Napomena: Stephen Barr u ovome tekstu razlikuje “stvaranje” i “vremenski početak”. “Stvaranje svemira” bi bilo samo uzrokovanje svemira da postoji i teoretski bi to mogao biti vječni proces, s beskonačnom prošlošću. Bog odvijeka uzrokuje postojanje svemira. “Vremenski početak svemira” bi pak bilo stvaranje svemira tako da ima početak u nekom konačnom trenutku prošlosti. Bog uzrokuje da svemir postoji i postojanje svemira je počelo (na primjer) prije 14 milijardi godina. Istina je da su stvaranje i vremenski početak različite stvari (i da prvo ne povlači ono drugo), ali je važno naglasiti kako katolički nauk uključuje oba aspekta. Prema nauku Crkve, svemir je ne samo “stvoren” u prvome smislu, nego je i “počeo postojati” u nekom trenutku konačne prošlosti; svijet nije vječan. Teorija velikoga praska je konzistentna s onim što katolici vjeruju i nije problematično ako je uzmu kao podršku ili epostemičku potporu tom vjerovanju – makar se ne radilo o “znanstvenom dokazu” kršćanskog vjerovanja.

Neki vjernici smatraju Veliki prasak znanstvenim dokazom da je svemir stvorio Bog.

Neki ateisti pak ukazuju na teorije spekulativne fizike, po kojima svemir nema početka, pa tako nije bio potreban Stvoritelj. Oba su ta gledišta pogrješna, i to iz istoga razloga. U oba se pogrješno izjednačuje ideja da je svemir stvoren s idejom da je svemir imao svoj početak u nekoj definiranoj točki u prošlosti. Da, i sama Knjiga Postanka povezuje stvaranje i početak kada kaže: “U početku Bog stvori nebo i zemlju.” No, iako su te dvije ideje povezane, one su različite. I sv. Toma Akvinski, vrhunski teolog, to je jako dobro razumio. Vjerovao je da je moguće filozofski dokazati da je svemir stvoren, ali da je nemoguće filozofski dokazati da je svemir imao početak, a ne da je postojao neko neodređeno vrijeme.

Na prvu to zvuči čudno. Zar nije očito da, ako je nešto stvoreno, da je stvoreno prije nekog određenog vremena? To je sigurno točno što se tiče stvari koje su “stvorili” ljudi. Ako slikar naslika sliku, nju se može datirati, odrediti vrijeme kada ju je slikar naslikao. Slika je napravljena, što znači da je imala svoj početak. No Crkva nam kaže da Bog ne stvara na isti način na koji ljudi “stvaraju” – usporedba ovog dvoga je naprosto analogija, i to u ovom slučaju donekle zavaravajuća, pa upotrijebimo drukčiju. Zamislite komad papira koji jedna svjetiljka osvjetljava beskonačno, tj. kroz razdoblje što se proteže beskonačno u prošlost. Iako je osvjetljavanje papira uvijek imalo uzrok – svjetiljku – ono nije imalo početak. Na sličan način, postojanje svemira sigurno ima uzrok – Boga – ali to ne znači nužno da je postojanje svemira imalo početak.

Stvaranje ima veze s time zašto nešto uopće postoji, a ne s time koliko je to postojalo. Možemo reći i ovako: postoji razlika između početka stvari i njezina podrijetla. Početak Hamleta je niz riječi u prvom prizoru prvog čina, a podrijetlo u kreativnom umu Williama Shakespearea. Shakespeare je podrijetlo drame u smislu da je on razlog što ona uopće postoji. On je uzrok njezina postojanja kao umjetničkoga djela. Slično, početak svemira niz je događaja koji su se dogodili u njegovim prvim trenutcima (prije oko 14 milijardi, prema najnovijim računanjima), a podrijetlo svemira je u Božjem umu. Baš kao što bi bilo smiješno odgovarati na pitanje zašto postoji umjetničko djelom imenom Hamlet pokazujući na njegove prve riječi, bilo bi smiješno i odgovarati na pitanje zašto postoji svemir pokazujući na njegove prve događaje. Doista, početak drame ili početak svemira nemaju ništa s uzrokom njihova postojanja. Moglo bi se zamisliti dramu koja nema početka niti kraja – npr. dramu čiji zaplet ide u krug – ali ona bi i dalje morala imati autora. Isto tako, moglo bi se zamisliti svemir bez početka ili kraja, ali on bi i dalje morao imati Stvoritelja.

Iako stvaranje svemira samo po sebi ne daje naslutiti da je on imao definiran početak u vremenu, i čak iako je Bog, prema Tomi Akvinskom, ako je htio, mogao stvoriti svemir koji nema početka, Knjiga Postanka govori nam da naš svijet jest imao početak, a IV. lateranski i I. vatikanski sabor govorili su o Bogu koji je stvorio svemir “od početka vremena”.

