“Posljednja zvijezda će se polako ohladiti i nestati. Svojim prolaskom, svemir će ponovno postati praznina, bez svjetla, života i smisla.” Tako je upozorio fizičar Brian Cox u nedavnoj BBC-jevoj seriji Universe. Blijeđenje te posljednje zvijezde bit će samo početak beskrajno duge, mračne epohe. Svu će materiju na kraju pojesti monstruozne crne rupe, koje će također ispariti u slabašne svjetlicave tragove svjetla, kad na njih dođe red. Prostor će se širiti prema van sve dok čak i to prigušeno svjetlo ne postane previše rašireno za interakciju. Aktivnost će prestati.

Ili neće? Začudo, neki kozmolozi vjeruju da je prethodni, hladni tamni prazan svemir poput onog koji leži u našoj dalekoj budućnosti mogao biti izvor našeg vlastitog Velikog praska.

Ali, prije nego što dođemo do toga, pogledajmo kako je prvi put nastala "materijalna" - fizička materija. Ako želimo objasniti podrijetlo stabilne materije sačinjene od atoma ili molekula, toga zasigurno nije bilo u Velikom prasku – niti stotinama tisuća godina nakon toga. Zapravo imamo prilično detaljno razumijevanje kako su prvi atomi nastali od jednostavnijih čestica nakon što su se uvjeti dovoljno ohladili da složena materija bude stabilna, i kako su ti atomi kasnije spojeni u teže elemente unutar zvijezda. Ali to razumijevanje ne rješava pitanje je li nešto nastalo ni iz čega.

Pa razmislimo dalje unatrag. Prve dugovječne čestice tvari bilo koje vrste bili su protoni i neutroni, koji zajedno čine atomsku jezgru. Oni su nastali oko deset tisućinki sekunde nakon Velikog praska. Prije tog trenutka stvarno nije bilo materijala u nekom poznatom smislu te riječi. Ali, fizika nam omogućuje da nastavimo pratiti vremensku liniju unatrag - do fizičkih procesa koji prethode bilo kojoj stabilnoj materiji.

To nas vodi u takozvanu "veliku ujedinjenu epohu". Do sada smo već uveliko u području spekulativne fizike, jer ne možemo proizvesti dovoljno energije u našim eksperimentima da ispitamo procese koji su se događali u to vrijeme. No vjerojatna hipoteza je da se fizički svijet sastoji od juhe kratkoživućih elementarnih čestica – uključujući kvarkove, građevne blokove protona i neutrona. Postojale su i materija i "antimaterija" u otprilike jednakim količinama: svaka vrsta čestice materije, kao što je kvark, ima pratioca "zrcalne slike" antimaterije, koja je skoro identična samoj sebi, razlikuje se samo u jednom aspektu. Međutim, materija i antimaterija se uništavaju u bljesku energije kada se sretnu, što znači da su se te čestice neprestano stvarale i uništavale.

Ali kako su te čestice uopće nastale? Kvantna teorija polja govori nam da je čak i vakuum, koji navodno odgovara praznom prostor-vremenu, pun fizičke aktivnosti u obliku fluktuacija energije. Ove fluktuacije mogu dovesti do iskakanja čestica, da bi ubrzo nakon toga nestale. Ovo može zvučati kao matematička zamisao, a ne kao prava fizika, ali takve su čestice uočene u nebrojenim eksperimentima.

Prostorno-vremensko vakuumsko stanje kipi od čestica koje se neprestano stvaraju i uništavaju, očito "ni iz čega". Ali možda nam sve ovo stvarno govori da je kvantni vakuum (unatoč imenu) nešto, a ne ništa. Filozof David Albert nezaboravno je kritizirao izvještaje o Velikom prasku koji obećavaju da će se na ovaj način dobiti nešto iz ničega.

