Svemir je, što bi se reklo, veliki. U Autostoperskom vodiču kroz galaksiju (1979) Daglas Adams objašnjava: „Možda vam je apoteka daleko, ali to je u svemiru sitnica“. Nije lako u svakodnevnom govoru izraziti ogromnost kosmosa kada je mnogima od nas teško da zamisle čak i veličinu Zemlje, a kamoli galaksiju ili nepregledna prostranstva intergalaktičkog svemira. Često se služimo svetlosnom godinom – razdaljinom koju svetlost prevali za godinu dana – kao da je brzina svetlosti nekako razumljivija nego broj napisan u bilionima kilometara. To je način na koji uzimamo mere (recimo, razdaljinu između Zemlje i Meseca svetlost prelazi za 1,3 sekunde) ali u našem svakodnevnom iskustvu svetlost je momentalna. To je kao kada bismo o zgradi govorili na atomskom nivou.
Piše Katie Mack, Aeon
Prevela Milica Jovanović, Peščanik.net
Možda da se poslužimo vlastitim iskustvom za poređenje? Udaljenost Meseca iznosi 32 miliona školskih autobusa. Ako biste u jednom od njih mogli da se odvezete do Meseca, brzinom od 100 kilometara na sat, trebalo bi vam 166 dana da stignete. Sumnjam da je ovo lakše.
Volela bih da mogu da kažem da astronomi imaju bolje intuitivno razumevanje čitave te priče. Ali nije tako. Mozak ne radi na taj način. Zato se ispomažemo brojevima. Koristimo veće merne jedinice za veća prostranstva: kilometri, svetlosne godine, parseci, kiloparseci, megaparseci, gigaparseci. Lakše nam je sa eksponentima (1.000 je 103; 1 bilion je 1012) i da mislimo u logaritamskim intervalima, gde je svaki naredni korak nova snaga od 10. U nekom trenutku, razdaljina više nije jednostavna ideja. Ovde, u Sunčevom sistemu, prostor i vreme se uglavnom lepo ponašaju, ali kada je reč o kosmosu kao celini, treba računati na činjenicu da svemir ne miruje dok ga mi merimo.
Svemir se širi još od Velikog praska i neće uskoro prestati. Ako posmatrate neku udaljenu galaksiju, ne samo što treba da znate da je prizor koji gledate zastareo, već treba da računate i na činjenicu da se ona više ne nalazi tu gde je gledate. Na primer, posmatrali ste eksploziju supernove u galaksiji udaljenoj milijardu svetlosnih godina. Da li je ta supernova sada eksplodirala ili je eksplodirala pre milijardu godina? Reći ćete da je tačan ovaj drugi odgovor, jer je ta svetlost putovala do nas milijardu godina, ali pošto tada nije bilo načina da se to vidi, šta uopšte znači reći da je eksplodirala u prošlosti? Galaksija udaljena milijardu svetlosnih godina – koliko je to u stvari daleko? Možda je pre milijardu godina bila udaljena milijardu svetlosnih godina, ali se univerzum za svo to vreme neprestano širio, što znači da je sad još udaljenija. Koju ćemo razdaljinu uvažiti?
Čak se i protok vremena menja pod uticajem širenja svemira. Možemo posmatrati isijavanje i zamračenje te zvezde u eksploziji i možemo reći da joj je bilo potrebno oko 100 dana da ugasne. Ali ako je uporedimo sa nekom obližnjom supernovom vidimo da joj je, u proseku, trebalo par dana duže. Iz naše perspektive, eksplozija zvezde se odvija kao u usporenom filmu.
I pored ograničenja, trudimo se da izmerimo naš svemir i kvantifikujemo njegova najudaljenija prostranstva. Katalogizovali smo nebrojene galaksije, od kojih su neke toliko daleke da je njihovoj svetlosti bio potreban gotovo čitav životni vek kosmosa da bi stigla do nas. Pretraživali smo naše mape kosmosa u potrazi za nekim nagoveštajem ivice ili centra i nismo ih našli. Nema razloga da verujemo da se kosmos naprosto ne pruža svuda, u svakom pravcu, bez značajnih promena u sadržaju ili strukturi. Naša galaksija je samo zrno peska u ogromnoj, neprekidnoj pustinji; kada bismo mogli čitavu da je obuhvatimo pogledom, sve bi izgledalo manje više isto.