Stvaranje i vrijeme

To nas dovodi do ključne točke, koju je prvi razumio sv. Augustin prije 1600 godina, a moderna ju je fizika otkrila tek u prošlom stoljeću. Ta je točka sljedeća: početak svemira bio je i početak vremena. U antici su mnogi pogani ismijavali židovski i kršćanski nauk da je svemir počeo u nekoj određenoj točki u prošlosti, i pitali su Židove i kršćane što je njihov Bog radio cijelo to beskonačno dugo vrijeme prije nego što je nakanio stvarati svijet. Sv. Augustin imao je na to vrlo dubok odgovor. Počeo je s idejom da je vrijeme, koje je značajka ovog promjenjivog svijeta, također nešto stvoreno. Prema tome, ako vrijeme prolazi, nešto stvoreno – samo vrijeme – već postoji, i tako se stvaranje već dogodilo. Vezano uz to, nema smisla govoriti o ikakvom vremenu koje je prošlo “prije stvaranja”. Samo vrijeme, kao stvorena stvar, počelo je s početkom stvorenih stvari. Bog nije čekao jedno beskonačno razdoblje prije nego što je stvorio svijet, kaže sv. Augustin, jer ne postoji nešto poput “vremena prije stvaranja”. Kako to on piše u XI. knjizi svojih Ispovijesti: “Zašto pitaju što je Bog radio ‘onda’ [prije stvaranja]? Nije postojalo ‘onda’ jer nije postojalo vrijeme.”

Moderna fizika došla je istog zaključka paralelnim putom. Sv. Augustin počeo je s uvidom da je vrijeme nešto stvoreno, a moderna fizika s uvidom da je vrijeme nešto fizičko. Nakon Einsteinove teorije opće relativnosti postalo je jasno da prostor i vrijeme nisu nešto onkraj fizičkih događaja i procesa, nego zapravo formiraju jednu vrstu “cjevovoda prostor-vrijeme”, ili “tkaninu” na koju djeluju drugi fizički entiteti, a ona pak djeluje na njih. Prostor-vrijeme može se svijati i nabirati, i te distorzije prostor-vremena nose energiju i silu, baš kao i sve fizičke stvari.[1]

Doista, prostor-vrijeme je nešto fizičko, baš kao magnetska polja, ili kao stijene i drveće. Odatle slijedi da, ako je fizički svemir imao početak (recimo, Veliki prasak), onda je prostor-vrijeme, kao značajka fizičkog svemira, također počeo u toj točki. Prije početka svemira, znači, nije bilo ni prostora ni vremena, tako da iz perspektive moderne fizike nema smisla koristiti sintagmu “prije početka svemira”. Moderna fizika potvrdila je duboki uvid sv. Augustina.

Ljudskom je umu teško, pa i nemoguće, zamisliti da vrijeme ima početak, i zato se moramo opet poslužiti analogijom. Vratimo se na onu s dramom. Zaplet drame ima svoj vremenski tijek, u kojem se mogu locirati pojedini događaji. Ako je drama u obliku knjige, mi možemo događaje u njoj locirati prema stranici i retku u kojem se oni pojavljuju, no vremenski tijek knjige ili drame može se primijeniti samo na događaje unutar te knjige ili drame. Na primjer, nema smisla pitati gdje se u Hamletu – na kojoj stranici – čarobnjak Gandalf bori protiv Balroga, ili gdje tu Sherlock Holmes upoznaje dr. Watsona. Isto tako nitko ne može pitati što se u Hamletu događa poslije petog čina, budući da drama ima samo pet činova, i njezino unutarnje vrijeme ili vrijeme zapleta naprosto završava s posljednjom riječi što se pojavljuje na kraju drugog prizora petog čina. Doduše, može se u određenom smislu pitati što se dogodilo prije prvog čina Hamleta, jer se likovi drame prisjećaju i referiraju na prijašnje događaje – npr. na to da je Klaudije ubio Hamletova oca. No striktno govoreći, vrijeme zapleta drame, mjereno stranicama i retcima, počinje prvim retkom i završava posljednjim.

Na sličan način, u standardnoj teoriji Velikog praska postoji jedna točka (nazovimo je T=0), koja je početak svih fizikalnih fenomena, uključujući i prostor i vrijeme. Kako idemo (mentalno) natrag kroz vrijeme prema toj “početnoj singularnosti”, svemir se sve brže skuplja, sve dok se ne skupi u ništa. Prostor i vrijeme na toj točki “virnu izvan” – ili, gledajući na vrijeme u pravom smjeru, “virnu u” postojanje. U standardnoj teoriji Velikog praska za fizikalni svemir postoje dvije moguće sudbine: ili će se zauvijek širiti i postajati sve prazniji i hladniji, ili će doseći maksimalnu veličinu i početi se urušavati prema nečemu što nazivamo “Velikom implozijom” (Big Crunch). (Dokazi zasad naginju prvoj mogućnosti.) Ako bi svemir završio Velikom implozijom, to bi značilo da prostor i vrijeme na toj točki virnu prema van, što je onda definirano vrijeme u budućnosti. To bi za svemir bio kraj, i vrijeme bi stalo.

Ako nastavimo s istom analogijom, vidimo da se unutarnje vrijeme drame ne primjenjuje na ono što čini njezin autor. Shakespeareova ženidba nije događaj u Hamletu, i nema svoju lokaciju u vremenu Hamleta. Zapravo, Shakespeareovo razmišljanje o idejama za zaplet, izmišljanje likova, ili sastavljanje Hamletovih monologa također nisu događaji u drami i nemaju svoje lokacije u vremenu Hamleta (iako oni, naravno, jesu razlogom zašto se određene stvari događaju onda i onako kako se događaju u drami). Shakespeare je izvan svoje drame i izvan njezina vremena. Analogno, tradicionalni katolički nauk jest da se prostor i vrijeme ovog svemira jednostavno ne primjenjuju na samog Boga u njegovoj božanskoj naravi.

