Teorija struna i porijeklo svemira – nova ideja, stari problem

napisao Daniel Schmidt
preveo Mladen Čirjak

Možda najozbiljniji problem s teorijom velikog praska je problem singularnosti, koji uključuje porijeklo tvari i energije. Teoretičari velikog praska mogu pokušati opisati rani svemir, no do sada nisu razjasnili zašto postoji svemir kojeg bi se opisivalo. Ipak, bilo je brojnih pokušaja davanja takvog objašnjenja, a nedavno je Paul J. Steinhardt predložio još jednu ideju, temeljenu na teoriji struna. Teorija struna je nova teorija u fizici koja nastoji riješiti konflikt između opće relativnosti i kvantne mehanike, te tako pružiti ujedinjen, sveobuhvatan opis fizike kakva je danas poznata. No unatoč naprednoj fizici, Steinhardtov model ne nadvladava, niti čak oslovljava, stare probleme koji su progonili sve prethodne teorije porijekla.

Uvod u teoriju struna

I kvantna mehanika i opća teorija relativnosti su izuzetno uspješne znanstvene teorije. Kvantna mehanika opisuje bizaran svijet tvari i energije u najmanjem zamislivom mjerilu; opća teorija relativnosti opisuje silu gravitacije i postaje korisna u slučajevima kada su gravitacijska polja toliko ekstremna da počinju odstupati od mnogo jednostavnijeg opisa kojeg je dao Isaac Newton. Problem je u tome što se čini da se ove dvije teorije međusobno isključuju. Izgleda da i jedna i druga točno opisuju svijet, ali ne mogu obje biti istinite. Opća relativnost pretpostavlja da je prostor-vrijeme gladak kontinuum zakrivljen gravitacijom. Kvantna mehanika, u kontrastu, uključuje slučajne, snažne distorzije prostor-vremena unutar tzv. 'kvantne pjene' u najmanjem mjerilu. Ovo obično nije ozbiljan problem, budući da se snažna polja gravitacije, domena opće relativnosti, obično događaju u velikim mjerilima, gdje kvantni efekti nisu primjetni. No u nekim slučajevima poput singularnosti unutar crnih rupa, postoje jaka gravitacijska polja (kakva zahtijevaju opću relativnost) u sprezi s veoma malim mjerilima (kakva zahtijevaju kvantnu mehaniku). Ako jednostavno spojimo jednadžbe opće relativnosti s jednadžbama kvantne mehanike, one daju potpuno besmislene odgovore u proračunima, poput beskonačnosti.¹

Kada želite ispitati nešto veoma maleno (uz pretpostavku da to ne možete vidjeti direktno), možete u to ispaliti veoma malene projektile te vidjeti na koji se način oni odbijaju, te tako rekonstruirati sliku tog objekta. Veliki projektili će otkriti samo najveće strukture dotičnog objekta, dajući tako tek grubu sliku. Veoma maleni projektili, s druge strane, mogu se odbijati o najmanje nepravilnosti ciljanog objekta, otkrivajući sitnije detalje. Obično to činimo s fotonima, česticama svjetla, a da o tome i ne razmišljamo. Uzorak svjetla i sjene, koji otkriva oblik objekta, je rezultat načina na koji se svjetlo odbija od površine.

Za ispitivanja u malenim mjerilima potrebni su maleni objekti, a niti jedan se objekt ne može koristiti za ispitivanja u mjerilu koje je manje od njega samoga. Prema tome, ako su sve elementarne čestice zapravo klupka struna, tada nije moguće ispitivati mjerila manja od tih struna. Problem ultra-malene kvantne pjene koja relativistima zadaje glavobolje proizlazi upravo iz tog reda veličina. Teorija struna, prema tome, eliminira problem i dozvoljava jedinstven opis prirode.²

Teorija struna sadrži niz veoma čudnih ideja. Primjerice, svemir čini devet ili deset prostornih dimenzija, zajedno s jednom vremenskom dimenzijom.³ Nadalje, sve sile proizlaze iz iste temeljne sile (kao što je već poznato da su međusobno povezani elektricitet, magnetizam i slaba sila). Svojstva elementarnih čestica, vjeruje se, proizlaze iz obrazaca vibracija u strunama. Teorija struna još nije u potpunosti razvijena niti shvaćena na matematičkom nivou, no za sada se čini da ima velik potencijal.

