Novo teorijsko istraživanje predlaže neobičan odgovor na jedno od najtežih pitanja moderne kozmologije: što je postojalo prije najranije faze brzog širenja svemira. Prema ideji fizičara Konstantina Zloshchastieva, naš svemir mogao je nastati kada se prvobitno kvantno stanje s mnogo mogućih ishoda svelo na jednu stvarnost.
Prije inflacije, fizika ulazi u područje gotovo bez opažanja
Astronomija je u četiri stoljeća napravila golemi korak. Galileo Galilei početkom 17. stoljeća teleskopom je otkrio Jupiterove mjesece. Edwin Hubble kasnije je pokazao da Mliječna staza nije jedina galaksija. Danas svemirski teleskop James Webb promatra galaksije iz prvih nekoliko stotina milijuna godina svemira, detektori poput LIGO-a bilježe gravitacijske valove, a kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje i dalje ostaje jedan od najvažnijih tragova ranog svemira.
No pitanje što je bilo prije inflacije ostaje daleko teže. Inflacija označava iznimno kratko razdoblje u kojem se svemir, prema vodećim kozmološkim modelima, naglo proširio u najranijim trenucima svoje povijesti. Ono što je prethodilo toj fazi ne možemo jednostavno promatrati teleskopima.
U radu objavljenom u časopisu Universe, fizičar Konstantin Zloshchastiev s Tehnološkog sveučilišta u Durbanu predlaže da se u tom skrivenom razdoblju dogodio ključan prijelaz. Prema njegovoj hipotezi, naš svemir mogao je nastati iz prvobitnog kvantnog multiverzuma, stanja u kojem nisu postojali jasno odvojeni svemiri, nego mnoštvo mogućnosti u kvantnoj superpoziciji.
To nije potvrđeni opis nastanka svemira.
Riječ je o teorijskom modelu koji pokušava objasniti kako je iz neodređenog kvantnog stanja mogao nastati jedan uređeni svemir s pravilima fizike kakva danas mjerimo.
Mnoštvo mogućnosti prije jedne stvarnosti
U Zloshchastievoj slici, prije inflacije nije postojala materija u obliku koji poznajemo. Umjesto čestica, polja i struktura kakve opisuje današnja fizika, postojalo je stanje u kojem su različite mogućnosti bile kvantno povezane i još nisu dale jedan konačan ishod.
Autor se pritom oslanja na ideju superpozicije, poznatu iz kvantne mehanike. U najjednostavnijem opisu, kvantni sustav može biti u više mogućih stanja dok se ne dogodi prijelaz koji jedan ishod učini fizički određenim.
U ovoj hipotezi takav prijelaz ne odnosi se na jednu česticu u laboratoriju, nego na cijelu ranu stvarnost. Moguća prostorvremena, mogući svemiri i različiti oblici fizike postojali bi kao dio istog prvobitnog kvantnog stanja. U jednom trenutku ta se superpozicija prekida, a od svih mogućnosti ostaje jedan svemir.
Naš.
Ta je ideja privlačna jer nudi odgovor na pitanje zašto uopće postoji jedan konkretan svemir, a ne beskonačno neodređeno mnoštvo mogućnosti. No tu odmah počinje i najteži dio problema. U kvantnoj fizici takav prijelaz obično se povezuje s mjerenjem, okolišem ili gubitkom kvantne povezanosti. U najranijem svemiru nema vanjskog promatrača ni klasičnog laboratorija.
Zbog toga Zloshchastiev u model uvodi informaciju.
Jedan ishod kao zapis informacije
Zloshchastiev opisuje raspad prvobitne superpozicije kao prijenos Shannonove informacije, nazvane po Claudeu Shannonu, utemeljitelju moderne teorije informacija. U ovom kontekstu to znači da se iz kvantnog mnoštva izdvaja informacija o tome koji se ishod ostvario.
Prema hipotezi, ta informacija ostaje zabilježena u nekoj vrsti okoliša ili vanjskog zapisa. Time jedan mogući svemir prestaje biti tek mogućnost i postaje fizička stvarnost.
Iz tog bi procesa, tvrdi autor, mogao nastati poseban oblik kvantne tvari, koji zatim vodi prema fizičkom vakuumu našeg svemira. Vakuum u modernoj fizici nije praznina. To je najniže energetsko stanje kvantnih polja, temelj na kojem počivaju čestice, sile i ponašanje prostora.
U tom smislu, svemir kakav poznajemo ne bi bio početak iz apsolutnog ničega. Bio bi rezultat prijelaza iz dubljeg kvantnog stanja u stabilan fizički poredak.
Zloshchastiev smatra da bi taj okvir mogao pomoći i u povezivanju različitih faza kozmičke povijesti, od razdoblja nakon inflacije do današnje epohe u kojoj širenjem svemira dominira tamna energija. To je velik zahvat za jednu hipotezu, pa zahtijeva oprez. Model tek treba pokazati može li izdržati usporedbu s opažanjima.
Teorija mora ostaviti mjerljiv trag
Najvažnije pitanje za svaku ovakvu ideju glasi: može li se provjeriti?
Zloshchastiev predlaže mogući opažajni trag u obliku hipotetskog vakuumskog Čerenkovljeva zračenja. Klasično Čerenkovljevo zračenje nastaje kada se nabijena čestica kroz neki medij giba brže od brzine svjetlosti u tom mediju. U ovom teorijskom slučaju govorilo bi se o učinku vezanom uz vakuum, koji bi se možda mogao povezati s ekstremnim izvorima energije u svemiru.
Zloshchastiev spominje blazare, kvazare i brze radijske izboje kao moguće astrofizičke sustave u kojima bi se takvi učinci mogli tražiti. Za sada, međutim, nema potvrde da je taj trag stvaran ni da vodi prema opisanom modelu.
Preinflacijska faza svemira ostaje jedan od najtežih dijelova kozmologije. Nema izravnog pogleda u to razdoblje, a teorije koje ga pokušavaju opisati često se nalaze na samoj granici provjerljive fizike. Zloshchastieva hipoteza zanimljiva je upravo zato što pokušava spojiti kvantnu mehaniku, informaciju i nastanak svemira, ali njezina će vrijednost ovisiti o tome može li iz matematičke ideje prijeći u područje mjerljivih tragov