Na primjer, pretpostavimo da razmišljamo o dva fizikalna događaja A i B, koji se događaju u našem svemiru. Događaj A može se zbiti prije događaja B u fizikalnom vremenu, i može biti uzrok događaja B, i barem na njega utjecati. Bog želi da se dogodi A i da se dogodi B, i on želi da se A dogodi prije B u prostoru i vremenu. No to što Bog želi A ne događa se prije nego što on poželi B. Božje htijenje nije fizikalni proces, i prema tome (za razliku A i B) ono nije događaj u prostoru i vremenu. Učinci njegova htijenja (sami događaji A i B) imaju svoje lokacije u prostoru i vremenu, ali to nije isto.

Božje uzrokovanje A i B na posve je drukčijoj razini od A-ova uzrokovanja B. Opet, to pojašnjava analogija s dramom. Netko može pitati: je li Polonije umro zato što ga je lik imenom Hamlet ubio mačem, ili je umro zato što je Shakespeare tako napisao dramu? Naravno, točan je i jedan i drugi odgovor. To što je Hamlet ubio Polonija jest uzrok Polonijeve smrti – u drami. No uzrok cijele stvari je Shakespeare – on je uzrok postojanja drame Hamlet, svih njezinih likova, svih njezinih događaja, i svih odnosa između likova i događaja, uključujući i to gdje se oni u drami pojavljuju i kako se uklapaju u kauzalnu strukturu njezina zapleta. Analogno tome, fizikalni događaji u ovom svemiru imaju prostorno-vremenske i kauzalne odnose jedni s drugima, ali cijeli svemir i svi njegovi događaji i unutarnji odnosi postoje samo zato što ih je Bog zamislio i htio da oni postoje i imaju te međusobne odnose. To je klasična razlika između primarne i sekundarne kauzalnosti. Uzroci unutar prirode nazivaju se sekundarnima, a Bog (“primarni uzrok”) jest uzrok prirode.

To nameće pitanje toga je li početak svemira, što je Veliki prasak mogao biti, bio “prirodni događaj”. Nema u fizici utemeljena razloga zašto bismo u to sumnjali. Reći da je događaj prirodan jest reći da se on događa u skladu s prirodnim zakonima. Istina je da je u klasičnoj teoriji Velikog praska točka T=0 singularna točka na kojoj zakoni fizike padaju, zato što bi razne fizikalne kvantitete na toj točki bile beskonačne (npr. gustoća energije i Riemannova zakrivljenost prostor-vremena). No poznato je da klasična teorija Velikog praska ne može biti dobar opis prirode jako blizak T=0, jer bi tu trebali biti važni efekti kvantne mehanike, a današnje teorije nisu dostatne za opisivanje kvantnih efekata pri tako velikim gustoćama i zakrivljenjima. Većina fizičara očekuje da će singularnost, kada (i ako) se dozna točna teorija “kvantne gravitacije”, i savladaju se metode potrebne da je se primijeni na početak svemira, naprosto nestati i da će se zakoni fizike primjenjivati na početak svemira kao što se primjenjuju na kasnija razdoblja. Niti je ovo samo pitanje filozofske predrasude. Dugo iskustvo poučilo je fizičare da kada se u njihovim teorijama pojavljuju beskonačne kvantitete, to je zato što su oni pravili nerealistične “idealizacije”.

To što je Veliki prasak vrlo vjerojatno bio “prirodan događaj” u smislu da je poštovao zakone fizike nije teološki problem. To je kao da kažemo da prve  rečenice Hamleta poštuju zakone gramatike engleskog jezika baš kao i ostale rečenice u drami. Ništa drugo ne bismo ni očekivali. To je problem samo ako zapadnemo u nezgrapni antropomorfizam i zamišljamo da je stvaranje fizikalni proces, kao da je Bog zapaljenu žigicu prinio fitilju, no to nije kršćanska koncepcija stvaranja. Stvaranje je čin kojim Bog daje stvarnost svemiru i ne čini ga hipotetskim ili mogućim, nego stvarno postojećim svemirom. On ne daje energiju, kao što je žigica daje eksplozivu, nego daje stvarnost. Bog tu stvarnost daje jednako svakom dijelu svemira – svim događajima u svim vremenima i mjestima – baš kao što je Shakespeare smislio svaku riječ Hamleta.

Je li Veliki prasak bio početak vremena?

Iako su stvorenost svemira i to što svemir ima početak dvije logički zasebne ideje, činjenica je da kod nekih ateista ideja kozmičkog početka izaziva nelagodu. Jer iako početak ne implicira logički stvaranje, on ga nekako daje naslutiti. To je kod mnogih u svijetu znanosti stvorilo predrasude spram teorije Velikog praska i vjerojatno je mnoge odvraćalo od istraživanja te odgađalo njezino prihvaćanje, kako je to i priznalo više istaknutih znanstvenika. Teorija Velikog praska proizašla je iz rada ruskog matematičara Alexandera Friedmanna i belgijskog fizičara (i katoličkog svećenika) Georgesa Lemaîtrea 1920-ih godina. Jasan dokaz da se galaksije razlijeću kao iz središta neke primordijalne eksplozije objavljen je 1929. Tek 1959. jedna je anketa pokazala da većina američkih astronoma i fizičara još vjeruje da je svemir beskonačne dobi. No dokaza u korist teorije Velikog praska bilo je sve više, i do 1980-ih postali su toliko jaki da su ih prihvatili gotovo svi znanstvenici. To što je teorija Velikog praska točna ipak ne rješava pitanje toga je li svemir imao početak. Ostaje mogućnost da je eksplozija koja se dogodila prije 14 milijardi godina bila samo početak određenog dijela svemira ili određena faza u njegovoj povijesti, a ne početak svemira kao cjeline. Izloženo je mnogo scenarija i teorija toga tipa. Ovdje ću raspravljati o trima od njih: odskakujućem svemiru, cikličnom “ekpirotičnom” svemiru te “vječnom širenju”.