Slika simulacije fluktuacija kvantnog vakuuma.
Simulacija fluktuacija kvantnog vakuuma u kvantnoj kromodinamici. Wikimedia/Ahmed Neutron

Pretpostavimo da se pitamo: odakle je nastao sam prostor-vrijeme? Tada možemo nastaviti okretati sat još dalje unatrag, u uistinu drevnu "Planckovu epohu" - razdoblje toliko rano u povijesti svemira da se naše najbolje teorije fizike slome. Ovo doba nastupilo je samo deset milijuna trilijuntinki trilijuntinke trilijuntine sekunde nakon Velikog praska. U ovom trenutku, sam prostor i vrijeme postali su podložni kvantnim fluktuacijama. Fizičari obično odvojeno rade s kvantnom mehanikom, koja vlada mikrosvijetom čestica i s općom relativnošću, koja se primjenjuje na velikim, kozmičkim razmjerima. Ali da bismo istinski razumjeli Planckovu epohu, potrebna nam je potpuna teorija kvantne gravitacije, koja spaja te dvije.

Još uvijek nemamo savršenu teoriju kvantne gravitacije, ali postoje pokušaji - poput teorije struna i kvantne gravitacije u petlji. U tim pokušajima, obični prostor i vrijeme obično se vide kao nastali, poput valova na površini dubokog oceana. Ono što doživljavamo kao prostor i vrijeme proizvod je kvantnih procesa koji djeluju na dubljoj, mikroskopskoj razini – procesa koji za nas kao stvorenja ukorijenjena u makroskopskom svijetu nemaju previše smisla.

U Planckovoj epohi naše uobičajeno razumijevanje prostora i vremena se raspada, tako da se više ne možemo osloniti ni na naše uobičajeno razumijevanje uzroka i posljedice. Unatoč tome, sve kandidatske teorije kvantne gravitacije opisuju nešto fizičko što se događalo u Planckovoj epohi – neki kvantni prethodnik običnog prostora i vremena. Ali odakle je to došlo?

Čak i ako se kauzalnost više ne primjenjuje na bilo koji uobičajen način, još uvijek bi bilo moguće objasniti jednu komponentu svemira Planckove epohe u terminima druge. Nažalost, do sada čak ni naša najbolja fizika ne uspijeva u potpunosti dati odgovore. Dok ne napredujemo dalje prema “teoriji svega”, nećemo moći dati nikakav konačan odgovor. Najviše što možemo s povjerenjem reći u ovoj fazi jest da fizika do sada nije pronašla nijedan potvrđeni primjer da nešto proizlazi iz ničega.

Da bismo istinski odgovorili na pitanje kako nešto može nastati iz ničega, morali bismo objasniti kvantno stanje cijelog svemira na početku Planckove epohe. Svi pokušaji da se to učini ostaju vrlo spekulativni. Neki od njih privlače natprirodne sile poput dizajnera. Ali druga objašnjenja kandidata ostaju unutar područja fizike – poput multiverzuma, koji sadrži beskonačan broj paralelnih svemira ili cikličkih modela svemira koji se ponovno rađaju i ponovno rađaju.

Fizičar, dobitnik Nobelove nagrade za 2020. Roger Penrose, predložio je jedan intrigantan ali kontroverzan model za ciklički svemir nazvan "konformna ciklička kozmologija". Penrosea je inspirirala zanimljiva matematička veza između vrlo vrućeg, gustog, malog stanja svemira – kakvo je bilo u Velikom prasku – i iznimno hladnog, praznog, proširenog stanja svemira – kakvo će biti u dalekoj budućnosti . Njegova radikalna teorija koja objašnjava ovu korespondenciju je da ta stanja postaju matematički identična kada se dovedu do svojih granica. Iako se činilo paradoksalno, potpuna odsutnost materije možda je uspjela proizvesti svu materiju koju vidimo oko sebe u našem svemiru.

U ovom pogledu, Veliki prasak proizlazi iz gotovo ničega. To je ono što je preostalo kada je sva materija u svemiru potrošena u crne rupe, koje su zauzvrat isparile u fotone - izgubljene u praznini. Cijeli svemir tako proizlazi iz nečega što je – gledano iz druge fizičke perspektive – onoliko blizu koliko se uopće ne može doći. Ali to ništa je još uvijek neka vrsta nečega. To je još uvijek fizički svemir, koliko god prazan.