Ipak, postoji limit. Koliko god naši teleskopi bili moćni i koliko god dugo zurili, nikada nećemo videti ništa preko ivice kosmičkog balona koji zovemo naš „vidljivi univerzum“. To je zamišljena sfera, u čijem smo centru mi, a definisana je brzinom svetlosti i starošću kosmosa. Poluprečnik tog balona predstavlja razdaljinu koju bi zrak svetla mogao da prevali da je putovao tokom čitavog života univerzuma.
Pa ako zapravo gledamo u prošlost svaki put kada pogledamo u kosmos, ima smisla pretpostaviti da bi pogled u dovoljno udaljenu oblast mogao značiti da gledamo u tako daleku prošlost, da je to trenutak kada je univerzum stvoren. To definiše naš kosmički horizont. Drugim rečima, sve što je izvan našeg kosmičkog horizonta toliko je daleko da čak i da je zrak svetlosti krenuo sa te tačke u trenutku kada je univerzum začet, pre 13,8 milijardi godina, razdaljina je tolika da zrak nije imao vremena da stigne do nas. Nije bilo toliko vremena.
Imamo jake razloge da verujemo da u ovom, naizgled bezgraničnom univerzumu postoje galaksije izvan horizonta – baš kao što kada stojite na obali okeana i ne vidite ništa sem vode, opravdano verujete da postoji kopno tamo negde, preko granice do koje dopire vaš pogled. Ako se ukrcate na brod i otplovite, vaš horizont će se kretati zajedno s vama i na kraju ćete ugledati zemlju. Slično tome, kada biste mogli da se ukrcate na međuzvezdanu raketu i odletite u drugi deo kosmosa, vi biste i dalje bili centar svoga horizonta, gde god da se nalazite. Nažalost, ograničeni zakonima fizike i vrstama prevoza, nismo u stanju da otputujemo dovoljno daleko od kuće da bi se naše vidno polje značajno promenilo. Ali ipak možemo da izvedemo neke zaključke o tome šta bi se moglo nalaziti izvan tog polja. Uprkos tome što je kosmički horizont subjektivna granica baš kao i horizont na Zemlji, među njima postoji jedna važna razlika.
Kada pogledamo na kraj vidljivog univerzuma, ono što vidimo zaista je zapanjujuće. Najudaljenija svetlost takođe je najstarija; to je svetlost iz samog Velikog praska. Rani univerzum, neposredno nakon prvih trenutaka stvaranja, bio je vreo i gust, svuda, ispunjen vibrirajućom plazmom; baš na ivici našeg vidnog polja, gledamo u prošlost tako daleku da bukvalno vidimo tu blještavu plazmu. Taj inferno je opstojavao oko 380.000 godina pre nego što se svemir dovoljno raširio i ohladio da su svetlost i čestice mogle slobodno da se kreću. Kada pogledamo na ivicu vidljivog univerzuma, vidimo poslednje tinjajuće ugarke te vrele guste faze. Vidimo kosmos koji još uvek gori.
Udaljenost našeg kosmičkog horizonta nije 13,8 milijardi svetlosnih godina, kako bi se to moglo očekivati. Razdaljine su, dakle, čudna stvar u univerzumu koji se širi. Nešto što je bilo 13,8 milijardi svetlosnih godina daleko kada je svetlost odatle krenula ka nama, sada je mnogo dalje. Kad se sve to uračuna, ta blješteća plazma koju posmatramo na samoj ivici vidljivog univerzuma sada je udaljena oko 45 milijardi svetlosnih godina.