Foto: Shutterstock.com

Spomenuo sam da u standardnoj teoriji Velikog praska svemir ima dvije moguće sudbine: može se zauvijek širiti, ili može doseći maksimalnu veličinu i urušiti se u Velikoj imploziji. Ako se dogodi to drugo, možemo zamisliti kako umjesto da svemir “virne van” na Veliku imploziju, kako se obično pretpostavlja, Velika implozija bila bi Veliki prasak novog ciklusa svemira. Možemo dalje zamišljati kako su se takvi ciklusi širenja, skupljanja, odskakivanja i novog širenja događali oduvijek i da će se u budućnosti nastaviti zauvijek. Takav je scenarij izložio sam Einstein 1930. Može li on biti točan? Gotovo sigurno ne, iz više razloga. Kao prvo, teorijski je fizičar Richard C. Tolman prije mnogo desetljeća pokazao da u takvom, odskakujućem svemiru ciklusi zbog porasta entropije postaju sve dužima. To znači da su se oni, gledajući sve dalje u prošlost, skraćivali, i to tako da je ukupni zbroj trajanja svih prošlih ciklusa definitivan, tj. svemir je čak i u scenariju odskakujućeg svemira imao početak. Drugo, entropija svemira povećava se sa svakim ciklusom, a iz količine entropije koja postoji u sadašnjem ciklusu može se zaključiti da je broj prošlih ciklusa definitivan. Treće, slabo je vjerojatno da bi svemir što se urušava odskakivao, a ne jednostavno završio implozijom. Četvrto, 1998. otkriveno je da se širenje svemira trenutno ubrzava (znanstvenici koji su to otkrili dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2011.), tako da je slabo vjerojatno da će se širenje preokrenuti i uopće dovesti do urušavanja.

Na zanimljiv su način pokušali prije desetak godina ideju cikličnog svemira oživjeti Paul Steinhardt i Neil Turok. U njihovu scenariju (nazvanom “ekpirotični svemir”), postoje dva paralelna svemira, od kojih svaki ima tri prostorne dimenzije, koje se kreću jedna prema drugoj kroz četvrtu prostornu dimenziju, sudaraju se, odskakuju, razmiču se, dosižu maksimum razdvajanja, a zatim se ponovno kreću jedna prema drugoj, beskonačno ponavljajući ciklus. Ta ideja zaobilazi nekoliko problema izvornog scenarija odskakujućeg svemira. Kao prvo, trodimenzionalni prostor svakog paralelnog svemira uvijek se širi, a oscilacije skupljanja i širenja pojavljuju se samo u četvrtoj prostornoj dimenziji (koju mi ne možemo iskusiti ni izravno zamijetiti.) To omogućava scenariju da bude u skladu s činjenicom da se širenje naših triju prostornih dimenzija ubrzava i da se možda nikada neće poništiti. Drugo, činjenica da se entropija s vremenom uvijek povećava za protutežu ima činjenicu da se volumen trodimenzionalnog svemira također uvijek povećava. Tako se entropija može uvijek povećavati, a gustoća entropije (tj. entropija po volumenu) može biti jednaka u svakom ciklusu, a svi oni mogu imati isto trajanje. Koliko god je ideja ekpirotičnosti zgodna, ona je naišla na velike kritike, u smislu da stvara više teoretskih problema nego što ih rješava.

Čak i ako se ona pokaže prihvatljivom kao teorija našeg svemira, postoji moćan teorem što su ga dokazali fizičari Borde, Guth i Vilenkin i koji daje naslutiti da se oscilacije takvog, ekpirotičnog svemira nisu mogle događati beskonačno u prošlost. Moralo je biti prvog ciklusa.

Drugi pokušaj konstruiranja realistične teorije svemira bez početka koristi se idejom “vječne inflacije”, koju je razvio Andrei Linde. Ideja je da svemir kao cjelina trajno prolazi kroz “eksponencijalnu” inflaciju. (To znači da postoji vremenski raspon, T, takav da kad vrijeme T prođe, svemir se veličinom udvostruči.) Takva eksponencijalna ekspanzija zove se “širenjem”. No unutar tog svemira što se trajno širi stalno se formiraju baloni, unutar kojih se svemir širi mnogo sporije nego što je karakteristično za dio svemira što ga mi možemo vidjeti, tj. dio svemira unutar našeg “horizonta”. (Imamo horizont zato što možemo vidjeti samo svjetlo odaslano nakon Velikog praska, a takvo svjetlo nije moglo prijeći udaljenost dalju od otprilike 14 milijardi svjetlosnih godina.) Drugim riječima, mi smo unutar jednog takvog balona, a on je toliko velik da se širi dalje od našeg horizonta. U tom scenariju, Veliki prasak koji se dogodio prije 14 milijardi godina nije bio početak cijelog svemira, nego samo oblikovanje našeg balona.

