Kvintesencijalni svemir
U SADAŠNJE VRIJEME SVEMIROM UPRAVLJA NEVIDLJIVO POLJE ENERGIJE, KOJE UZROKUJE UBRZANJE NJEGOVA ŠIRENJA PREMA RUBOVIMA.
- AUTORI: JEREMIAH P. OSTRIKER I PAUL J. STEINHARDT
- Časopis: Scientific American, Posebno izdanje, prosinac 2002.
- S engleskog preveli: Nina Kamber i Stjepan Španiček
DA LI JE KONCEPT SVEMIRA U CJELINI JASAN, ILI ĆE JOŠ BITI MNOGO VIKE?
Da li nam je svemir, osim nekih manjih pojedinosti, u potpunosti razumljiv? Još prije nekoliko godina zacijelo se činilo tako. Nakon stoljeća energičnih rasprava znanstvenici su općenito usuglasili stavove u vezi osnovne povijesti svemira. Sve je počelo s plinom i zračenjem nezamislivo visoke temperature i gustoće koji se 15 milijardi godina širi i hladi. Galaktike i druge složene strukture narasle su od mikroskopskih začetaka – kvantnih fluktuacija, koje su se raširile do kozmičke veličine u kratkom razdoblju širenja (inflacije). Također, saznali smo da se samo maleni djelić materije sastoji od uobičajenih kemijskih elementa iz našeg svakodnevnog iskustva. Veći dio sastoji se od takozvane tamne tvari, koju tvore egzotične elementarne čestice, koje ne djeluju uzajamno sa svjetlom. Mnogo je nepoznanica ostalo i dalje, ali smo bar osmislili glavnu sliku.
———Tamna energija razlikuje se od tamne tvari u jednom glavnom vidu: sigurno je gravitacijski odbojna.
Ili smo samo tako mislili? Ispostavlja se da nam nedostaje veći dio priče. Otprilike tijekom zadnjih pet godina, promatranja su uvjerila kozmologe da kemijski elementi i tamna materija zajedno, čine manje od pola sadržaja svemira. Veći dio je sveprisutna tamna energija s neobičnim i jedinstvenim svojstvom. Njezina gravitacija ne privlači. Ona odbija! Dok gravitacija vuče kemijske elemente i tamnu tvar u zvijezde i galaktike, ona gura tamnu energiju u gotovo jednoličnu maglicu koja prožima cijeli svemir. Svemir je bojno polje ovih dviju tendencija i pobjeđuje odbojna gravitacija. Ona postupno nadvladava privlačnu silu obične materije, uzrokujući sve veće ubrzanje širenja svemira, vjerojatno ulazeći u novu nezaustavljivu fazu širenja i stvarajući tako potpuno drugačiju budućnost svemira nego što je većina kozmologa još prije jednog desetljeća zamišljala.
Sve do nedavna kozmolozi su se koncentrirali samo na dokazivanje postojanja tamne energije. Nakon što su dokazali da su u pravu, sada usmjeravaju pozornost na jedan dublji problem: odakle ta energija dolazi? Najvjerojatnija mogućnost je da je ta energija svojstvena samoj strukturi svemira. Čak i da je svemir potpuno prazan, bez i trunke materije i zračenja, ipak bi sadržavao ovu energiju. Ovakvo poimanje energije vrijedno je poštovanja, te je vezano uz Alberta Einsteina i njegov pokušaj konstruiranja statičkog modela svemira iz 1917. godine. Poput mnogih vodećih znanstvenika kroz stoljeća, uključujući Isaaca Newtona, Albert Einstein je vjerovao da se svemir ne mijenja; niti se sažima, niti se širi. Kako bi izvukao tu nepokretnost iz svoje opće teorije relativnosti, morao je uvesti energiju vakuuma, ili, u njegovoj terminologiji, kozmološku konstantu. Prilagodio je vrijednost konstante tako da je njezino gravitacijsko odbijanje točno u protuteži gravitacijskom privlačenju materije.
Poslije, kada su astronomi ustvrdili da se svemir širi, Einstein je požalio zbog svoje pažljivo usklađene tvorevine, nazivajući je svojom najvećom zabludom. No, možda je ova osuda bila ishitrena. Kada bi kozmološka konstanta imala samo malo veću vrijednost od one koju je predlagao Einstein, njezino odbijanje bi premašilo privlačenje materije i kozmičko širenje bi se ubrzavalo.
Međutim, mnogi kozmolozi usmjeravaju svoja saznanja prema drugačijoj zamisli; zamisli poznatoj kao kvintesencija. Kvintesencija, u prijevodu – «peti element», aluzija je na drevnu grčku filozofiju, koja je tvrdila da se svemir sastoji od zemlje, zraka, vatre i vode, kao i efemerne tvari, koja priječi pad Mjeseca i planeta u središte nebeskog svoda. Prije četiri godine Robert R. Caldwell, Rahul Dave i jedan od nas (Steinhardt), (svi su tada bili na Sveučilištu Pennsylvania), ponovo su uveli ovaj pojam da ukažu na dinamičko kvantno polje, koje se ne razlikuje od električnog ili magnetskog polja, koja su odbojna.
