranje sa dovoljne udaljenosti moglo značiti da gledamo u vrijeme tako daleko u prošlosti da bi moglo predstavljati trenutak kada je svemir tek nastao. To je ono što sačinjava naš kosmički horizont. Drugim riječima, sve izvan našeg kosmičkog horizonta je toliko daleko da čak i kada bi zraka svjetlosti otputovala u trenu u kojem je nastao univerzum prije 13,8 milijardi, ta udaljenost je tako ogromna da zraka još uvijek nije imala vremena da stigne do nas. Još uvijek nije proteklo dovoljno vremena.

Imamo dobar razlog da vjerujemo da u ovom naizgled beskrajnom univerzumu postoje galaksije izvan našeg horizonta, baš kao što kada stojimo na obali okeana i ne vidimo ništa osim vode imamo razloga da vjerujemo da tamo negdje na kraju ima kopno, izvan našeg vidokruga. Ukoliko bismo uskočili u brod i otplovili, naš horizont bi se pomjerao zajedno sa nama i na kraju bismo ugledali kopno. Isto tako, ukoliko bismo mogli odletjeti u međuzvjezdanom svemirskom brodu na drugi kraj kosmosa, mi bismo se i dalje nalazili u središtu našeg horizonta, gdje god se nalazili. Nažalost, uzimajući u obzir da smo i dalje ograničeni kako zakonima fizike, tako i prijevoznim sredstvima, putovanje dalje od našeg doma u svrhu pomjeranja vidnog polja nije baš praktično. Bez obzira na to što je kosmički horizont subjektivna granica jednako kao i horizont na zemlji, postoji jedna velika razlika među njima.

Kada pogledamo rub vidljivog univerzuma, ono što vidimo je uistinu zapanjujuće. Najudaljenija svjetlost ujedno je i najstarija. Ta je svjetlost nastala od samog Velikog praska. Rani univerzum, već od prvih trenutaka nastajnja, bio je vreo i gust, i svuda je vrvio vibrirajućom plazmom. Na samom rubu našeg vidika gledamo toliko daleko u prošlost da doslovce vidimo svjetleću plazmu. Taj inferno zadržao se oko 380,000 godina prije nego što se svemir proširio i ohladio dovoljno da svjetlost i čestice mogu slobodno putovati kroz njega. Kada posmatramo rub vidljivog svemira, vidimo posljednje tinjajuće žeravice iz te vrele i guste faze. Ono što gledamo je kosmos koji još uvijek gori.

Udaljenost od našeg kosmičkog horizonta nije, kao što biste mogli pomisliti, 13,8 milijardi svjetlosnih godina. Kao što smo gore već naveli, udaljenosti su zbunjujuće u svemiru koji se širi. Nešto što je bilo udaljeno 13,8 milijardi svjetlosnih godina kada je njegova svjetlost započela svoj put prema nama sada je na mnogo većoj udaljenosti. Ukoliko uzmemo u obzir sve te faktore, svijetleća plazma koju vidimo na rubu vidljivog univerzuma sada je zapravo negdje na udaljenosti od oko 45 milijardi svjetlosnih godina.

Samo zato što ne možemo vidjeti stvari izvan našeg plamtećeg horizonta, ne znači da tamo ništa ne postoji. Dokaz koji posjedujemo proučavajući jednoličnost galaksija u svakom dijelu mapiranog kosmosa ukazuje na to da se svemir prostire daleko izvan našeg horizonta i u svakom pravcu. Naš vidokrug ograničen je sticajem okolnosti. Da kojim slučajem živimo u nekoj drugoj galaksiji koja se nalazi malo izvan našeg trenutnog horizonta, sva dosadašnja saznanja o svemiru ukazuju nam na to da bi tamošnji prizor bio veoma sličan onome koji imamo ovdje. Veoma udaljena kosmička prostranstva bi u teoriji mogla biti u cjelosti drugačija. Naravno, to ne možemo znati sa sigurnošću sve dok ih ne budemo mogli vidjeti. Štaviše, obzirom da ne dolaze u dodir sa našim univerzumom, područja na velikoj udaljenosti izvan našeg horizonta radi praktičnosti se mogu smatrati odvojenim i posebnim univerzumima.