Treba napomenuti da ideja inflacije nije izložena nasumično ili bez razmišljanja, nego zato što rješava neke jako složene teoretske probleme u kozmologiji. Zato većina kozmologa vjeruje da naš dio svemira jest prošao inflaciju u nekoj točki u prošlosti. Pokazano je raznim teorijama da ako se neka regija svemira počne širiti, inflacija toliko napreduje da dovede do vječne inflacije. No, gotovo se svi teoretičari slažu da “vječna inflacija”, iako bi mogla biti “vječna u budućnost”, vjerojatno nije mogla biti “vječna u prošlost”. Jedan razlog za taj zaključak je prije spomenut teorem Bordea, Gutha i Vilenkina.

Čini se nemogućim da ćemo ikada moći izravnim promatranjem odrediti je li svemir imao početak. Ne možemo vidjeti što se dogodilo prije Velikog praska (ako je tog “prije” uopće bilo), jer bi Veliki prasak izbrisao sve dokaze toga. Čak i kad bismo mogli, kako bismo ikad zapažanjem mogli odrediti je li prošlost beskonačna, budući da se bilo koji prošli događaj što ga zapažamo morao dogoditi prije nekog konačnog vremena? Bilo kako bilo, kako smo vidjeli, postoji mnogo vrlo snažnih teoretskih dokaza za to da je svemir vrlo vjerojatno imao vremenski početak.

Ovo je značajna potvrda vjerskih ideja. Poganski filozofi antike, uključujući Platona i Aristotela, vjerovali su da je svemir uvijek postojao. Ideja početka svemira i ideja samog vremena došla je u zapadnu misao iz biblijske objave i iz dubokih osvrta teologa poput sv. Augustina na tu objavu. Sve do 20. stoljeća moderna je znanost pokazivala u drugom pravcu. Ideja početka vremena djelovala je nelogično u znanstvenom smislu i činilo se da ima definitivnih dokaza da su tvar, energija, prostor i vrijeme uvijek postojali i da će uvijek postojati. Na primjer, fizičari su otkrili zakon očuvanja energije, koji kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti. U kemiji je otkriveno da se količina tvari u kemijskim reakcijama ne mijenja. U newtonovskoj fizici se koordinata vremena, kao i koordinate prostora, proteže od – beskonačnosti do + beskonačnosti. Do početka 20. stoljeća mnogi su znanstvenici ideju početka svemira smatrali zaostatkom zastarjelih vjerskih ili mitoloških koncepcija svijeta. Na primjer, dobitnik Nobelove nagrade za kemiju Svante Arrhenius 1911. je rekao: “Mišljenje da nešto može doći iz ničega nije u skladu s današnjim stanjem znanosti, prema kojem je tvar nepromjenjiva.” Istaknuti fizičar Walter Nernst (također dobitnik Nobelove nagrade) samouvjereno je ustvrdio da bi “poricati beskonačno trajanje vremena značilo pogaziti same temelje znanosti”. Kad je znanost počela uviđati (iz Einsteinove teorije opće relativnosti) kako bi vrijeme i prostor mogli imati početak, a astronomska su zapažanja davala naslutiti da bi to moglo biti točno, mnogim je ateistima to bilo teško prihvatiti. No ipak, usprkos svim sumnjama i zadrškama znanstvenika, čini se da je točno da je svemir imao početak.

Suočeni s tom činjenicom, neki ateisti se sad pouzdaju u ideju da će fizika objasniti taj početak. Oni vjeruju da, ako se može pokazati da je početak svemira prirodan, onda će se izbjeći potreba za natprirodnim uzrokom svemira. Početak svemira koji se nastavlja u skladu s prirodnim zakonima ne čini Stvoritelja nepotrebnim, baš kao što uvodni odlomci knjige koja se nastavlja u skladu sa zakonima gramatike ne čine autora nepotrebnim. Ipak, znanstvene teorije o početku svemira zanimljive su same po sebi, čak i ako ne mogu podnijeti težinu koju ateisti žele na njih staviti.[2]

Kvantno stvaranje svemirâ

Najobećavajući pristup fizikalnom objašnjenju početka svemira jest spekulativna ideja nazvana “kvantnim stvaranjem svemirâ”. Ta je ideja utemeljena na analogiji s neupitno stvarnim efektom zvanim “kvantno stvaranje čestica”. Taj efekt zvuči tajanstveno i duboko (možda on to i jest), ali on je svima poznata činjenica svakodnevnog života. Svaki put kad uđete u mračnu prostoriju i upalite svjetlo, vi uzrokujete stvaranje poplave čestica, čestica svjetla, zvanih fotonima. Druge vrste čestica – čak i one masene, koje tvore ono što smatramo običnom tvari – poput elektrona ili protona, mogu se stvoriti, iako ih se mora stvoriti u suradnji s antičesticama. Na primjer, elektron se može stvoriti uz antielektron (pozitron), i proton se može stvoriti uz antiproton. Takvo “parno stvaranje” može se dogoditi na nekoliko načina. Na primjer, u intenzivnom električnom polju, par elektron-pozitron može se odjednom pojaviti iz vakuuma, kroz nešto što se naziva kvantnom fluktuacijom ili kvantnim tuneliranjem. Parno stvaranje je dobro proučen efekt, promatran u laboratorijima bezbroj puta, i vjerojatnost njegova događanja u raznim okolnostima može se precizno izračunati koristeći matematičke mehanizme teorije kvantnog polja.