Ono što toliko privlači kozmologe kod kvintesencije je dinamizam. Najveći izazov za svaku teoriju tamne energije je kako objasniti postojeću količinu materije. Ne toliko što bi ona utjecala na stvaranje zvijezda i galaktika u počecima svemira, već je sasvim dovoljno to što se njezin učinak vidi sada. Energija vakuuma potpuno je inertna, statična, nepokretna, zadržavajući istu gustoću za sva vremena. Prema tome, kako bi objasnili količinu tamne energije danas, trebali bi pažljivo odrediti vrijednost kozmološke konstante prilikom stvaranja svemira, što zvuči besmisleno. Oprečno tome, kvintesencija stupa u interakciju s materijom i vremenom se razvija, pa bi se mogla prirodno uskladiti u postizanju vrijednosti koju ima danas.
* RECEPT ZA SVEMIR
Glavni sastojak svemira je tamna energija, koja se sastoji od kozmološke konstante ili od kvantnog polja poznatog kao kvintesencija. Drugi sastojci su tamna materija (koju sačinjavaju egzotične elementarne čestice), obična materija (kako vidljiva, tako i nevidljiva) i zračenje u tragovima.
Dvije trećine stvarnosti
Razlikovanje ovih dviju opcija od presudne je važnosti za fiziku. Fizičari elementarnih čestica ovise o visoko energetskim akceleratorima u otkrivanju novih oblika energije i materije. Sada nam svemir otkriva neočekivanu vrstu energije, prerijetko raširenu, čija je aktivnost preslaba da bi je akceleratori istražili. Definiranje te energije kao inertne, statične, nepokretne, ili kao dinamične, moglo bi biti presudno u formuliranju fundamentalne teorije o prirodi. Fizičari subatomskih čestica otkrivaju kako moraju promatrati razvoj događaja na nebu, jednako kao i razvoj situacije pomoću akceleratora u laboratorijima.
O AUTORIMA
Jeremiah P. Ostriker i Paul J. Steinhardt, profesori na Sveučilištu Princeton, surađuju zadnjih sedam godina. Njihovo predviđanje ubrzanog širenja iz 1995. anticipiralo je za nekoliko godina uzdrmavajućim rezultatima sa supernovom. Ostriker je bio jedan od prvih znanstvenika koji je zamijetio važnost prevlasti tamne materije i važnost vrućeg međugalaktičkog plina. Godine 2000. dodijeljena mu je Nacionalna medalja za znanost SAD-a. Steinhardt je bio jedan od začetnika teorije inflacije i koncepcije kvazikristala. Ponovo je uveo pojam «kvintesencije», nakon što su taj pojam njegov najmlađi sin Will i kći Cindy izabrali između nekoliko mogućnosti.
Slučaj tamne energije izgrađuje se ciglu po ciglu već gotovo cijelo desetljeće. Prva cigla bila je temeljito prebrojavanje sve materije u galaktikama i galaktičkim skupinama uz uporabu raznih optičkih, rendgenskih i radio-tehnika. Nesumnjiv zaključak bio je da cjelokupna masa kemijskih elemenata i tamne tvari, odgovara otprilike samo jednoj trećini teoretski očekivane vrijednosti kritične gustoće.
Za mnoge kozmologe ovo je bio pokazatelj da su teoretičari bili u krivu. U tom slučaju živjeli bismo u vječno širećem svemiru, gdje je prostor zakrivljen u obliku hiperbole, kao rog na trubi. Ovo tumačenje je pokopano mjerenjem vrućih i hladnih točaka na kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, čiji je razmještaj pokazao da je svemir ravan i da je ukupna gustoća energije jednaka kritičnoj gustoći. Spajanjem ova dva zapažanja jednostavna matematika nalaže potrebu za dodatnom komponentom energije, koja bi nadoknadila one dvije trećine gustoće energije koje nedostaju.
Što god da je, ta nova komponenta mora biti tamna i ne upija niti ispušta svjetlo, inače bi je davno primijetili. Na taj način ona nalikuje tamnoj tvari. No, ta nova komponenta, zvana tamna energija, razlikuje se od tamne tvari u jednom važnom pogledu: mora biti gravitacijski odbojna, inače bi bila uvučena u galaktike i galaktička jata, gdje bi utjecala na kretanje vidljive materije. Takav utjecaj se ne očituje. Osim toga, gravitacijsko odbijanje razrješava «krizu stoljeća», koja je mučila kozmologiju 90-tih godina. Ako uzmemo sadašnja mjerenja brzine ekspanzije i pretpostavimo da se ekspanzija usporava, onda je starost svemira manja od 12 milijardi godina.
No ipak, dokazi upućuju da su neke zvijezde u našoj galaktici stare 15 milijardi godina. Uzrokujući ubrzanje širenja svemira, odbijanje čini da se izvedena starost svemira slaže sa utvrđenom starošću nebeskih tijela.
Potencijalna manjkavost ovog argumenta bila je u tome što bi gravitacijsko odbijanje trebalo uzrokovati ubrzanje širenja, što nije bilo primijećeno. A onda je 1998. zadnja cigla postavljena na svoje mjesto. Dvije neovisne grupe znanstvenika izvode mjerenja dalekih supernova, kako bi se utvrdile i otkrile promjene u ubrzanju širenja. Obje skupine zaključile su da svemir ubrzava i to upravo predviđenim tempom.