Unatoč očitom teoretskom potencijalu, problem teorije struna je taj što još ne postoji eksperimentalni dokaz u njenu korist ili protiv nje.

To će morati pričekati ili dok teoretičari ili oni koji vrše eksperimente (ili jedni i drugi) dodatno ne razviju svoje metode i ideje. U međuvremenu, teorija struna ostavlja dojam najizglednijeg rješenja, makar i spekulativnog.

Teorija struna i porijeklo svemira

Kao što je i očekivano za takvu novu teoriju u fizici, teorija struna ima važne implikacije na polju kozmologije, te je primijenjena na problem singularnosti.

Paul J. Streinhardt i Neil G. Turok tvrdili su da teorija struna dozvoljava mogućnost vječnog svemira.⁴ U njihovom modelu, nazvanom ekpirotski model, naš svemir je samo jedan od dva. Ta dva svemira, ili 'brane-ovi', nalaze se jedan uz drugi u višoj dimenziji (analogija ovome bi bile dvije paralelne plohe koje se nalaze u trećoj dimenziji) te se privlače novom vrstom sile koja proizlazi iz kvantnih interakcija između dva brane-a. Ovo privlačenje uzrokuje sudar brane-a, pri čemu energija sudara prouzrokuje veliki prasak. Brane-ovi se potom razvoje, prostor se širi u svakom od njih, formiraju se zvijezde i galaksije, život evoluira i postavlja pitanje odakle potječe itd. nakon nekog vremena, ta privlačna sila opet povlači ta dva brane- a u novom velikom prasku, te se to tako odvija u vječnom ciklusu, bez početka ni kraja i bez potrebe za uzrokom ili stvoriteljem.⁴

Nažalost, unatoč svoj naprednoj (makar i nedokazanoj) fizici ove teorije, ova dva znanstvenika počinila su elementarnu pogrešku koji je bilo moguće davno predvidjeti. Ekpirotski model, kao i svaka druga teorija koja tvrdi da je svemir beskrajno star, ignorira jednostavnu činjenicu da drugi zakon termodinamike ne dopušta takvu mogućnost. Prema drugom zakonu termodinamike, svaki izolirani sustav mora težiti neredu, ili preciznije, mora mu rasti entropija. Očito, ništa što se troši ne može trajati vječno, tako ovaj dokazan zakon fizike zahtjeva da svemir ne može biti beskonačno star. Ovaj argument je učinjen mnogo puta i teoretičari velikog praska će ga ponekad priznati, ako im to odgovara. No kada je, inače prividno obećavajuća, teorija porijekla kontradiktorna drugom zakonu termodinamike, tada se zakon ignorira, kao u ovom slučaju. (Ponekad se tvrdi da ovaj argument nije točan, budući se da drugi zakon termodinamike odnosi samo na izolirane sustave, dok je u ekpirotski modelu svemir u kojem živimo u interakciji s drugim, prema tome nije izoliran.⁵ Ipak, ta se dva svemira i dalje mogu zajedno promatrati kao izoliran sustav. Tom ukupnom sustavu entropija i dalje mora rasti.⁶)

Zaključak

Naturalističke teorije porijekla svemira općenito spadaju u dvije kategorije: one koje tvrde da je svemir nastao iz ničega i bez uzroka, kršeći tako zakone kauzalnosti i očuvanja; te one koji tvrde da je svemir beskrajno star, negirajući tako drugi zakon termodinamike. Ideja novijeg datuma temeljenja na teoriji struna nije učinila iskorak veći prethodnih pokušaja, ukazujući tako da postoji nešto fundamentalno pogrešno u pozadini naturalističkih ideja.⁷ Uzmemo li jednostavno zakone fizike zdravo za gotovo, postaje očito da je svemir morao imati početak, te da je morao biti prouzrokovan nekim vanjskim agentom. Prema tome, ne postoji znanstveno osnovan način da se izbjegne zaključak da je 'U početku Bog stvorio nebesa i Zemlju.'