Kad se stvori par elektron-pozitron, on nije stvoren iz ničega. Par elektron-pozitron ima energiju (uključujući onu koju svaka čestica ima iz svoje mase). Budući da je energija sačuvana, ona je morala odnekud doći. Na primjer, kada se parno stvaranje dogodi u intenzivnom električnom polju, dogodi se to da se nešto od energije pohranjene u električnom polju konvertira u energiju povezanu s masama elektrona i pozitrona. Počne se s električnim poljem, a završi s elektronom, pozitronom i nešto slabijim električnim poljem. To “stvaranje” zapravo je samo prijelaz tvari i energije iz jednog oblika u drugi. U teoriji kvantnog polja čestice su ekscitacije (uznemirenja) polja. Tako, na primjer, postoji elektronsko polje koje se proteže kroz sav prostor i vrijeme. Kad je to polje uznemireno, u njemu se pojave valovi, baš kao što se valovi pojave na uzburkanom jezeru. Kvantna mehanika kaže da su valovi i čestice dva različita načina gledanja na istu stvar, pa je tako stvaranje valova u elektronskom polju ekvivalentno stvaranju čestica i antičestica elektrona. Možemo nastaviti s analogijom s jezerom. Jezero koje je mirno i jezero koje je uzburkano isti su fizikalni sustavi u različitim stanjima uznemirenosti. Isto tako, situacija u kojoj nema elektrona ili pozitrona, i situacija u kojoj je par elektron-pozitron (ili više njih) naprosto su različita stanja uznemirenosti istog sustava – elektronskog polja.

Zapravo ne bismo o elektronskom polju trebali razmišljati u izolaciji. Ono je samo dio većeg sustava, koji obuhvaća mnoge druge vrste polja, uključujući elektromagnetska polja, neutrinska polja, gravitacijska polja, polja kvarkova itd. Kad intenzivno električno polje rezultira stvaranjem para elektron-pozitron, događa se to da uznemirenje elektromagnetskog polja uzrokuje uznemirenje elektronskog polja. To je slično načinu na koji uznemirenje zraka (povjetarac) može prouzročiti uznemirenje vode u jezeru (valove). Drugim riječima, veći sustav, koji obuhvaća različite vrste polja što su u međusobnoj interakciji, prelazi iz jednog od svojih brojnih mogućih stanja u neko drugo.

Foto: Shutterstock

U fizici se uvijek promatra neki definitivni sustav, koji ima razna moguća stanja, a njime upravljaju dinamički zakoni (koji ovise o prirodi specifičnog sustava) i sveobuhvatna načela kvantne mehanike (koja se primjenjuju na sve sustave). Dinamički zakoni i načela kvantne mehanike omogućavaju nam izračunati vjerojatnost da će sustav prijeći iz jednog od svojih stanja u drugo. Sustav se može sastojati samo od elektrona, pozitrona i elektromagnetskih polja (u tom se slučaju dinamički zakoni nazivaju kvantnom elektrodinamikom); sustav bi moglo biti i jednostavno klatno, atom vodika, ili cijeli svemir.

Ideja kvantnog stvaranja svemirâ pomiče matematiku kvantne teorije do njezinih logičkih granica – možda čak i dalje. Ovdje možemo razmišljati ne samo o paru čestica što se kvantnom fluktuacijom ili kvantnim tuneliranjem odjednom pojavljuju “u praznom prostoru”, nego se tako pojavljuje čitav jedan svemir, zajedno sa svojim prostorom. Svemir u ovom kontekstu ne znači ukupnost stvari, nego “cjevovod” prostor-vremena, u kojem postoje polja u međusobnoj interakciji. Naš svemir, na primjer, ima jednu vremensku dimenziju i barem tri prostorne (moglo bi ih biti i više), i mnogo vrsta polja, uključujući elektronska polja, neutronska polja, polja kvarkova, elektromagnetska polja, gravitacijska polja itd. Možda postoje i drugi svemiri iste vrste. Ideja je da se može ići (kvantnom fluktuacijom) od situacije u kojoj ne postoje svemiri do situacije u kojoj postoji jedan svemir. Ili općenitije: od situacije s nekim brojem svemirâ do situacije s drukčijim brojem svemirâ.

Odmah nam se predstavlja nekoliko očitih teškoća s ovom idejom. Prva od njih je da bi prijelaz od nula svemira na jedan svemir naizgled povrijedio očuvanje energije, uz pretpostavku da nula svemira ima nula energije, a jedan svemir ima mnogo energije, zbog tvari koja je u njemu sadržana. No ispostavilo se da “zatvoreni svemir” (onaj u kojem se prostor zatvara sam u sebi, kao što se krug zatvara u sama sebe) ima nula ukupne energije: pozitivna energija tvari poništena je negativnom gravitacijskom energijom. Tako mijenjanje broja takvih svemira ne povrjeđuje očuvanje energije.