To što ne možemo videti ništa preko našeg plamenog horizonta, ne znači da tamo nema ničega. Podaci koje imamo iz proučavanja istovrsnosti galaksija u svakom delu kosmosa koji smo mapirali, ukazuju da se kosmos pruža daleko izvan našeg horizonta, u svakom pravcu; granice našeg vidnog polja zavise od našeg ugla posmatranja. Kada bismo živeli u galaksiji koja se nalazi tik izvan našeg sadašnjeg horizonta, sve što znamo o kosmosu sugeriše da bi naš pogled odatle bio prilično sličan pogledu koji imamo odavde. Naravno, udaljena prostranstva kosmosa mogla bi, u principu, biti sasvim drugačija – ne možemo to znati izvesno kad ne možemo da ih vidimo. Zapravo, područja dovoljno daleko izvan našeg horizonta mogu se čak smatrati odvojenim, izolovanim univerzumima, u svakom praktičnom smislu, jer ne mogu biti u interakciji sa našim univerzumom.
Ali šta ako univerzum nije samo veći od onoga što vidimo, iz svog ugla, nego je veći i nego što to uopšte možemo opaziti? Šta ako se pruža u svim pravcima i još povrh toga?
Naše svakodnevno iskustvo nam govori da kosmos ima tri dimenzije. Napred/nazad, levo/desno, gore/dole. U fizici o vremenu govorimo kao o četvrtoj dimenziji, a sve zajedno ih opisujemo kao prostor-vreme, neku vrstu savitljive 4D kosmičke rešetke. Fleksibilnost prostor-vremena, osnovno načelo Ajnštajnove relativnosti, omogućava toj rešetki da se uvija i rasteže reagujući na kretanje i masu svega što se u njoj nalazi. Zato kosmos može da se širi i da menja protok vremena; zato vreme sporije prolazi ako putujete brzom svemirskom raketom ili se zateknete u blizini crne rupe.
Međutim, fizičari se već godinama pitaju da li su tri dimenzije prostora koje znamo iz svog iskustva samo deo šire slike. Ako postoji više prostornih dimenzija, pruženih u pravcima koje ne možemo da opazimo, to bi moglo da objasni neke zbunjujuće aspekte teorijske fizike kao i ponašanje gravitacije. Dodajte univerzumu još jednu dimenziju prostora i videćete da gravitacija može u nju da „procuri“, što čini da sila izgleda slabija nego što stvarno jeste, dok potencijalno može objasniti zašto joj je snaga tako neznatna u poređenju sa silama koje upravljaju fizikom čestica.
Više dimenzije prostora takođe su potrebne za teoriju struna koja kaže da ono što vidimo kao elementarne čestice zapravo predstavlja strune energije koje vibriraju u još nekoliko dimenzija pored ovih koje opažamo. Po tim teorijama, dodatne dimenzije su „kompaktifikovane“ – umotane u sebe – tako da ako biste i uspeli da nađete neki od tih novih pravaca i krenete na put, ne biste daleko odmakli pre nego što završite na istom mestu sa koga ste krenuli.
Ali šta ako bi dodatna dimenzija mogla da skriva čitav univerzum?
Jedna hipoteza o strukturi našeg kosmosa, razvijena početkom 2000-ih, kaže da možda živimo u trodimenzionalnoj „brani“ (kao membrana) na ivici većeg svemira sa 4 prostorne dimenzije (plus vreme). Unutar te „hrpe“ dimenzija mogla bi postojati još jedna 3D brana, koja sadrži još jedan univerzum koji bi, s vremena na vreme, mogao da se sudara s našim. Začetnici ove teorije nazvali su je „ekpirotički“ model kosmosa, po grčkom izrazu za konflagraciju, opšte sagorevanje – što sugeriše činjenicu da bi svaka kosmička kolizija rezultirala u uslovima ognja Velikog praska – i mogla bi objasniti poreklo i eventualnu sudbinu našeg univerzuma. Po tom modelu, brane se kreću jedna ka drugoj, sudaraju se i zatim se opet razdvajaju u beskrajnom ciklusu od Velikog praska, preko širenja, do Velikog kraha i nazad u Veliki prasak. Šabloni strukture koju danas vidimo u kosmosu (distribucije galaksija i klastera) po ovom modelu su začeti interakcijom između dve brane u fazi sporog kolapsa pre Praska.