Sva ova zapažanja svode se na tri točke: prosječnu gustoću materije (kako obične, tako i tamne), prosječnu gustoću tamne energije i zakrivljenost svemira. Einsteinove jednadžbe nalažu dodavanje ovih triju točaka kritičnoj gustoći. Moguće kombinacije točaka mogu se jezgrovito prikazati na grafikonu trokuta (vidi ilustraciju «Kozmički trokut» na kraju teksta). Tri različita načina promatranja: popis materije, kozmičko pozadinsko zračenje i supernove, odgovaraju pojasevima unutar trokuta. Neobično je da se pojasevi preklapaju na istom mjestu, što stvara argument za tamnu energiju koji se ne može ignorirati.
Od implozije do eksplozije
Naše svakodnevno iskustvo odnosi se na običnu materiju koja gravitacijski privlači, pa je teško predočiti kako tamna energija može gravitacijski odbijati. Ključna značajka je da je njezin tlak negativan. U Newtonovom zakonu gravitacije tlak ne igra nikakvu ulogu; jakost gravitacije ovisi samo o masi. Međutim, u Einsteinovom zakonu gravitacije, jakost gravitacije ne ovisi samo o masi, već i o drugim oblicima energije, te o tlaku. Na taj način tlak ima dva učinka: izravni (uzrokovan djelovanjem tlaka na okolnu tvar), i neizravni (uzrokovan gravitacijom koju stvara tlak).
Predznak gravitacijske sile određuje algebarska kombinacija ukupne gustoće energije, plus tri puta tlak. Ako je tlak pozitivan, kao što je za zračenje za običnu materiju i tamnu materiju, onda je kombinacija pozitivna i gravitacija privlači. Ako je tlak dovoljno negativan, tada je kombinacija negativna i gravitacija odbija. Izrazimo li to kvantitativno, kozmolozi promatraju omjer tlaka i gustoće energije kao jednadžbu stanja ili w. Za obični plin w je pozitivan i proporcionalan temperaturi, ali za određene sustave w može biti negativan. Ako padne ispod -1/3, gravitacija postaje odbojna.
Energija vakuuma zadovoljava ovaj uvjet, ali pod uvjetom da je njezina gustoća pozitivna. To je posljedica zakona o očuvanju energije, prema kojemu se energija ne može uništiti. Matematički se ovaj zakon može preforlmulirati na način da je brzina promjene gustoće energije proporcionalna w+1. Za energiju vakuuma, čija gustoća se po definiciji nikada ne mijenja, ovaj zbroj mora biti jednak nuli. Drugim riječima, w mora biti točno jednak -1. Tako tlak mora biti negativan.
Što znači imati negativan tlak? Većina vrućih plinova ima pozitivan tlak; kinetička energija atoma i zračenje potiskuju stjenke posude s plinom prema van. Prisjetite se kako je direktni učinak pozitivnog tlaka – guranje, a to je suprotnost njegovog gravitacijskog efekta – povlačenja. No, možemo zamisliti interakciju među atomima koja nadvladava kinetičku energiju i uzrokuje imploziju plina. Implozivni plin ima negativni tlak. Balon s ovakvim plinom bi se urušio prema unutra, zato što bi vanjski tlak (nula ili pozitivan), premašio unutarnji tlak (negativan). Zanimljivo je da direktni učinak negativnog efekta – implozija – može biti suprotnost njegovog gravitacijskog efekta – odbijanja.
Na balonu je gravitacijski učinak nezamjetan. No, zamislite sada da se cijeli svemir ispuni implozivnim plinom. Tada nema površine koja bi ograničavala i nema vanjskog tlaka. Plin još uvijek ima negativan tlak, ali se nema o što odbiti, pa ne vrši direktan učinak. Postoji samo gravitacijski učinak, tj. odbijanje. Ovo odbijanje rasteže svemir povećavajući mu obujam i posljedično tome količinu energije vakuuma. Ova tendencija za rastezanjem je stoga samopojačavajuća. Svemir se širi ubrzavajućim tempom. Rastuća energija vakuuma nastaje na račun gravitacijskog polja.
SNAGA POZITIVNOG (I NEGATIVNOG) MIŠLJENJA
Primjenjuje li energetski blok silu koja gravitacijski privlači ili odbija, ovisi o njegovom tlaku. Ako je tlak nula ili pozitivan, kao što je to kod zračenja i obične materije, gravitacija privlači (jamice okrenute prema dolje predstavljaju potencijalne energetske izvore.) Zračenje ima veći tlak, pa njezina gravitacija više privlači. Kod kvintesencije tlak je negativan, a gravitacija odbija (jamice postaju uzvisine).