Druga očita teškoća ima veze s vremenom. U konvencionalnom računanju, gdje se koriste načela kvantne fizike, promatramo sustav koji prelazi iz jednog stanja u ranijem vremenu (npr. intenzivnog električnog polja) u različito stanje u kasnijem vremenu (npr. slabije električno polje + par elektron-pozitron). No ako govorimo o prijelazu iz “stanja nula svemira” u “stanje jednog svemira”, u kojem je smislu stanje nula svemira ranije? Zapravo, u kojem je vremenu postojalo takvo stanje? Već smo vidjeli da je vrijeme (barem onako kako ga razumiju fizičari) značajka svemira: ako nema svemira, nema ni vremena. Ako gledamo na svemir stvoren kvantnom fluktuacijom, možemo govoriti o vremenu unutar tog svemira, pa čak i o početku tog vremena, ali ne i o vremenu “prije svemira”.

Pri raspravama o takvim scenarijima moramo se čuvati da ne upadnemo u verbalnu zamku i govorimo da prvo nije bilo ničega, a da je zatim bilo nečega. Zapravo, na taj se nespretni način izražavanja često nailazi u teološkim raspravama o stvaranju ex nihilo (iz ničega). Kad Crkva naučava da je Bog stvorio svijet ex nihilo, ona ne govori da je nekad bilo vrijeme kada nije postojala nijedna stvorena stvar (terminološka kontradikcija, kako je istaknuo sv. Augustin). Naprotiv, ona govori da nije bilo vremena kad je bilo stvorene stvari koja bi postojala prije svemira, a od koje je sačinjen svemir. Zapravo, značenje ex nihilo je dublje. Tu se govori kako ne samo da svemiru ništa nije prethodilo, nego i da njegovo stvaranje ne pretpostavlja ništa nego volju Božju.

Ako je to ono što stvaranje ex nihilo znači, ostvaruju li scenariji kvantnog stvaranja fizikalni mehanizam stvaranja ex nihilo, kako neki vjeruju? Možemo pitanje postaviti i ovako: pretpostavljaju li scenariji kvantnog stvaranja “ništa” u objašnjavanju podrijetla svemira? Oni zasigurno govore o stanju s nula svemira, no stanje s nula svemira nije ništa. To je definitivno nešto – jedno stanje, a to stanje je samo jedno od mnogih stanja složenog fizikalnog sustava. Taj sustav ima stanja s različitim brojem svemira, a sva ta stanja povezana su jedno s drugim preciznim pravilima – dinamičkim zakonima i načelima kvantne mehanike, koji upravljaju sustavom.

Ovdje bi nam mogla pomoći jedna analogija. Postoji razlika između toga kad ja imam bankovni račun s nula dolara na njemu, i toga da nemam nikakav račun. Što se tiče mojih financija, za njih se može reći i “ništa” ili “nema novca”, ali postoji jedna velika razlika. Bankovni račun, čak i onaj na kojem je nula dolara jest nešto. Pretpostavlja se da postoji banka i da ja imam nekakav ugovor s tom bankom. Te činjenice pak pretpostavljaju da postoje neki monetarni sustav i pravni sustav. Moj bankovni račun onda je mali podsustav mnogo većeg i kompliciranijeg sustava upravljanog preciznim pravilima. Moj račun ima razna “stanja”: stanje s nula dolara, stanja s pozitivnim brojem dolara, čak i stanja s negativnim brojem dolara (ako prekoračim ograničenje). Prijelazi između tih stanja ne događaju se nasumično, nego njima upravljaju pravila banke. Na primjer, ako je saldo negativan i spusti se ispod nekog praga, može postojati pravilo kojim se sprječava daljnje povlačenje sredstava i prelaženje u stanja s negativnijim saldima. Stanje s pozitivnim saldom može periodično prijeći u stanje s manjim saldom zbog troškova vođenja računa. Usto, pravila možda mogu dopuštati samo prijelaze između stanja koja sadržavaju novac u određenoj valuti: npr. dolari, a ne rublji, pesosi ili euri. Također, ja mogu imati nekoliko bankovnih računa sa saldom “nula”, možda račun u američkoj banci s nula dolara i račun u ruskoj banci s nula rubalja. To su različiti i zasebni računi, što očito pokazuje da je svaki od njih nešto, a ne ništa.

Isto tako, čak i samo govoriti o “stanju s nula svemira” pretpostavlja mnogo toga, kao što smo vidjeli – pravilima upravljan sustav s mnogo mogućih stanja. U bilo kojem scenariju kvantnog stvaranja pravila koja upravljaju sustavom dopuštaju “stanje s nula svemira” kako bi se dogodili prijelazi u stanja s jednim ili više svemira, ali samo ako ti svemiri imaju precizne karakteristike, kao što je određeni broj prostornih dimenzija i određena vrsta polja – baš kao što pravilo moje banke može dopuštati da na mom računu bude samo prijelaza u stanja s dolarima, a ne s rubaljima. Ja mogu zamisliti mnoge pravilima upravljane sustave. U sustavu A pravila mogu dopuštati samo stanja čiji svemiri imaju tri prostorne dimenzije, a u sustavu B pravila mogu dopuštati samo stanja gdje svemir ima 10 prostornih dimenzija. “Stanje s nula svemira” sustava A nije isti entitet kao “stanje s nula svemira” sustava B – oni su podložni različitim pravilima, koja im daju različite mogućnosti.