Mada na prvi pogled izgleda suvišno pretpostaviti više dimenzije i nove univerzume samo da bi se objasnio Veliki prasak, fizičari imaju jake razloge zbog kojih takve ideje shvataju ozbiljno. Standardni model ranog univerzuma komplikovaniji je nego što su vas uveravali. Kada pomislite na Veliki prasak, verovatno je prva stvar koja vam padne na pamet singularnost – infinitezimalna tačka beskrajne gustine koja u sebi sadrži sav prostor i vreme, a koja iznenada eksplodira da stvori čitav kosmos. Ta ideja je postala popularna jer se Ajnštajnovim jednačinama gravitacije može opisati kosmos koji tako počinje (i možda se na kraju sažima u singularnosti Velikog kraha) ali ne odgovara onome što vidimo u svojim posmatranjima. To pozadinsko svetlo koje vidimo tačno na kosmičkom horizontu, taj odsjaj Velikog praska, govori nam da jednostavna evolucija iz singularnosti do velikog predivnog univerzuma u kome danas uživamo naprosto nema smisla.
Problem je u tome što je odsjaj Velikog praska, koji zovemo kosmička mikrotalasna pozadina, suviše savršen. Izgleda isto, u svakom pravcu, do apsurdnog stepena preciznosti (jedan deo od 100.000). Ista boja (ili, bolje reći frekvencija, jer je reč o mikrotalasnom svetlu), isti spektar, isti intenzitet. To stvara problem jer nema razloga zbog koga bi se dva područja na suprotnim stranama neba do te mere poklapala. Čak i ako je sve počelo zajedno, sabijeno u singularnosti, način na koji se širilo ka spolja trebalo bi da podrazumeva ekstremne razlike u različitim delovima ranog kosmosa. Područja koja se sada nalaze daleko jedna od drugih, u fazi kosmičke evolucije u kojoj je kosmos vatrena lopta koja se širi, nikada nisu imala šansu da usklade temperaturu. Kosmička mikrotalasna pozadina bi trebalo da prikazuje drastične razlike od jedne do druge strane neba.
Objašnjenje sa kojim su se fizičari složili 1980-ih otvorilo je novo poglavlje u našoj kosmičkoj priči. Šta ako je u vrlo ranom kosmosu, pre faze užarene lopte, postojao period ekstremno ubrzanog širenja, zapitali su se fizičari. Možda je odmah nakon singularnosti (pod pretpostavkom njenog postojanja), rani kosmos stvarno bio haotični pačvork – prevruć na pojedinim mestima, hladan na drugima. Ali onda je kosmos počeo tako naglo da se širi da se jedan manji deo, suviše mali za varijacije, rastegnuo dok nije postao dovoljno prostran da u njega stane čitav naš vidljivi univerzum. U tom trenutku, pretpostavili su fizičari, kakva god bila ta čudna nova komponenta univerzuma koja je izazvala to super-rastezanje (zovemo ga „kosmička inflacija“) iznenada se svuda raspala u radijaciju i zapalila vatrenu kuglu kosmosa koji se širi, vidljivu u pozadinskom svetlu koje danas možemo da detektujemo.
Iz onoga što smo dosad videli, teorija inflacije dobro objašnjava našu aktuelnu paradigmu, pa čak i sitne fluktuacije opažene u svetlosti kosmičke mikrotalasne pozadine. Ali još uvek nemamo čvrst dokaz da se inflacija desila, niti možemo da kažemo kako ili zašto je počela, ni šta ju je pokrenulo.
Uzgred, čak i prema paradigmi teorije inflacije, verovatnoća da jedan univerzum naleti na drugi nije potpuno isključena.