Ovi koncepti mogu zvučati čudno, pa ih je čak i Einsteinu bilo teško prihvatiti. On je na statički svemir, početni povod za energiju vakuuma, gledao kao na nesretnu grešku koju treba odbaciti. No, kozmološka konstanta, jednom uvedena nije mogla nestati. Teoretičari su uskoro shvatili da kvantna polja posjeduju konačnu količinu energije vakuuma, kao manifestaciju kvantnih fluktuacija, koje kao čarolijom iz ničega stvaraju parove stvarnih čestica. Procjena ukupne energije vakuuma koju stvaraju sva poznata polja predviđa ogromnu količinu energije; 120 redova veličine više nego što je gustoća energije u ostaloj materiji. To jest, iako je to teško predočiti, u pozitivnoj, konstantnoj gustoći energije trebale bi sudjelovati neizmjerno malene stvarne čestice, što bi značilo negativan tlak. No, kada bi ova procjena bila istinita, ubrzanje epskih proporcija razderalo bi atome, zvijezde i galaktike. Jasno je da je procjena kriva. Jedan od glavnih ciljeva ujedinjenih teorija gravitacije je saznati zašto.
Jedna od ideja je kako neka do sada neotkrivena simetrija u fundamentalnoj fizici rezultira poništenjem velikih učinaka, svodeći energiju vakuuma na nulu. Npr., kvantne fluktuacije stvarnih parova čestica donose pozitivnu energiju česticama s polovičnim spinom (poput kvarkova i elektrona), ali donose negativnu energiju česticama sa cjelobrojnimspinom (poput fotona). U standardnim teorijama ovo poništenje nije precizno i ostavlja iza sebe neprihvatljivo veliku gustoću energije. No, fizičari istražuju modele s takozvanom supersimetrijom – model koji razmatra odnos između dva tipa čestica, koji može dovesti do preciznog poništenja. Međutim, ozbiljni nedostatak je da bi supersimetrija vrijedila samo kod vrlo visokih energija. Teoretičari istražuju način očuvanja savršenog poništenja čak i kod nižih energija.
Jedno drugo mišljenje govori o tome da energija vakuuma ipak nije u potpunosti poništena. Možda postoji mehanizam poništenja koji je pomalo nesavršen. Umjesto da kozmološku konstantu učini točno ravnu nuli, ovaj mehanizam poništava samo do 120 decimalnih mjesta. Tada bi energija vakuuma mogla sačinjavati dvije trećine energije svemira koja nedostaje. Pa ipak, to je neobično. Koji bi mehanizam uopće mogao djelovati sa takovom preciznošću? Iako tamna energija predstavlja ogromnu količinu mase, ona je tako rijetko raširena da je njezina energija manja od četiri elektronvolta po kubnom milimetru, što je za fizičara elementarnih čestica nezamislivo malo. Najslabija poznata sila u prirodi sadrži 1.050 puta veću gustoću energije.
Izdvojena unatrag u vremenu, energija vakuuma postaje još veći paradoks. Danas materija i tamna energija imaju usporedivo prosječne gustoće. No, prije više milijardi godina, na početku svog postojanja, naš je svemir bio veličine oveće naranče, te je materija bila 100 redova veličine gušća. Međutim, kozmološka konstanta bi tada imala istu vrijednost kao što je ima sada. Drugim riječima, za svakih 10.100 čestica materije, fizikalni bi procesi stvorili jednu česticu energije vakuuma, a to je stupanj točnosti koji može biti razuman u matematičkoj idealizaciji, ali kojega je apsurdno očekivati od stvarnoga svijeta. Ova potreba za skoro nadnaravnim usklađivanjem glavni je motiv u razmatranju alternativa ovoj kozmološkoj konstanti.
Prikupljanje znanstvenih podataka na terenu
Na sreću, energija vakuuma nije jedini način za stvaranje negativnog tlaka. Drugi način je izvor energije koji, za razliku od energije vakuuma, varira u prostoru i vremenu, a to je carstvo raznih mogućnosti i spada u rubriku kvintesencije. Za kvintesenciju w nema utvrđenu vrijednost, već mora biti manji od -1/3, da bi gravitacija bila odbojna.
POROĐAJNE MUKE
Svemir se širi različitim brzinama zavisno o tome koja energija prevladava. Materija uzrokuje usporavanje, a kozmološka konstanta uzrokuje ubrzanje. Kvintesencija je u sredini; ona uzrokuje ubrzanje širenja, ali smanjenom brzinom. Kod kvintesencije ubrzanje može u nekim slučajevima biti uključeno ili isključeno (isprekidane linije).
Kvintesencija može poprimiti mnoge oblike. Najjednostavniji modeli govore o kvantnom polju čija energija varira tako polako, da se na prvi pogled doima poput konstantne energije vakuuma. Ova formulacija posuđena je iz inflacijske kozmologije u kojoj kozmičko polje poznato kao inflacija, upravlja širenjem na početku svemira uz uporabu istog mehanizma inflacije, odnosno širenja ili nadimanja. Ključna razlika je u tome što je kvintesencija puno slabija od inflacije. Ovu hipotezu su prije jednog desetljeća prvi istraživali Christof Wetterich sa Sveučilišta Heidelberg i Bharat Ratra, koji je sada na Sveučičištu Kansas State, kao i P. James i E. Peebles sa Sveučilišta Princeton.