Tako je sustav A onaj gdje trodimenzionalni svemiri počinju i prestaju postojati, a sustav B je onaj gdje desetodimenzionalni svemiri počinju i prestaju postojati. Na ovom mjestu možemo se zapitati koji je, ako je ijedan, od tih svemira, stvaran, a ne hipotetski. Zar trodimenzionalni svemiri stvarno počinju i prestaju postojati, tako da matematički zakoni sustava A upravljaju stvarnim događajima? Zar desetodimenzionalni svemiri stvarno  počinju i prestaju postojati, tako da matematički zakoni sustava B upravljaju stvarnim događajima? Možda je točno to prvo, a možda je točno drugo, ili nijedno, ili pak oboje. Pretpostavimo da je sustav A stvaran, a sustav B samo hipotetski. Što je sustav A učinilo stvarnim, a ne sustav B? To je pitanje stvaranja u teološkom smislu riječi: što daje stvarnost sustavu A, a ne sustavu B? To je pitanje na koje matematička pravila sustav A i sustava B nikako ne mogu odgovoriti.

U svojem bestseleru iz 1988. Kratka povijest vremena fizičar Stephen Hawking točno je ustvrdio da je fizikalna teorija “samo niz pravila i jednadžbi”, i zatim se zapitao: “Što to udahnjuje plamen života u jednadžbe i čini svemir koji one opisuju? Uobičajeni pristup znanosti konstruiranjem matematičkog modela ne može odgovoriti na pitanje zašto bi uopće trebao postojati svemir koji bi taj model opisivao.” Neobično je što se čini da je Hawking zaboravio taj ključni uvid do trenutka kad je 2010. postao koautorom knjige Veliki dizajn. On sad misli da matematički model može odgovoriti na pitanje zašto bi uopće trebao postojati svemir koji bi taj model opisivao. Apsurdnost toga, koju bi mlađi Hawking sigurno zapazio, može se pojasniti jednostavnom analogijom. Priča može biti fiktivno ili povijesno djelo, može opisivati stvarne ili nestvarne događaje. Neka priča može govoriti o tome kako se Stephen Hawking rodio 1942. i postao priznatim fizičarom. Neka druga priča može govoriti o tome kako se Stephen Hawking rodio 1842. i postao premijerom Ujedinjenog Kraljevstva. Mogu li ja odrediti pukim proučavanjem riječi dviju priča koja od njih opisuje stvarno stanje stvari? Imaju li puke riječi ijedne od tih priča u sebi moć da učine stvarnima događaje koje opisuju? Da li puka činjenica iznesena u drugoj priči govori o nečemu (tj. Hawkingu, budućem premijeru) što je počelo postojati 1842. znači je opisana stvar doista počela postojati? Očito da ne. Tako ni matematički model kojim se želi opisati nastajanje svemira kvantnom fluktuacijom ne znači da se neka takva stvar doista događa.

Kao zaključak: teoretske ideje kojima se fizičari jednoga dana nadaju opisati početak svemira vrlo su zanimljive, a možda i točne, ali nisu alternative Stvoritelju u kojega vjeruju Židovi i kršćani. Stvoritelj nije fizikalni mehanizam ili fenomen. On je davalac stvarnosti.

Stephen M. Barr | CERC

Prijevod: Ana Naletilić | Bitno.net

[1] Napomena: Barr ovdje predstavlja samo jednu fizikalnu interpretaciju teorije relativnosti. Prema izvornoj Einsteinovoj interpretaciji ili pak prema Lorentzovoj interpretaciji, ne postoji takva stvar kao “prostor-vrijeme”, nego su oni zasebni eniteti koji se mogu matematički staviti u razne relacije.

[2] Napomena uredništva: Ipak se čini da vremenski početak svemira igra veću ulogu od pukog potvrđivanja kršćanskog nauka o ograničenosti svijeta. Ateistima su teorije koje impliciraju apsolutni početak svemira nepoželjne jer ateisti, zajedno s teistima, uglavnom prihvaćaju nekontroverzno metafizičko načelo: “Ako je neka stvar počela postojati, onda ta stvar ima uzrok.“ To načelo, sa znanstvenom tvrdnjom o početku svemira, implicira da svemir ima uzrok.

Zahvale

Stephen M. Barr. “Moderna fizika, početak i stvaranje svijeta” “Atom + Eva: Konferencija o korištenju znanosti u pastoralu” (Atom + Eve: Using Science in Pastoral Ministry Conference). Washington D.C. (12. 11. 2012.)

Autor

Stephen M. Barr profesor je teorijske fizike čestica na Sveučilištu u Delawareu. Istražuje velike unificirane teorije, podrijetlo kvarkovskih i leptonskih masa te kozmologiju ranoga svemira. Autor je više od 160 istraživačkih radova s područja fizike, kao i članka o velikim unificiranim teorijama za “Enciklopediju fizike”. Izabran je za člana Američkog društva fizičara, “za izvorne doprinose velikim unificiranim teorijama, CP narušavanju i bariogenezi”. Također mnogo piše i govori o vezi znanosti i vjere. Mnogi njegovi članci i recenzije pojavljuju se u časopisu First Things, čijeg je uredničkog vijeća član. Autor je knjiga “Moderna fizika i stara vjera” (Modern Physics and Ancient Faith) i “Vodič za studente kroz prirodne znanosti” (A Student’s Guide to Natural Science).