INDEX ANALIZA Zašto su se najveći fizičari svijeta žestoko posvađali oko teorije o nastanku svemira

FOTO: YouTube/Wikipedia, Hina
 

SLAVNI britanski znanstvenik Stephen Hawking, zajedno s još 32 vrhunskih fizičara, potpisao je ovih dana otvoreno pismo koje predstavlja oštar odgovor na kritike fizičarskog trojca na račun teorije inflacije koja tumači ranu fazu nastanka svemira.

U kritikama objavljenim u časopisu Scientific American u veljači 2017. troje fizičara ustvrdilo je da je teorija inflacije toliko manjkava u svojim predviđanjima i eksperimentalnim potvrdama da se čak ne može smatrati znanstvenom teorijom.

Tekst je razljutio brojne fizičare i kozmologe, pobornike inflacije.

U čemu je stvar?

Veliki prasak i teorija inflacije

Brojna znanstvena promatranja slažu se s idejom da je svemir nastao u velikom prasku prije nekih 13,7 milijardi godina. Temelje toj ideji udario je američki astronom Edwin Hubble koji je 1922. godine, na temelju promatranja galaksija i crvenog pomaka u njihovu sjaju, otkrio da se svemir širi.

No teorija velikog praska, mada vrlo uspješna, ipak nije mogla objasniti neke fenomene koje danas vidimo u svemiru (što nije neuobičajeno jer malo koja teorija može objasniti sve, osobito u ranijim fazama svojeg razvoja). Prije svega to se odnosi na tri pojave: uniformnost svemira, činjenicu da je svemir ravan te na nepostojanje hipotetskih čestica monopola.

Ove probleme dobro tumači teorija inflacije, koju je prvi predstavio Alan Guth 1980. Ona je danas najprihvaćenije tumačenje rane faze u razvoju svemira, a postala je sastavnim dijelom mnogih udžbenika fizike i kozmologije.

Što su ti problemi i kako ih inflacija tumači?

Problem uniformnosti svemira

Problem uniformnosti ili glatkoće svemira još se naziva i problemom horizonta vidljivog svemira (pretpostavlja se da je svemir mnogo veći od onoga koji možemo vidjeti, no svjetlost iz tih područja nije stigla doći do nas za trajanja svemira). U čemu se sastoji taj problem? Zakoni termodinamike kažu nam da će se različite temperature dva objekta, jednog toplijeg i drugog hladnijeg izjednačiti ako im damo dovoljno vremena. Šalica vruće kave s vremenom će poprimiti sobnu temperaturu. Velika soba s vremenom će postati malčice toplija, a malena šalica kave značajnije hladnija. Kada se temperature izjednače, prijenos energije s toplijeg tijela na hladnije prestaje. Mjerenja kozmičkog pozadinskog mikrovalnog zračenja (CMB), jeke velikog praska, pokazuju da su svi dijelovi vidljivog svemira fascinantno ujednačene temperature – odstupanja hladnijih dijelova u odnosu na toplije su oko jedan na milijun (slika CMB-a dolje). No prema jednostavnoj teoriji velikog praska, bez inflacije, dva suprotna kraja na horizontima vidljivog svemira nisu imala dovoljno vremena čak ni da uspostave međusobnu komunikaciju, a kamoli da im se temperature izjednače. Kako to znamo? Svjetlosti s jednog kraja na horizontu koji vidimo trebalo je 13,7 milijardi godina da doputuje do nas danas. Svjetlosti s drugog, suprotnog kraja, trebalo je isto toliko. Da bi oba kraja uspostavila međusobnu komunikaciju, odnosno da bi svjetlost stigla od jednog horizonta do drugog, trebalo bi proći više nego  dvostruko duže (jer se svemir širi), što je, naravno, mnogo duže od postojanja svemira.

Teorija inflacije predstavlja elegantno rješenje za ovaj problem. Naime, svemir je u ranoj fazi nastajanja, prije početka inflacije, bio izuzetno malen, imao je dimenzije milijarditog dijela protona. Mada je početna faza trajala izuzetno kratko, bio je dovoljno malen i imao je dovoljno vremena da svjetlost proputuje njime i da se sve nejednakosti u temperaturama u njemu izjednače. U kratkom razdoblju inflacije, koje je počelo negdje 10^-36 sekundi od samog početka stvaranja i trajalo do 10^-32 sekundi, svemir se širio eksponencijalno. Za to vrijeme on se stotinjak puta udvostručio, udvostručio, udvostručio itd. Na taj način, na kraju razdoblja inflacije, narastao je do dimenzija koje se mogu usporediti s veličinom grejpa. Vrtoglavo širenje u inflaciji, brže od brzine svjetlosti, omogućilo je da se svemir značajno raširi, a da pritom ostane uniforman. Tu treba imati na umu da se prostor može širiti brže od svjetlosti. Ograničenje vrijedi za putovanje svjetlosti, odnosno tijela KROZ prostor.