———Moguće je da kvintesencija opskrbljuje ciklički obrazac u kojem se vrući, homogeni svemir vječno stvara i obnavlja
U kvantnoj teoriji fizikalni procesi mogu se opisati u terminima polja ili čestica. No, zato što kvintesencija ima tako malu gustoću energije i varira tako postupno, čestica kvintesencije bila bi nepojmljivo lagana i velika; veličine ogromne skupine galaktika. Zato je opis polja ipak pogodniji. Koncepcijski gledano, polje je neprekidna rasprostranjenost energije, koja svakoj točki unutar polja pridružuje brojčanu vrijednost poznatu kao jakost polja. Energija koju polje obuhvaća ima kinetičku komponentu, koja ovisi o vremenskoj varijaciji jakosti polja i potencijalnu komponentu, koja ovisi samo o vrijednosti jakosti polja. Kako se polje mijenja, ravnoteža kinetičke i potencijalne energije se pomiče.
Što se tiče energije vakuuma, prisjetite se da je negativni tlak izravna posljedica zakona očuvanja energije, što diktira da je svaka varijacija u gustoći energije proporcionalna zbroju gustoće energije (pozitivan broj) i tlaka. Za energiju vakuuma promjena iznosi nula, pa tako i tlak mora biti negativan. Za kvintesenciju promjena je dostatno postupna da tlak mora još uvijek biti negativan, iako donekle u manjoj mjeri. Ovo stanje odgovara većoj količini potencijalne energije nego kinetičke energije.
Zbog toga što je njezin tlak manje negativan kvintesencija ne ubrzava svemir tako snažno kao što to čini energija vakuuma. Konačno, u ovome promatrači vide razliku između njih. Kvintesencija je više u skladu sa raspoloživim podacima, ali za sada ova razlika nije statistički značajna. Druga razlika je u tome što, za razliku od energije vakuuma, polje kvintesencije može biti podložno svakoj vrsti složene evolucije. Vrijednost w može biti pozitivna, zatim negativna, pa onda opet pozitivna. Može imati različite vrijednosti na različitim mjestima. Iako se mislilo da je nejednolikost mala, ona se može otkriti proučavanjem kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.
Još jedna razlika leži u tome što se kvintesencija može poremetiti. Valovi će se rasprostirati kroz nju, baš kao što zvučni valovi mogu proći zrakom. U žargonu, kvintesencija je «meka». Einsteinova kozmološka konstanta je, za razliku od kvintesencije, kruta; njome se ne može upravljati. Ovo otvara zanimljivo pitanje. Svaki poznati oblik energije je u određenoj mjeri mek. Možda je krutost idealiziranje koje ne može postojati u stvarnosti, a u tom slučaju kozmološka konstanta je nemoguća stvar. Kvintesencija s w blizu -1 mogla bi biti najbliža prihvatljiva približna vrijednost.
Kvintesencija na membrani
Reći da je kvintesencija polje, samo je prvi korak u njenom objašnjenju. Odakle bi tako neobično polje moglo dolaziti? Fizičari elementarnih čestica imaju objašnjenja za fenomene od strukture atoma do podrijetla mâsa, ali kvintesencija je nešto poput siročića. Suvremene teorije elementarnih čestica uključuju mnoge vrste polja koja bi mogla imati potrebno ponašanje, ali nedovoljno se zna o njihovoj kinetičkoj i potencijalnoj energiji, te je danas teško reći koje bi od njih moglo stvoriti negativan tlak, ako uopće postoji takvo.
Jedna egzotična mogućnost je da kvintesecncija izvire iz fizike ekstra dimenzija. Tijekom nekoliko prošlih desetljeća teoretičari su istraživali teoriju struna, koja može povezati opću relativnost i kvantnu mehaniku u jedinstvenu teoriju fundamentalnih sila. Važna karakteristika teorije struna je postojanje 10 dimenzija. Četiri od ovih su naše poznate tri prostorne dimenzije i vrijeme. Ostalih šest dimenzija mora da je skriveno. Po nekim formulacijama, one su umotane poput lopti, premalenog obujma da bi se uočio (bar ne sa sadašnjim instrumentima). Jedna alternativna zamisao iznesena je s nedavnim proširenjem teorije struna, što je poznato kao M–teorija, koja dodaje jedanaestu dimenziju; obična materija je ograničena na dvije trodimenzionalne površine, poznate kao membrane (u izvornom engleskom tekstu: «brane»: skraćeno od membrane – op. prev.), razdvojene mikroskopskim procjepom duž jedanaeste dimenzije.
Mi nismo sposobni vidjeti ove druge dimenzije, ali ako one postoje, trebali bismo ih moći opažati neizravno. U stvari, prisustvo umotanih dimenzija, ili bliskih membrana, djelovalo bi upravo poput polja. Brojčana vrijednost koja je pridružena polju u svakoj točki prostora može odgovarati promjeru, ili udaljenosti procjepa. Ako se promjer ili procjep, polagano mijenja kako se svemir širi, to bi upravo moglo oponašati hipotetičko polje kvintesencije.