Ali šta ako svemir nije samo veći od onoga što sticajem okolnosti percipiramo, nego i od onoga što možemo percipirati? Šta ako se širi u svakom smjeru, a zatim samo u određenim smjerovima?

Iz svakodnevnog iskustva znamo da se svemir sastoji iz tri dimenzije: naprijed/nazad, lijevo/desno, gore/dole. U fizici vrijeme opisujemo kao četvrtu dimenziju, a sve zajedno označavamo kao prostor-vrijeme predstavljeno kroz savitljivu 4D kosmičku mrežu. Zakrivljenost prostor-vremena, osnovni postulat Einsteinove teorije relativnosti, čini da se mreža savija i rasteže kao odgovor na kretanja i masu onoga što se nalazi u njoj. Upravo to je razlog zašto svemir može proširiti i iskriviti protok vremena i zašto vrijeme prolazi sporije ako ste u brzoj raketi ili ako se nalazite u blizini crne rupe.

Međutim, fizičari se godinama pitaju da li tri dimenzije svemira koje poznajemo predstavljaju samo dio šire slike. Postojanje drugih prostornih dimenzija koje se prostiru u novim pravcima zbog čega ih mi ne možemo percipirati pomoglo bi nam pri objašnjavanju zbunjujućih aspekata teorijske fizike i ponašanja gravitacije. Ukoliko bismo dodali još jednu prostornu dimenziju univerzumu i otkrili da gravitacija može „procuriti“u nju, čineći njenu silu slabijom nego inače, time bismo možda mogli objasniti zašto je njena sila tako sićušna u usporedbi sa silama koje upravljaju fizikom elementarnih čestica.

Više dimenzije svemira su isto tako uvijet za teoriju struna, koja polazi od toga da su ono što mi nazivamo elementarnim česticama zapravo strune energije koje vibriraju u nekoliko dodatnih dimenzija koje možemo vidjeti. Prema tim teorijama, te dodatne dimenzije su „kompaktifikovane“, zbijene su, tako da čak i kada biste uspjeli pronaći jedan od tih novih smjerova i krenuli na put, ne biste mogli otići veoma daleko prije nego što biste završili na mjestu s kojeg ste krenuli.

Ali šta ako dodatna dimenzija krije u potpunosti novi univerzum?

Jedna hipoteza o strukturi našeg kosmosa formulirana u ranim 2000-im, ukazuje na to da možda živimo u trodimenzionalnoj „brani“ (izvedenoj iz riječi „membrana“) na rubu većeg svemira sa četiri prostorne dimenzije (plus vrijeme). U toj višedimenzionalnoj „masi“ mogla bi se nalaziti još jedna 3D brana koja sadrži drugi svemir koji bi se, s vremena na vrijeme, možda mogao sudarati sa našim. Začetnici ove teorije nazvali su je „ekpirotskim“ modelom kosmosa, prema grčkoj riječi za požar, čime se potvrđuje činjenica da bi se svakim kosmičkim sudarom stvorili vatreni uslovi za Veliki prasak, i koja bi mogla objasniti porijeklo i konačnu sudbinu našeg svemira. Prema ovom modelu, brane se naizmjence približavaju jedna drugoj, sudaraju se a zatim se opet udaljavaju u beskonačnom ciklusu idući od Velikog praska, širenja, do Velikog sažimanja i na kraju opet do Velikog praska. Obrasci struktura koje danas vidimo u svemiru (rasprostranjenost galaksija i sazvježđa) su prema ovom modelu nastali interakcijom dvije brane u sporoj fazi urušavanja prije Velikoga praska.