Problem ravnog svemira

Negdje 1960-ih godina prošlog stoljeća postalo je jasno da je gustoća materije u svemiru takva da odgovara kritičnoj gustoći koja je ključna da bi geometrija svemira bila ravna, odnosno euklidska. U ravnom svemiru zbroj svih kutova u trokutu je točno 180 stupnjeva. Kada bi gustoća bila malo veća, svemir bi bio zatvoren, odnosno bio bi zakrivljen poput kugle. U takvom svemiru zbroj svih kutova trokuta bio bi veći od 180 kao što jest na trokutu koji nacrtate na košarkaškoj lopti. Kada bi bila malo manja, svemir bi bio otvoren, a zbroj svih kutova bio bi manji od 180. Geometrija takvog svemira je hiperbolična, odnosno nalik je na sedlo, a dvije crte koje se nikada ne susreću nisu paralelne u smislu da su uvijek jednako udaljene već imaju točku u kojoj se najviše približavaju da bi se potom udaljile (ilustracija dolje).

Znanstvenici smatraju da sudbina svemira ovisi o njegovoj geometriji. Zatvoreni svemir trebao bi se širiti do određenog trenutka u budućnosti nakon čega bi gravitacija konačno zaustavila širenje i pokrenula njegovo sažimanje.

Otvoreni svemir, čak i bez tamne energije koja djeluje odbojno, nema dovoljnu gustoću materije da bi gravitacija zaustavila njegovo širenje i započela sažimanje. On se širi zauvijek i sve brže.

Ravni svemir, kada u njemu ne bi bilo tamne energije, širio bi se zauvijek, ali sve sporije tako da bi negdje u beskonačnoj budućnosti to širenje stalo. U ravnom svemiru s tamnom energijom širenje neko vrijeme usporava zahvaljujući gravitaciji, međutim, kasnije se ubrzava jer gravitacija slabi, a tamna energija ga nastavlja širiti.

Suvremena promatranja svemira potvrdila su da je svemir ravan, barem ovaj vidljivi dio. No teorija velikog praska, bez inflacije, teško može objasniti kako je gustoća mase u svemiru ispala tako fino podešena da odgovara kritičnoj koja je potrebna da bi svemir bio ravan, dakle niti otvoren niti zatvoren. Da je na početku bila samo malo veća od kritične, kasnije bi to odstupanje, sa širenjem, postajalo samo veće, Da je bila malo manja, sa širenjem bi postala još manja.

Inflacija tjera svemir da se razvija bliže kritičnoj gustoći. Kako? U teoriji velikog praska bez inflacije sa svemirom koji se širi pada i gustoća svemira jer se materija u njemu prorjeđuje – omjer materije koja je konstantna i prostora koji se širi pada. No u svemiru koji se širi inflacijom i postaje sve ravniji, kao što površina balona koji napuhavamo postaje sve ravnija, gustoća energije ostaje ista.

Inflacija pretpostavlja postojanje polja koje prožima svemir, a koje potiče širenje svemira. To polje sadrži određenu gustoću energije, međutim, za razliku od gustoće materije ili zračenja u kasnijem svemiru, koja opada s vremenom (zbog širenja), gustoća inflacijskog polja ostaje uglavnom ista, unatoč širenju.  Na taj način inflacija otklanja problem velike ovisnosti gustoće svemira o početnoj gustoći.
 

Problem monopola

Problem magnetskog monopola proizlazi iz teorija velikog ujedinjenja koje kažu da su se u ranom svemiru koji je bio jako vruć trebali stvarati brojni stabilni magnetski monopoli. Te hipotetske čestice trebale su opstati sve do danas u tolikom broju da su trebale biti jedan od glavnih sastojaka svemira. Međutim, mi ih nigdje ne nalazimo. Inflacija koja se pokreće na temperaturama nižim od onih potrebnih za stvaranje obilja monopola moguće je rješenje za ovaj problem. Ona bi relativno malen broj monopola munjevitim brzinama razdvojila na tako velike udaljenosti da bi ih danas bilo praktički nemoguće pronaći.

Kritičari inflacije nisu osobito impresionirani rješenjem ovog trećeg problema jer smatraju da postoje teorije o nastanku svemira koje uopće ne pretpostavljaju postojanje monopola.

