Kako je nastal veliki pok?

Med vsemi sodobnimi znanstvenimi teorijami ima hipoteza o nastanku vesolja z velikim pokom prav poseben status. Ne le, da je že nekaj desetletij dobro podprta z eksperimenti in je zato našla pot tudi v šolske učbenike, poleg strokovnjakov so jo z odprtimi rokami sprejeli tudi mnogi verski voditelji, ki običajno novih znanstvenih teorij niso prav veseli. Že od sredine dvajsetega stoletja se vsi papeži vedno znova navdušujejo nad idejo velikega poka kot začetka vesolja in radi poudarjajo, da je to lep primer komplementarnega odnosa med znanostjo in vero.

Znanost zna namreč zelo dobro pojasniti in opisati dogajanje v vesolju za nazaj vse do prvih trenutkov po velikem poku, ko naj bi vesolje nastalo skupaj s prostorom in časom; na vprašanje, kaj se je dogajalo prav na začetku, pa teorija še nima jasnih odgovorov. Enačbe, ki zelo dobro opisujejo vesolje od delčka prve sekunde dalje, pri tako ekstremnih razmerah, kot so vladale prav na začetku, odpovedo. In tu religija hitro pristavi svoj lonček, saj naj bi bil prav ta prvi trenutek, ki ga znanost (še) ne zna pojasniti, po mnenju mnogih vernikov lepo opisan že v Bibliji. Začetek vesolja naj bi bil po tej zelo razširjeni interpretaciji v domeni religije, naprej pa je razumevanje dogajanja v vesolju velikodušno prepuščeno znanosti.

Vendar pa se to začasno premirje v večnem boju med znanostjo in vero na področju kozmologije, ki vlada zadnjega pol stoletja, počasi izteka. Vse bolj se namreč uveljavljajo teorije, ki nimajo več nedorečenih trenutkov, na katere se lahko pripnejo razne nadnaravne interpretacije, ki sicer nimajo kaj iskati v znanosti. Prav lahko se zgodi, da bodo verski veljaki z enako vnemo, kakor zdaj kritizirajo darvinizem, že kmalu udrihali tudi po kozmologiji. Če je Darwinu s teorijo o naravni selekciji uspelo pojasniti, kako lahko narava sama ustvari tudi kompleksna živa bitja, ne da bi za to potrebovala kak vnaprejšnji načrt ali pomoč višje sile, poskušajo zdaj tudi kozmologi pojasniti, kako je lahko s povsem naravnimi mehanizmi prišlo do velikega poka oziroma začetka vesolja, kot ga poznamo danes.

Tri dejanja kozmične predstave

Kozmologa Paul J. Steinhardt z Univerze Princeton v ZDA in Neil Turok z angleškega Cambridgea, ki sta že s svojim preteklim delom pomembno vplivala na teorije o razvoju vesolja, poskušata zadnja leta razviti novo hipotezo, po kateri veliki pok ni več nepojasnjen dogodek, ampak je le ena od etap v zaključenem cikličnem krogu neprestanega ponovnega rojevanja enega in istega vesolja. V njuni novi kozmološki hipotezi veliki pok ni enkraten dogodek, ampak se v neskončni seriji ciklično ponavlja v zelo dolgih intervalih, ki trajajo na trilijone let.

V nedavno izdani knjigi Endless Universe: Beyond the Big Bang (Doubleday, 2007) sta zapisala, da si lahko “zgodovino vesolja predstavljamo kot gledališko predstavo, v kateri igralci v obliki energije, materije, zvezd in planetov plešejo na kozmičnem odru po scenariju, ki ga določajo zakoni fizike. Izziv za kozmologe je, da dojamejo zgodbo predstave, čeprav so prišli v gledališko dvorano 14 milijard let prepozno, šele dolgo po odločilnih otvoritvenih prizorih.”

S pomočjo natančnega opazovanja zvezd, galaksij in še zlasti najstarejše svetlobe, ki potuje po vesolju že od časov kmalu po velikem poku, so si astronomi ustvarili že zelo dobro predstavo o trenutni podobi vesolja. S pomočjo poznavanja fizikalnih zakonitosti pa lahko zanesljivo rekonstruirajo zgodbo razvoja vesolja nazaj vse do prvih trenutkov.

Steinhardt in Turok imenujeta obdobje zgodovine vesolja, ki se začenja vsega eno sekundo po velikem poku in traja vse do danes, drugo dejanje kozmične gledališke predstave. Ta doba je bolj ali manj pojasnjena in med strokovnjaki ni večjih razlik v rekonstrukciji zgodbe, ki se dogodi v tem dejanju. Presenetljivo pa natančno poznavanje zgodbe drugega dejanja znanstvenikom ne omogoča tudi, da bi določili, kaj se je dogajalo prej in kaj se bo dogajalo pozneje. Obstajata vsaj dve resni znanstveni teoriji o razvoju vesolja, ki imata obe enako drugo dejanje, povsem različni pa sta prvo in tretje dejanje.