Iako se na prvi pogled mogu činiti pretjeranim pretpostavke o postojanju viših dimenzija i novih svemira samo da bismo objasnili Veliki prasak, postoje dobri razlozi zbog kojih fizičari ove ideje uzimaju za ozbiljno. Standardna slika ranog svemira vjerovatno je mnogo složenija nego što mislite. Kada razmišljate od Velikom prasku, prva stvar koja vam pada na pamet je vjerovatno njegova singularnost, neizmjerna tačka beskonačne gustoće u kojoj se sastoji čitav svemir i vrijeme koja iznenada eksplodira i tako stara čitav kosmos. Ta ideja postala je popularna zahvaljujući Einsteinovim jednadžbama gravitacije koje mogu opisati kosmos koji počinje na taj način (i koji se možda savija sa singularnošću Velikog sažimanja na kraju), ali se ne poklapa sa onim na što nam naša promatranja ukazuju. Pozadinsko svjetlo koje vidimo na kosmičkom horizontu, zaostali odbljesak Velikog praska, nam ukazuje na to da jednostavna evolucija od singularnosti do velikog, divnog svemira u kojem sada uživamo naprosto nema smisla.

Problem se sastoji u tome što zaostali odbljesak Velikog praska, poznat pod nazivom kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, je previše savršen. Do besmislenog stepena preciznosti (jedan dio u 100,000), izgleda jednako u svakom pravcu. Ista boja (ili bolje rečeno frekvencija, obzirom da se radi o mikrovalnom svjetlu), isti spektar, isti intenzitet. Ovo predstavlja problem zato što nema razloga zašto bi dva područja na suprotnim stranama neba bila jednaka. Ako je sve počelo zajedno, umotano u singularnost, način na koji se širilo morao je proizvesti ekstremne razlike u različitim dijelovima ranog kosmosa. Područja koja se sada nalaze na velikim udaljenostima, u fazi širenja vatrene kugle u kosmičkoj evoluciji nikada nisu imali priliku da se dogovore koje će biti temperature. Kosmička mikrovalna pozadina morala bi biti u potpunosti drugačija na jednom kraju neba od drugog kraja.

Objašnjenje oko kog su se fizičari složili 1980-ih godina otvorilo je novo poglavlje u našoj kosmičkoj historiji. Šta ako je, zapitali su se, možda u najranijem kosmosu, još i prije faze velike vatrene kugle, bio period ekstremno brzog širenja? Možda je malo prije singulariteta (pod pretpostavkom da ga je bilo), rani kosmos uistinu bio fragmentirana masa - mnogo toplija na jednim, a hladnija na drugim mjestima. Ali onda se kosmos počeo širiti tako velikom brzinom da se je jedan mali fragment, previše mali da bi posjedovao velike razlike, širio dok nije postao dovoljno veliki da sačini čitav nama vidljivi svemir. Fizičari su zatim pretpostavljali da kakva god bila ta nova i neobična komponenta svemira koja je prouzrokovala ubrzano eksponencijalno širenje (poznato pod nazivom „kosmička inflacija“), odjednom je svuda dezintegrirala u radijaciju i zapalila kosmičku vatrenu kuglu koja se širila, a koja je vidljiva u pozadinskom svjetlu koje i danas možemo uočiti.

Iz onoga što smo do sad vidjeli, čini se da se inflacija dobro uklapa u našu trenutačnu paradigmu, i čak lijepo objašnjava vrlo male fluktuacije (1/100,000) zabilježene u kosmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju. Ali nemamo, što biste rekli, čvrst dokaz da se desila, niti kako i zašto je počela i šta ju je uzrokovalo.

I usput rečeno, čak ni u paradigmi inflacije vjerovatnoća da će nas udariti neki drugi univerzum nije u potpunosti isključena.

Ukoliko se inflacija stvarno desila, slijed događaja koji su proizveli naš vidljivi svemir mogao bi se stalno dešavati u različitim dijelovima mnogo većeg svemira, u procesu koji se naziva „vječna inflacija“. Ideja se sastoji u tome da je veći pozadinski svemir uvijek pod inflacijom, ali s vremena na vrijeme, u njegovim malim dijelovima inflacija prestaje, taj djelić svemira se zagrijava i započinje obična kosmička ekspanzija. Ovim bi se stvorila neka vrsta multiverzuma, u vidu malih mjehurastih svemira, oblikovanih tim odvojenim područjima nastalim nakon inflacije, a koja stalno nestaju sa inflacijske pozadine. Konstantnim širenjem svemira svaki univerzum bi bio odvojen od drugih, tako da njihova interakcija ne bi bila moguća. Barem ne većinu vremena.