Sjeme svemira i negativna energija

Rješenja za gore navedena tri problema nisu jedini doprinosi teorije inflacije. Ona je također objasnila kako su u bazično jednoličnom svemiru nastale nepravilnosti koje su postale sjeme za razvoj golemih struktura poput galaksija. Znanstvenici su također pronašli i prihvatljiv odgovor na pitanje što je pokretalo tako urnebesno brzo širenje svemira u inflaciji.

Jednostavno govoreći, prema teoriji inflacije na samom početku stvaranja svemira, prije početka formiranja galaksija, gravitacijska sila bila je negativna, djelovala je tako da nije privlačila, već je odbijala materiju. To je u skladu s Einsteinovom općom teorijom relativnosti koja kaže da gravitacija, koja uglavnom djeluje kao privlačna sila, u određenim posebnim okolnostima može djelovati odbojno. Suvremena fizika čestica ukazuje da bismo uistinu na vrlo visokim energijama, upravo u uvjetima kakvi su vladali na samom početku stvaranja, mogli očekivati stanja materije koja će stvoriti odbojne sile gravitacije.

Kada je inflacija konačno prestala, energija koja ju je pokretala pretvorila se u materiju i svjetlost. Minijaturne nejednakosti, tzv. kvantne fluktuacije na subatomskoj razini, kakve su postojale prije početka inflacije u minijaturnom svemiru, kroz njegovo širenje postale su svojevrsno sjeme, temelji za stvaranje velikih kozmičkih struktura poput galaksija. Te nejednakosti u raspodjeli materije kroz privlačne gravitacijske sile postupno su formirale nakupine koje su postale planeti, zvijezde i galaksije. Istovremeno je svemir ostao vrlo jednoličan, a također i ravan. Nakon kratkog razdoblja vrtoglave ekspanzije svemir se nastavio širiti brzinom kakvu danas mjerimo.

Kritike fizičarskog trojca

U ovoj priči o razmjeni pisama u Scientific Americanu posebna je ironija to što se kao jedan od kritičara teorije inflacije javlja Paul Steinhardt, fizičar koji je zajedno s Guthom i Andreom Lindeom 2002. dobio prestižnu Diracovu nagradu za razvoj koncepta inflacije u kozmologiji. No od tada do danas Steinhardt se 'odmetnuo' i postao revan kritičar inflacije te promotor tzv. cikličkog svemira.

Kritičko pismo pod naslovom "Pop goes the Universe", zajedno s njim potpisali su još i fizičarka Anna Ijjas s Princetona i astronom Abraham Loeb s Harvarda (nazovimo ih skraćeno IS&L). U svojem pismu trojac ističe nekoliko teza o manjkavosti inflacije.

Prije svega upozoravaju da su novija mjerenja, objavljena 2013., pokazala da se kozmičko pozadinsko mikrovalno zračenje ne podudara idealno s predviđanjima teorije inflacije. Također tvrde da je negativna gravitacijska energija, koja bi trebala biti temeljem inflacije, još uvijek samo hipoteza, odnosno da za sada ne postoje nikakva izravna opažanja koja bi potvrdila da ona stvarno postoji. Nadalje ističu da je u posljednjih 35 godina razvijeno na stotine prijedloga o tome što bi negativna energija mogla biti te da svi oni daju različite modele inflacije s različitim brzinama širenja. Iz toga, kažu, jasno je da inflacija nije precizna teorija s preciznim predviđanjima već fleksibilan okvir koji uključuje brojne mogućnosti i ishode.

IS&L također upozoravaju da se iz teorije inflacije teško mogu predvidjeti neki konkretniji brojevi u razdiobi galaksija u svemiru. Smatraju da isto vrijedi i za stupanj zakrivljenosti svemira kao i za količine materije i drugih oblika energije koji postoje u današnjem svemiru. Tvrde da nam inflacija ne kaže ni zašto se veliki prasak dogodio niti kako je stvoren početni komadić koji se potom proširio u golemi svemir.

Tim nastavlja tvrdnjom da promatranja pokazuju da je razdioba toplijih i hladnijih mjesta u pozadinskom kozmičkom mikrovalnom zračenju gotovo ista bez obzira koliko blizu fokusiramo sliku, što je svojstvo koje znanstvenici nazivaju 'invarijantnost na skale mjerenja'. Posljednji podaci satelita Planck pokazuju da su odstupanja od savršene invarijantnosti tek nekoliko posto te da su prosječne varijacije u temperaturama po svim pjegama oko 0,01 posto. Ističu da je takav ishod inflacije, mada je moguć, tek jedan od mogućih. Inflacija, upozoravaju, omogućava mnogo drugačijih uzoraka hladnih i toplih pjega s većim varijacijama u temperaturama, a također ostavlja mogućnost da njihova razdioba ne bude ni približno tako invarijantna kako to pokazuju mjerenja CMB-a.