Koje god da je podrijetlo kvintesencije, njezin dinamizam mogao bi riješiti mučan problem finog usklađivanja. Jedan način gledanja na ovo je pitanje zašto je kozmičko ubrzanje započelo upravo u ovom određenom trenutku kozmičke povijesti. Stvorena kada je svemir bio tek 10-35 sekunde star, tamna energija mora da je ostala u sjeni gotovo deset milijardi godina, a to je faktor od više od 1050 starosti. Tek tada je, kako navode podaci, tamna energija dostigla materiju i uzrokovala početak ubrzanja svemira. Nije li slučajnost da je svemir iznenada prebacio u petu brzinu tek onda kada su se razvila razumna bića? Čini se da su sudbine materije i tamne energije nekako isprepletene. Ali kako?
MOŽEMO VJEROVATI TEK U ONO ŠTO VIDIMO
Podaci dobiveni opažanjem supernova mogu biti jedan od načina za donošenje odluke između kvintesencije i kozmološke konstante. Ova posljednja uzrokuje da svemir ubrzava sve brže, dakle supernova s datim crvenim pomakom će biti udaljenija i stoga prigušenija. Postojeći teleskopi (podaci prikazani u sivom), ne mogu razlučiti ova dva slučaja, no predložena svemirska letjelica za praćenje akceleracije supernova, trebala bi biti u stanju učiniti to. Magnitude relativne sjajnosti supernova predočene pomoću četiri modela prikazane su različitim bojama.
Ako je tamna energija energija vakuuma, onda je slučajnost gotovo nemoguće opravdati. Neki istraživači, uključujući Martina Reesa sa Sveučilišta Cambridge i Stevena Weinberga sa Sveučilišta Teksas i Austin, slijedili su entropijsko objašnjenje. Možda je naš svemir samo još jedan među mnoštvom svemira, a u svakom od njih energija vakuuma poprima različitu vrijednost. Svemiri s energijom vakuuma mnogo većom od četiri elektronvolta po kubičnom milimetru, mogli bi biti češći, ali se prebrzo šire da bi formirali zvijezde, planete ili život. Svemiri s puno manjim vrijednostima bi mogli biti jako rijetki. Naš svemir bi imao optimalnu vrijednost. Samo u ovom «najboljem od svih svjetova» mogla bi postojati inteligentna bića sposobna promišljati o naravi svemira. No, fizičari se ne slažu oko toga tvori li ovaj entropijski argument prihvatljivo objašnjenje.
Odgovor koji više zadovoljava i koji bi mogao uključiti oblik kvintesencije poznat kao polje tragača (engl.: tracker field), izučavali su Ratra i Peebles, kao i Steinhardt i Ivaylo Zlatev, a i Limin Wang, tada na Sveučilištu Pennsylvania. Jednadžbe koje predstavljaju polje tragača imaju klasično privlačno djelovanje, poput djelovanja kojeg nalazimo u nekim kaotičnim sustavima. U takvim sustavima djelovanje se usmjerava prema istom rezultatu za široki opseg početnih uvjeta. Na primjer, kuglica stavljena u praznu kadu, na kraju uvijek pada u odvod, bez obzira koja joj je početna točka kretanja.
Slično tome, inicijalna gustoća energije polja tragača ne mora se podesiti na određenu vrijednost, jer se polje samo brzo podešava na tu vrijednost. Vezuje se na stazu na kojoj njegova gustoća energije ostaje konstantni djelić gustoće zračenja i materije. U tom smislu kvintesencija oponaša materiju i zračenje iako je njezin sastav u potpunosti različit. Ovo oponašanje javlja se zato što gustoća zračenja i materije određuju kozmičku brzinu širenja, a to zauzvrat kontrolira brzinu promjene gustoće kvintesencije. Ako pobliže promotrimo vidimo kako mali djelić polagano raste. Tek poslije puno milijuna, ili milijardi godina kvintesencija ga dostiže.
No, zašto ga je kvintesencija dostigla baš tada? Kozmičko ubrzanje je isto tako moglo početi u davnoj prošlosti, ili dalekoj budućnosti, ovisno u izboru konstante u teoriji polja tragača. Ovo nas vraća na slučajnost. No, možda je neki događaj u relativno nedavnoj prošlosti dao maha ubrzanju. Steinhardt, zajedno sa Christianom Armendariz Piconom, koji su sada na Sveučilištu Chicago i Viatcheslav Mukhanov sa Sveučilišta Ludwig Maximilians u Minhenu, postavili su kao mogućnost jedan takav nedavni događaj: prijelaz iz dominacije zračenja na dominaciju materije.
Prema teoriji Velikog praska energija svemira obitavala je uglavnom u zračenju. Međutim, kako se svemir hladio, zračenje je gubilo energiju brže nego obična materija. Do vremena kada je svemir bio nekoliko desetaka tisuća godina star, relativno ne tako davno u logaritamskim terminima, ravnoteža energije pomakla se u korist materije. Ova promjena obilježila je početak epohe u kojoj dominira materija, čiji smo mi uživaoci. Tek tada je gravitacija mogla početi povlačiti materiju u formiranje galaktika i struktura velikih razmjera. U isto vrijeme brzina širenja svemira doživjela je promjenu.