S vremena na vrijeme, dva mjehurasta univerzuma mogla bi se približiti jedan drugom. Ukoliko se to desi i ukoliko se svaki nastavi širiti, u jednoj tački bi se mogli sudariti, ostavljajući mjehuraste otiske nalik ogrebotinama na međusobnim pozadinskim svjetlima.

Astronomi tragaju za tim ogrebotinama. Za sad se ništa nije pojavilo, ali nastavljamo sa potragom. U međuvremenu, neki od nas će sumnjičavo promatrati sliku inflacije, sa njenim nepoznatim mehanizmom i beskonačnim multiverzumima i pokušati pronaći rješenje koje bi bilo vjerodostojnije.

Što se tiče ekpirotskog modela, on je pretrpio brojne revizije tokom godina, a njegova trenutna verzija uopće ne uključuje više dimenzije ili kosmičke sudare. Na neki način, više liči na inflaciju: više nije upravljan gibanjima brana već evolucijom skalarnog polja, koje predstavlja vrstu energetskog polje koje ispunjava svemir, a za koje fizičari misle da je slično onome što je pokrenulo kosmičku inflaciju. (Neki modeli inflacije još uvijek koriste pojam brana samo da bi stvari učinili interesantnijim.) Iako ne uključuje veliki kosmički sudar, ekpirotski model i dalje uključuje tranziciju između urušavanja i Velikog praska. U novim verzijama, međutim, urušavanje je poprilično skromno i prvo dovodi do manjeg sažimanja nakon kojeg uzrokuje požar kojim započinje novi ciklus. Ukoliko bi na taj način beskonačno cirkulirao, ne bi se stvorili manji univerzumi, već bi naš svemir bio ogromni kosmos koji vječito raste: širi se, stane, a zatim se opet širi i tako u nedogled.

Nama vidljivi svemir ograničen je kosmičkim horizontom. Ne možemo vidjeti dalje od njega, i ukoliko se naše razumijevanje strukture stvarnosti u potpunosti ne promijeni, možemo biti sigurni da nikada nećemo. Širenje svemira se ubrzava i sve što se nalazi van našeg horizonta bit će nošeno sve brže, a njegovu svjetlost više nikada nećemo uspjeti sustići. Iako možda nikada nećemo moći sa sigurnošću reći šta se nalazi izvan te granice, svim teorijama je zajedničko to da je vidljivi svemir dio mnogo, mnogo većeg svemira.

Da li se taj svemir sastoji od multiverzuma, svaki upravljan različitim zakonima fizike; da li je dio svemira koji se stalno širi, u kojem smo mi samo jedan dio u jednom ciklusu; ili da li se svemir širi u pravcima koje ne možemo ni zamisliti, sve su to pitanja na koja trenutno nemamo odgovora. Ali u potrazi smo za znacima.

Obrasci kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, raspored galaksija, pa čak i eksperimenti testiranja gravitacije i ponašanje fizike elementarnih čestica daju nam uvid u osnovnu strukturu svemira, te njegovu evoluciju od samog začeća. Sve smo bliži trenutku kada ćemo moći ispričati našu potpunu kosmičku priču. Već sada jasno možemo vidjeti vatru u kojoj je skovan naš univerzum nedugo nakon začeća. Zahvaljujući tragovima koje prikupljamo sada, jednoga dana bismo možda mogli ispratiti priču sve do njenog kraja.



Autorica: Katie Mack, profesorica fizike na Univerzitetu Sjeverne Karoline. Autorica je knjige „Kraj svega (astrofizički govoreći)“, koja je objavljena u augustu 2020. Tekst je objavljen na web magazinu aeon.co. S engleskog jezika za Prometej.ba prevela Amina Turudija.

prometej