Konačno ističu da je inflacija, ako se dogodila, prilično sigurno trebala stvoriti gravitacijske valove koje bi trebalo biti moguće registrirati. Naime, kvantne fluktuacije koje su uzrokovale varijacije u inflacijskoj energiji također su trebale stvoriti nasumične prostorne vrtloge koji su nakon prestanka inflacije trebali putovati svemirom kao iskrivljenja u prostoru. Ova iskrivljenja, poznata kao primordijalni gravitacijski valovi, drugi su izvor hladnih i toplih mrlja u CMB-u. No ona imaju posebno svojstvo, a to je da uzrokuju polarizaciju svjetlosti na takav način da će svjetlost imati drugačiju orijentaciju ako dolazi iz hladne mrlje, a drugačiju ako dolazi iz tople. Nažalost, takvi gravitacijski valovi do danas nisu otkriveni, mada je eksperiment BICEP2 na Južnom polu 2014. objavio da ih je pronašao - rezultati te studije kasnije su opovrgnuti (slika dolje).

IS&L na kraju ističu da su navedeni rezultati u trima slučajevima promatranja, odnosno njihovo odsustvo, prvi jaki argumenti u posljednjih 35 godina na temelju kojih bi bilo osnovano posumnjati u teoriju inflacije i razmisliti o drugim mogućim rješenjima. Pritom predlažu svoje rješenje, a to je ciklička kozmologija prema kojoj je svemir nastao kao rezultat uzastopnog širenja i sažimanja koji se neprekidno ponavlja.

Inflacija je pseudoznanost!?

U svojem zaključku autori čak tvrde da teorija inflacije nije u pravom smislu znanstvena teorija jer nije opovrgljiva. Naime, kao što je to lijepo razložio filozof znanosti Karl Popper, neka teorija, da bi se smatrala znanstvenom, mora biti opovrgljiva, što znači da mora davati neka predviđanja koja se moraju moći testirati, a to znači potvrditi ili opovrgnuti. Teorije čiji su predviđeni ishodi previše neodređeni da bi bili opovrgljivi ili su takvi se nikada ne mogu izmjeriti i sl. nisu opovrgljive pa ne mogu biti kvalificirane kao znanstvene teorije. Primjerice, tvrdnja da bih ja u nečemu uživao kada bih bio 10 godina mlađi je neznanstvena budući da je neopovrgljiva jer se ja ne mogu vratiti u vremenu kako bih je provjerio.

Veći dio navedenih kritika neće začuditi nikoga tko razumije znanstvenu metodu. One su zdrave i dobrodošle u znanstvenom svijetu jer se njima raščišćavaju moguće dvojbe i omogućava napredak. No potpisnike nedavnog odgovora razljutilo je to što je teorija inflacije praktički proglašena pseudoznanošću.

Odgovor 33 fizičara

Potpisnici odgovora objavljenog u novom broju Scientific Americana, među kojima se, uz Hawkinga, posebno ističu Alan Guth, Lisa Randall, Sean Carroll i Leonard Susskind, u uvodu ističu da se ne slažu s mnogim tvrdnjama kritičnog trojica, no tumače da su se u svojem odgovoru odlučili prvenstveno posvetiti pitanju opovrgljivosti teorije inflacije. Drugim riječima, odlučili su reagirati na tvrdnju da je inflacija pseudoznanost.

Kažu da cijelo mnoštvo znanstvenika širom svijeta godinama radi na istraživanju različitih modela inflacije i usporedbama njihovih predviđanja s empirijskim promatranjima. Taj proces rezultirao je s više od 14.000 studija u čijem je stvaranju sudjelovalo preko 9.000 znanstvenika koji u naslovima ili u sažecima svojih radova koriste termin inflacija. Usto, tvrde, inflacija je u međuvremenu podvrgnuta brojnim testovima i sve ih je do sada prošla.

Autori pisma napominju da teorija inflacije nije neka jedinstvena ideja već skup modela te da nitko ne smatra da su svi oni točni. Ona je u tom pogledu nalik ranoj fazi u razvoju Standardnog modela čestica u kojoj je niknuo cijeli niz teorija kvantnih polja u potrazi za jednom koja bi odgovarala eksperimentima. A u cijelom nizu modela ističu se neki čija su predviđanja vrlo dobro potkrijepljena empirijskim rezultatima.