U varijaciji modela tragača ova transformacija potaknula je seriju događaja koji su doveli do današnjeg kozmičkog ubrzanja. Tijekom većeg dijela povijesti svemira kvintesencija je pratila energiju zračenja ostajući beznačajnom sastavnicom svemira. No, kada je svemirom počela dominirati materija, promjena u brzini širenja poremetila je podržavalačko ponašanje kvintesencije. Umjesto da prati zračenje, ili čak materiju, tlak kvintesencije se promijenio u negativnu vrijednost. Njezina gustoća ostala je skoro nepromijenjena i konačno je pretekla gustoću materije koja se smanjivala. U ovoj slici, činjenica da su razumna bića i kozmičko ubrzanje počeli postojati skoro u isto vrijeme nije slučajnost. I stvaranje zvijezda i planeta nužnih za podržavanje života, kao i transformacija kvintesencije u negativni tlak, potaknuto je početkom dominacije materije.
Gledanje u budućnost
U bliskom periodu žarište istraživanja kozmologa biti će otkrivanje postojanja kvintesencije. Ona ima vidljive posljedice. Zato što se njezina vrijednost w razlikuje od one kod energije vakuuma, stvara različiti stupanj kozmičkog ubrzanja. Preciznija mjerenja supernova koje se nalaze na većim udaljenostima, može razdvojiti ova dva slučaja. Kako bi riješili ovaj problem astronomi su iznijeli plan o dva nova opservatorija; sonde za mjerenje ubrzanja supernova koja bi kružila u orbiti, te teleskopa s velikim otvorom za sinoptička mjerenja izgrađenim na Zemlji. Razlike u stupnju ubrzanja također stvaraju male razlike u kutnoj veličini vrućih i hladnih točaka u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, što bi Sonda za mikrovalnu anizotropiju (MAP) i Plankova svemirska letjelica, trebali biti u stanju otkriti.
Drugi testovi bilježe kako broj galaktika varira s povećanjem crvenog pomaka, ukazujući kako se ubrzanje širenja svemira s vremenom promijenilo. Zemaljski projekt pod nazivom Dubinska vangalaktička evolucionarna sonda pratit će ovaj učinak.
——- Specijalni instrumenti za istraživanja, kao i novi testovi, reći će nam koja budućnost je naša
Na duže staze, svi ćemo mi biti u situaciji promišljanja o dubljem smislu ovih revolucionarnih otkrića. Ona vode k novim trezvenim tumačenjima našeg mjesta u kozmičkoj povijesti. Na početku ili bar u najranije vrijeme o kojem imamo neku zamisao, bila je inflacija, produženo razdoblje ubrzanog širenja tijekom prvih trenutaka poslije velikog praska. Svemir je u to vrijeme bio gotovo bez materije, a prevladavalo je kvintesenciji nalik kvantno polje s negativnim tlakom. Tijekom tog razdoblja svemir se širio po većem faktoru nego tijekom 15 milijardi godina pošto se inflacija završila. Pri kraju inflacije polje se svelo na vrući plin kvarkova, gluona, elektrona, svjetla i tamne energije.
Tisućama godina svemir je bio tako gusto ispunjen plinom, da se atomi, a pogotovo veće strukture, nisu mogli formirati. Tada je materija preuzela kontrolu. Sljedeća faza je naša epoha stalnog hlađenja, kondenzacije i evolucije složenih struktura, čija se veličina stalno povećava. No, ovom razdoblju dolazi kraj. Kozmičko se ubrzanje vratilo. Čini se da je svemir koji nam je poznat, sa sjajnim zvijezdama, galaktikama i njihovim skupinama, bio samo kratko međurazdoblje. Kako kozmičko ubrzanje bude prevladavalo sljedećih desetaka milijardi godina, materija i energija će u svemiru postajati sve razrjeđenije i svemir će se razvlačiti prebrzo da bi omogućio oblikovanje novih struktura. Za živa bića svemir će biti sve više neprijateljska sredina. Ako ubrzanje uzrokuje energija vakuuma, tada je priča o svemiru završena: planeti, zvijezde i galaktike, koje danas vidimo, najveća su točka kozmičke evolucije.
No, ako ubrzanje uzrokuje kvintesencija, kraj tek treba biti ispisan. Svemir bi mogao ubrzavati zauvijek, ili bi kvintesencija mogla nestati u novim oblicima materije i zračenja i nanovo napučiti svemir. Zato što je gustoća tamne energije tako mala moglo bi se pretpostaviti da bi tvar stvorena njezinim nestajanjem imala premalu energiju da učini bilo što važno. Međutim, pod nekim okolnostima kvintesencija bi mogla nestajati pretvaranjem mjehura u jezgre. Unutrašnjost mjehura bila bi praznina, ali bi stjenka mjehura bila polje silovitog djelovanja. Kako bi se stjenka pomicala prema van, počistila bi svu energiju nastalu nestankom kvintesencije. Povremeno, dva mjehura bi se sudarila u fantastičnoj raskoši vatrometa. U tom bi procesu mogle nastati masivne čestice, kao što su protoni i neutroni, a možda i zvijezde i planeti.