Trki svetov

Ideja, na katero stavita Steinhardt in Turok, zveni sprva bolj nenavadno kot katera koli znanstvenofantastična zgodba. A v sodobni fiziki smo že kar navajeni navidez povsem nerealističnih hipotez, ki pa se kasneje prav lahko potrdijo z eksperimenti. Dogajanje v svetu mikroskopskih razdalj med atomi zelo natančno opisuje kvantna fizika, medtem ko v svetu velikih razdalj med zvezdami kraljuje splošna teorija relativnosti. Vsaka zase sta povsem skladni z vsemi eksperimenti, ki so se jih fiziki domislili, da bi ju preizkusili. A ko ju želimo združiti v eno samo teorijo, se pojavijo težave.

Združitev obeh temeljnih teorij sodobne fizike zadnja leta najbolje uspeva teoriji strun, po kateri osnovni delci, iz katerih je zgrajeno vse v našem vesolju, niso nič drugega kot zelo zelo majhne nihajoče strune. Različne vibracije takšnih strun se navzven kažejo kot različni tipi osnovnih delcev, kot jih danes že dobro poznamo. A teorija strun da smiselne rešitve samo, če predpostavimo, da obstaja poleg nam znanih prostorskih dimenzij še nekaj dodatnih, ki pa so večinoma tako spretno zvite, da jih niti ne opazimo.

Naš trirazsežni svet, oziroma, lahko rečemo tudi kar naše vesolje, tako predstavlja le del tega večrazsežnega prostora. Po analogiji dvorazsežne membrane v trirazsežnem prostoru fiziki imenujejo trirazsežni prostor, ki ustreza recimo našemu vesolju, kar “brana” (ang. brane).

Steinhardt in Turok sta leta 1998 na eni od znanstvenih konferenc, na kateri so fiziki predstavljali svoje raziskave na področju teorije strun, poslušala predavanje o hipotetičnem scenariju, po katerem bi v takšnem večdimenzionalnem prostoru teorije strun obstajali dve brani. Kaj bi to pomenilo? Kaj če brani medsebojno trčita? Matematično so teoretiki takšne scenarije sicer že premlevali, a nihče ni resno pomislil, da bi trk med branami lahko ustrezal kakemu znanemu fizičnemu procesu.

Ciklično vesolje

Oba kozmologa sta takoj pomislila na ogromno energijo, ki se je sprostila na začetku vesolja v eksploziji, ki ji pravimo veliki pok. Kaj če je veliki pok v resnici posledica takšnega trka dveh bran? Sprva je bila ideja povsem fantastična, a fizika sta se vestno lotila izračunov in po dolgih mesecih dela jima je uspelo pokazati, da trk dveh bran lahko ustvari tudi vesolje, kakršno je naše.

Njuna teorija predvideva, da dve brani oziroma dve vesolji lebdita kot dva lista papirja eno tik ob drugem. Seveda se moramo zavedati, da gre v tej prispodobi z lističi zgolj za poenostavitev, saj je vsako od obeh vesolj v resnici trirazsežno, razdalja med njima pa je v izražena v eni od dodatnih prostorskih razsežnosti, ki jih vpelje teorija strun. Obe brani se medsebojno privlačita in ko v nekem trenutku trčita, je to znotraj brane videti kot veliki pok.

Po njuni hipotezi, ki sta jo poimenovala ciklično vesolje, je veliki pok le posledica trka dveh vesolj v višji dimenziji, ki se neprestano ponavlja. Prvo dejanje v njuni rekonstrukciji scenarija kozmične gledališke predstave predstavlja tako trk dveh bran, ki v vesolju sproži zelo podobno dogajanje, kot ga v klasičnem modelu razvoja vesolja predstavlja zelo hitro napihovanje prostora, ki so ga kozmologi poimenovali kozmična inflacija. Drugo dejanje je, kot smo že povedali, pri obeh modelih razvoja enako in dobro podprto z opazovanji. V tretjem dejanju pa ponovno pride do razlik.

Oba modela napovedujeta nadaljnje napihovanje vesolja, pri čemer postaja snov vse bolj redka in vedno več je praznega medzvezdnega prostora. Vendar pa se v modelu cikličnega vesolja za razliko od klasičnega modela ne konča vse s temačno dobo, ko zvezde porabijo svoje gorivo in nehajo sevati, vesolje pa se napihne preko vseh meja. Ko preteče zelo veliko časa in se zdi, da je vesolje že povsem prazno, saj v njem le še tu pa tam lebdi kak delec, se začneta obe brani ponovno medsebojno približevati. Ko spet trčita, se ves cikel ponovi z novim velikim pokom.

-