Standardni modeli inflacije predviđaju da bi svemir trebao imati kritičnu gustoću mase, odnosno da bi geometrijski trebao biti ravan. Također dobro predviđaju statistička svojstva finih nabora koje otkrivamo u pozadinskom mikrovalnom zračenju. Prema teoriji inflacije ti nabori trebaju biti skoro sasvim invarijantni na skale mjerenja. Oni također trebaju biti adijabatički, što znači da su fluktuacije iste u svim sastavnim dijelovima – u običnoj materiji, u zračenju i u tamnoj tvari. Kao treće nabori bi trebali biti gausijanski što predstavlja prostorne varijacije nekih mjerljivih veličina. Kao četvrto modeli također predviđaju uzorke polarizacije u CMB-u koji bi se trebali moći otkriti.

Zapanjuje činjenica, pišu autori, da su počev od prvih rezultata satelita Cosmic Background Explorer (COBE) u 1992. do danas brojni eksperimenti potvrdili uglavnom sva navedena predviđanja kao i neka druga koja su tehnički previše zahtjevna za razmatranje u njihovom pismu. Primjerice, pokazalo se da se srednja masa svemira, koja je nedavno izmjerena do preciznosti od pola posto, savršeno slaže s predviđanjima inflacije. Osim toga brojna mjerenja satelitima kao što su Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) i Planck kao i brojna mjerenja balonima na Zemlji pokazala su da su primordijalne fluktuacije doista invarijantne na skale mjerenja, da su vrlo adijabatske i gausijanske kao što je bilo predviđeno.

„U 2016. godini tim satelita Planck, kolaboracija od oko 260 autora, u svojim zaključcima kaže da Planckovi rezultati predstavljaju moćne dokaze u prilog jednostavnim inflacijskim modelima. Ako je inflacija neprovjerljiva, kao što IS&L žele da povjerujemo, zašto bi toliko mnogo njezinih testova bilo tako izuzetno uspješno?“, pitaju potpisnici pisma. 

Autori nadalje ističu da trojac tvrdi kako je inflacija neprovjerljiva zato što se njezina predviđanja mijenjaju ako se mijenja oblik krivulje gustoće inflacijske energije u početnim uvjetima. Međutim, provjerljivost teorije, kažu, ni na koji način ne zahtijeva da sva njezina predviđanja budu neovisna o odabiru parametara.

Pismo također odgovara na kritiku trojca da teorije koje propadaju postaju sve više imune na eksperimente u nastojanjima da se zakrpaju.

„Unatoč retorici IS&L, uobičajena je praksa u empirijskim znanostima da se teorije modificiraju kako se novi podaci javljaju, primjerice standardni model je modificiran kako bi uključio novootkrivene kvarkove i leptone. U inflacijskoj kozmologiji s druge strane do sada nije bilo potrebe da se ide dalje od klase standardnih modela inflacije“, pišu autori.

Potpisnici na sličan način odbacuju i druge kritike IS&L, među kojima i ideju da je inflacija neprovjerljiva zbog toga što vodi prema vječnoj inflaciji i multisvemiru. Ističu da se mogućnost postojanja multisvemira trenutno istražuje, no da ta činjenica ni na koji način ne utječe na empirijsku provjerljivost inflacije.

Za kraj autori novog pisma u Scientific Americanu drže malu lekciju iz filozofije znanosti IS&L:

„Tijekom više od 35 godina svojeg postojanja teorija inflacije postupno je postala glavnom kozmološkom paradigmom koja opisuje rane faze razvoja evolucije svemira i formacije njegovih velikih struktura. Nitko ne tvrdi da je inflacija postala sigurna; znanstvene teorije ne dokazuju se kao što se dokazuju matematički teoremi, već kako vrijeme prolazi uspješne postaju sve bolje i bolje, potvrđene eksperimentalnim testovima i napretkom teorije. Progres se nastavlja uz pomoć entuzijastičnih napora brojnih znanstvenika koji su odabrali da sudjeluju u toj živoj grani kozmologije.“

IS&L su već odgovorili na kritike 33 fizičara, no jasno je da će tek razvoj znanosti s vremenom pokazati tko je u pravu. Za sada se čini da teorija inflacije prilično solidno stoji. Ona zasigurno ima veći broj pobornika od suprotne strane. No da parafraziramo Einsteina – u znanosti se do točne teorije ne dolazi glasanjem većinom ruku znanstvenika; dovoljan je jedan dobar dokaz da se teorija sruši.