Ako se inflacija i desila, sled događaja u kome je stvoren naš vidljivi univerzum mogao se dešavati iznova u različitim područjima mnogo većeg svemira, u procesu zvanom „večna inflacija“. Po ovoj teoriji, taj veći pozadinski svemir je uvek u inflaciji ali se povremeno, u manjem njegovom delu, inflacija zaustavi; taj deo univerzuma se zagreje i počinje normalna kosmička ekspanzija. To bi stvorilo neku vrstu multiverzuma, gde manji mehur-univerzumi, omeđeni odvojenim post-inflatornim područjima, neprekidno ispadaju iz te inflatorne sredine. Mehur-univerzumi bi bili odvojeni tim stalno širećim prostorom i među njima ne bi bilo interakcije. Uglavnom.
Povremeno se dva mehur-univerzuma mogu naći blizu jedan drugom. Ako se to desi, dok se svaki od njih i dalje širi, u nekom trenutku bi moglo doći do sudara, što bi na pozadinskom svetlu ostavilo otisak u obliku mehura kao ožiljak.
Astronomi tragaju za tim ožiljcima. Nijedan se dosad nije ukazao, ali tragamo i dalje. U međuvremenu, neki od nas će nastaviti da sa podozrenjem gledaju na sliku koju pruža teorija inflacije, sa svojim nepoznatim pogonom i beskonačnim multiverzumima, u nastojanju da smislimo neku prihvatljiviju alternativu.
Ekpirotički model je tokom godina pretrpeo brojne revizije; aktuelna verzija uopšte ne obuhvata više dimenzije ili kosmičke kolizije. U izvesnom smislu on sada liči na teoriju inflacije: pogon nisu pokreti brana već evolucija skalarnog polja, vrste energetskog polja koje ispunjava prostor, slična onome za šta većina fizičara smatra da je pokrenulo kosmičku inflaciju. (Dok neki novi modeli inflacije takođe uključuju i multi brane, čisto da zakomplikuju stvar). Iako više ne zahteva grandiozne kosmičke sudare, ekpirotički model ipak obuhvata prelaz između kolabirajućeg univerzuma i Velikog praska. Po novoj verziji, međutim, taj kolaps bi mogao biti relativno skroman, sa malo kompresije pre nego što se pokrene sagorevanje u kome započinje novi ciklus. Ako su to večni ciklusi, umesto beskrajnih džepova univerzuma, naš svemir bi mogao biti jedan gigantski kosmos koji stalno raste: širi se, pa zastane, pa nastavi da se širi i tako stalno.
Kosmički horizont kojim je omeđen naš vidljivi univerzum je tvrda granica. Naš pogled ne dobacuje preko i možemo biti uvereni da nikada i neće, osim ako ne bude nekih dramatičnih promena u našem razumevanju strukture stvarnosti. Širenje kosmosa se ubrzava; ono što se sada nalazi izvan našeg horizonta, sve brže se udaljava od nas i njegova svetlost to nikada neće nadoknaditi. Mada možda nikada nećemo moći da sa sigurnošću kažemo šta se nalazi izvan te granice, sve postojeće teorije se slažu da je naš vidljivi univerzum deo mnogo, mnogo većeg prostora.
Da li taj prostor sadrži multiverzum mehurova, od kojih svaki ima drugačije zakone fizike; ili je on deo stalno rastućeg kosmosa u kome smo i mi samo jedan segment jednog ciklusa; ili se svemir pruža u pravcima koje ne možemo ni da zamislimo? U ovom trenutku naprosto ne znamo. Ali tragamo za znacima.
Šabloni u svetlosti kosmičke mikrotalasne pozadine, distribucija galaksija, pa čak i eksperimenti sa gravitacijom i ponašanjem fizike čestica, pružaju nam uvid u temeljnu strukturu univerzuma i njegovu evoluciju u najranijem periodu. Sve smo bliži mogućnosti da ispričamo našu kosmičku priču do kraja. Već sada možemo direktno da posmatramo vatru u kojoj je naš univerzum iskovan, u trenucima neposredno nakon njegovog početka. Sa tragovima koje prikupljamo danas, jednog dana ćemo možda otkriti tu priču u potpunosti.
Tekst zasnovan na autorkinoj knjizi The End of Everything (Astrophysically Speaking) / Kraj svega (u astrofizičkom smislu), Scribner 2019.