Kako isto stanje može biti hladan, prazan svemir iz jedne perspektive i vrući gusti svemir iz druge? Odgovor leži u složenom matematičkom postupku zvanom "konformno ponovno skaliranje", geometrijska transformacija koja zapravo mijenja veličinu objekta, ali ostavlja njegov oblik nepromijenjenim.

Penrose je pokazao kako se hladno gusto stanje i vruće gusto stanje mogu povezati takvim reskaliranjem tako da se poklapaju s obzirom na oblike njihovog prostor-vremena – iako ne i njihove veličine. Doduše, teško je shvatiti kako dva objekta mogu biti identična na ovaj način kada imaju različite veličine – ali Penrose tvrdi da veličina kao koncept prestaje imati smisla u takvim ekstremnim fizičkim okruženjima.

U konformnoj cikličnoj kozmologiji smjer objašnjenja ide od starog i hladnog prema mladom i vrućem: vruće gusto stanje postoji zbog hladnog praznog stanja. Ali ovo "zato što" nije poznato - o uzroku nakon kojeg s vremenom slijedi njegova posljedica. Nije samo veličina ono što prestaje biti relevantno u tim ekstremnim stanjima: i vrijeme. Hladno gusto stanje i vruće gusto stanje zapravo se nalaze na različitim vremenskim linijama. Hladno, prazno stanje nastavilo bi se zauvijek iz perspektive promatrača u vlastitoj vremenskoj geometriji, ali vruće gusto stanje koje stvara učinkovito nastanjuje novu vremensku liniju.

Može pomoći razumjeti vruće gusto stanje koje je nastalo iz hladnog praznog stanja na neki ne-uzročni način. Možda bismo trebali reći da vruće gusto stanje proizlazi iz hladnog, praznog stanja ili je utemeljeno u njemu, ili ga ostvaruje. To su izrazito metafizičke ideje koje su opširno istraživali filozofi znanosti, posebno u kontekstu kvantne gravitacije gdje se čini da se obični uzrok i posljedica raspadaju. Na granicama našeg znanja, fiziku i filozofiju je teško razdvojiti.

Eksperimentalni dokazi?

Konformna ciklička kozmologija nudi neke detaljne, iako spekulativne, odgovore na pitanje odakle je došao naš Veliki prasak. Ali čak i ako je Penroseova vizija potvrđena budućim napretkom kozmologije, mogli bismo pomisliti da još uvijek ne bismo odgovorili na dublje filozofsko pitanje – pitanje o tome odakle dolazi sama fizička stvarnost. Kako je nastao cijeli sustav ciklusa? Tada konačno završavamo s čistim pitanjem zašto postoji nešto, a ne ništa – jedno od najvećih pitanja metafizike.

Ali naš fokus ovdje je na objašnjenjima koja ostaju unutar područja fizike. Postoje tri široke opcije za dublje pitanje kako su ciklusi počeli. To uopće ne bi moglo imati fizičko objašnjenje. Ili bi mogli postojati ciklusi koji se neprestano ponavljaju, od kojih je svaki svemir za sebe, s početnim kvantnim stanjem svakog svemira objašnjenim nekim obilježjem svemira prije. Ili bi mogao postojati jedan jedini ciklus i jedan jedini svemir koji se ponavlja, s početkom tog ciklusa objašnjenim nekom značajkom njegovog vlastitog kraja. Posljednja dva pristupa izbjegavaju potrebu za bilo kakvim neuzrokovanim događajima – i to im daje osebujnu privlačnost. Ništa ne bi ostalo neobjašnjeno od strane fizike.

Penrose predviđa slijed beskonačnih novih ciklusa iz razloga koji su dijelom povezani s njegovim vlastitim preferiranim tumačenjem kvantne teorije. U kvantnoj mehanici, fizički sustav postoji u superpoziciji više različitih stanja u isto vrijeme, i samo "odabire jedno" nasumično, kada ga mjerimo. Za Penrosea, svaki ciklus uključuje nasumične kvantne događaje koji ispadaju na drugačiji način – što znači da će se svaki ciklus razlikovati od onih prije i nakon njega. Ovo je zapravo dobra vijest za eksperimentalne fizičare, jer bi nam mogla omogućiti da sagledamo stari svemir iz kojeg je nastao naš kroz slabe tragove ili anomalije u ostatku zračenja iz Velikog praska koje je vidio Planckov satelit.