Budućim stanovnicima svemir bi izgledao jako nehomogeno, sa životom ograničenim na udaljene otoke okružene ogromnim prazninama. Bi li ikada dokučili da je njihovo podrijetlo bio homogeni i izotropni svemir koji vidimo oko sebe danas? Bi li ikada znali da je svemir bio živ i da je onda umro, kako bi mu se dala nova prilika?
Ili je možda spremna radikalnija revizija kozmičke povijesti. Nadahnuti nedavnim promatranjima kozmičkog ubrzanja, Steinhardt i Neil Turok sa Sveučilišta Cambridge, iznijeli su model «cikličkog svemira», u kojem je kvintesencija mjesto djelovanja u središtu, a inflacija je sveprisutna. U ovoj slici prostor i vrijeme postoje zauvijek. Svemir prolazi beskrajni niz ciklusa u kojima se sažima u velikom drobljenju i nanovo pojavljuje u širećem velikom prasku, s trilijunima godina evolucije između. Tijekom prvih petnaest milijardi godina svakoga ciklusa svemirom dominira zračenje i materija, a kako se svemir hladi, formiraju se zvijezde i galaktike. A onda, baš kao što vidimo danas, kvintesencija pokreće produženo razdoblje ubrzanog širenja, koje ispražnjuje svemir od materije i entropije, stvorenih u prethodnom ciklusu. Ključna uloga kvintesencije je da čini svemir homogenim i u isto vrijeme rasteže prostornu geometriju; dvije od funkcija koje se obično pripisuju inflaciji.
Uz to, fluktuacije u polju kvintesencije konačno formiraju zametke za stvaranje galaktika poslije praska, što je treća funkcija koju ostvaruje inflacija. Kako polje kvintesencije evoluira, njezina gustoća i tlak mijenjaju se sve dok polje ne prestane uzrokovati ubrzanje i umjesto toga pokreće period sažimanja. U drobljenju, nešto od energije polja kvintesencije pretvoreno je u materiju i zračenje koji hrane prasak i novo razdoblje širenja, hlađenja i formiranja struktura. Naime, temperatura i gustoća rastu do velike, ali ograničene gustoće. Tako ovaj model također izbjegava neograničenosti konvencionalnog pogleda na Veliki prasak. Vrući, homogeni svemir vječno se stvara i obnavlja.
Ovaj ciklički scenarij ima prirodno objašnjenje u terminima teorije superstruna s membranama i ekstra dimenzijama. Cikluse možemo opisati beskrajnim, periodičkim slijedom kolizija između membrana. Svaka kolizija stvara prasak u kojem se stvaraju nova materija i zračenje. Zračenje i materija uzrokuju rastezanje membrana; uobičajeno razdoblje kozmičkog širenja. Postoji još i sila između membrana koja donosi pozitivnu potencijalnu energiju svemiru kada su membrane jako udaljene. U ovom scenariju kvintesencija je jednostavno ta potencijalna energija. Poslije 15 milijardi godina širenja međumembranska potencijalna energija dominira svemirom i razdoblje kozmičkog ubrzanja počinje. Membrane se dostatno rastegnu da bi razrijedile gustoću materije i zračenja, te da izravnaju eventualne zakrivljenosti, ili nabore na površini membrana.
Membrane se polako zajedno pokreću, ali dok se približavaju, potencijalna energija se smanjuje s pozitivne na negativnu vrijednost. Polje kvintesencije sada uzrokuje prestanak istezanja i uzrokuje ubrzanje kretanja membrana prema koliziji. Kolizija i odbijanje odgovaraju preokretu iz sažimanja u širenje. Ipak, samo komponenta ekstra dimenzija se urušava i nanovo pojavljuje. Uobičajena trodimenzionalna komponenta ostaje beskonačna. Stoga gustoća materije na membranama ostaje mala i razrijeđena čak i pri drobljenju. Kada se dvije membrane odbiju, potencijalna se energija obnovi do svoje prvotne vrijednosti, kvintesencija se nanovo stvori i spremna je za sljedeći ciklus.
Eksperimenti bi nam uskoro mogli dati neku zamisao o tome koja budućnost je naša. Vjerujemo da će poboljšana preciznost klasičnih kozmoloških testova, kao i posebno oblikovani istraživački instrumenti, te neki novi testovi (koji vjerojatno rabe gravitacijsku optiku), ovo omogućiti. Hoće li to biti «slijepa ulica» energije vakuuma, ili nenačeti potencijal kvintesencije? Konačni odgovor ovisi o tome ima li kvintesencija mjesto u osnovnim djelima prirode, kao što je možda područje teorije struna. Naše mjesto u kozmičkoj povijesti ovisi od uzajamnog utjecaja između znanosti jako velikoga i znanosti jako maloga.
KOZMIČKI TROKUT
U ovom grafikonu kozmoloških promatranja, osi predstavljaju moguće vrijednosti tri ključne karakteristike svemira. Ako je svemir ravan, kako ističe teorija inflacije, tada bi se različite vrste zapažanja (obojena područja) i crta nultog zakrivljenja (crvena crta) trebali preklapati. U sadašnjem trenutku podaci o pozadinskim mikrovalovima stvaraju malo bolje preklapanje ako se tamna energija sastoji od kvintesencije (isprekidana crta obrisa), a ne od kozmološke konstante (zeleni dio).