Penrose i njegovi suradnici vjeruju da su možda već uočili te tragove, pripisujući obrasce u Planckovim podacima zračenju supermasivnih crnih rupa u prethodnom svemiru. Međutim, njihova zapažanja osporili su drugi fizičari, a porota i dalje nije.

Beskonačni novi ciklusi ključni su za Penroseovu vlastitu viziju. Ali postoji prirodan način pretvaranja konformne cikličke kozmologije iz višeciklusne u jednociklusnu formu. Tada se fizička stvarnost sastoji u jednom kruženju kroz Veliki prasak do maksimalno praznog stanja u dalekoj budućnosti – i onda opet okolo do istog Velikog praska, iznova dovodeći do istog svemira.

Ova potonja mogućnost je u skladu s drugom interpretacijom kvantne mehanike, nazvanom interpretacija mnogih svjetova. Tumačenje više svjetova nam govori da svaki put kada mjerimo sustav koji je u superpoziciji, ovo mjerenje ne odabire nasumično stanje. Umjesto toga, rezultat mjerenja koji vidimo samo je jedna mogućnost - ona koja se odigrava u našem svemiru. Svi drugi rezultati mjerenja odigravaju se u drugim svemirima u multiverzumu, zapravo odsječenom od našeg. Dakle, bez obzira koliko je mala šansa da se nešto dogodi, ako ima šanse različite od nule, onda se događa u nekom kvantnom paralelnom svijetu. Postoje ljudi poput vas u drugim svjetovima koji su dobili na lutriji, ili ih je nakaradni tajfun odnio u oblake, ili su se spontano zapalili, ili im se dogodilo sve to istovremeno.

Neki ljudi vjeruju da se takvi paralelni svemiri također mogu uočiti u kozmološkim podacima, kao otisci uzrokovani sudarom drugog svemira s našim.

Kvantna teorija mnogih svjetova daje novi zaokret konformnoj cikličkoj kozmologiji, iako se ne slaže s Penroseom. Naš Veliki prasak mogao bi biti ponovno rođenje jednog jedinog kvantnog multiverzuma, koji sadrži beskonačno mnogo različitih svemira koji se pojavljuju zajedno. Događa se sve moguće – onda se događa opet i opet i opet.

Drevni mit

Za filozofa znanosti Penroseova je vizija fascinantna. To otvara nove mogućnosti za objašnjenje Velikog praska, nadilazeći naša objašnjenja izvan uobičajenih uzroka i posljedica. Stoga je to izvrstan testni slučaj za istraživanje različitih načina na koje fizika može objasniti naš svijet. Zaslužuje više pažnje filozofa.

Za ljubitelja mitova, Penroseova je vizija lijepa. U Penroseovom preferiranom obliku s više ciklusa, obećava beskrajne nove svjetove rođene iz pepela njihovih predaka. U svom jednociklusnom obliku, to je upečatljivo moderno ponovno prizivanje drevne ideje Ouroborosa, odnosno svjetske zmije. U nordijskoj mitologiji, zmija Jörmungandr dijete je Lokija, pametnog prevaranta, i diva Angrbode. Jörmungandr troši svoj rep, a stvoreni krug održava ravnotežu svijeta. Ali mit o uroborosu dokumentiran je u cijelom svijetu - uključujući i stari Egipat.

Slika kamenog ouroborosa uklesanog na Tutankamonovoj grobnici, Djehouty/Wikimedia

Ouroboros jednog cikličkog svemira doista je veličanstven. U svom trbuhu sadrži naš vlastiti svemir, kao i svaki od čudnih i prekrasnih alternativnih mogućih svemira koje dopušta kvantna fizika – a na mjestu gdje mu se glava susreće s repom, potpuno je prazan, ali također kruži energijom na temperaturama od sto tisuća milijuna milijardi bilijuna Celzijevih stupnjeva. Čak bi i Loki, mijenjač oblika, bio impresioniran.

Alastair Wilson, Professor of Philosophy, University of Birmingham.

Ovaj članak je prenesen iz The Conversation. Pročitajte originalni članak.