Kako su se najveći fizičari sveta sukobili zbog teorije inflacije

U kritikama objavljenim u časopisu Scientific American u februaru ove godine troje fizičara utvrdilo je da je teorija inflacije toliko manjkava u svojim predviđanjima i eksperimentalnim potvrdama da se čak ne može smatrati naučnom teorijom.

Tekst je naljutio brojne fizičare i kosmologe, pobornike inflacije.

U čemu je stvar?

Veliki prasak i teorija inflacije

Brojna naučna gledišta polaze od ideje da je svemir nastao u Velikom prasku pre 13,7 milijardi godina. Osnove toj ideji udario je američki astronom Edvin Habl koji je 1922. godine, na osnovu posmatranja galaksija otkrio da se svemir širi.

Ipak, teorija Velikog praska, mada vrlo uspešna, ipak ne može da objasni neke fenomene koje danas vidimo u svemiru (što nije neuobičajeno jer malo koja teorija može objasniti sve, naročito u ranijim fazama svojeg razvoja). Pre svega, to se odnosi na tri pojave: uniformnost svemira, činjenicu da je svemir ravan kao i na nepostojanje hipotetičkih čestica monopola.

Ove probleme dobro tumači teorija inflacije, koju je prvi predstavio Alan Gut 1980. Ona je danas najprihvaćenije tumačenje rane faze u razvoju svemira, a postala je sastavni deo udžbenika fizike i kosmologije.

Šta su ti problemi i kako ih inflacija tumači?

Problem uniformnosti svemira

Foto: Thinkstock

Problem uniformnosti ili glatkoće svemira naziva se još i problemom horizonta vidljivog svemira (pretpostavlja se da je svemir mnogo veći od onoga što možemo videti, ali svetlost iz tih područja nije stigla do nas). U čemu se sastoji taj problem? Zakoni termodinamike kažu nam da će se različite temperature dva objekta, jednog toplijeg i drugog hladnijeg, izjednačiti ako im damo dovoljno vremena. Šoljica vruće kafe vremenom će poprimiti sobnu temperaturu. Velika soba vremenom će postati malo toplija, a mala šolja kafe mnogo hladnija. Kada se temperature izjednače, prenos energije s toplijeg tela na hladnije prestaje. Merenja kosmičkog pozadinskog mikrotalasnog zračenja (CMB), odjeka Velikog praska, pokazuju da su svi delovi vidljivog svemira ujednačene temperature – odstupanja hladnijih delova u odnosu na toplije su oko jedan prema milion.

Međutim, prema jednostavnoj teoriji Velikog praska, bez inflacije, dva suprotna kraja na horizontima vidljivog svemira nisu imala dovoljno vremena čak ni da uspostave međusobnu komunikaciju, a kamoli da im se temperature izjednače. Kako to znamo? Svetlosti je s jednog kraja vidljivog horizonta trebalo 13,7 milijardi godina da doputuje do nas. Svetlosti s drugog, suprotnog kraja, trebalo je isto toliko. Da bi oba kraja uspostavila međusobnu komunikaciju, odnosno da bi svetlost stigla od jednog horizonta do drugog, trebalo bi da prođe više nego dvostruko više vremena (jer se svemir širi), što je, naravno, mnogo duže od postojanja svemira.

Teorija inflacije predstavlja elegantno rešenje za ovaj problem. Naime, svemir je u ranoj fazi nastajanja, pre početka inflacije, bio izuzetno mali, imao je dimenzije milijarditog dela protona. Mada je početna faza trajala izuzetno kratko, bio je dovoljno mali i imao je dovoljno vremena da svetlost proputuje njim i da se sve nejednakosti u temperaturama u njemu izjednače. U kratkom periodu inflacije, koji je počeo 10^-36 sekundi od samog početka stvaranja i trajao do 10^-32 sekundi, svemir se širio eksponencijalno, što znači da se u tom periodu oko stotinak puta udvostručavao. Na taj način, na kraju perioda inflacije, stigao je do dimenzija koje se mogu uporediti s veličinom grejpfruta. Vrtoglavo širenje u inflaciji, brže od brzine svetlosti, omogućilo je da se svemir značajno raširi, a da pritom ostane uniforman. Tu treba imati na umu da se prostor može širiti brže od svetlosti. Ograničenje važi za putovanje svetlosti, odnosno tela kroz prostor.

Problem ravnog svemira

Foto: Thinkstock

Šezdesetih godina prošlog veka postalo je jasno da je gustina materije u svemiru takva da odgovara kritičnoj gustoći koja je ključna da bi geometrija svemira bila ravna, odnosno euklidska. U ravnom svemiru zbir svih uglova u trouglu je tačno 180 stepeni. Kada bi gustina bila malo veća, svemir bi bio zatvoren, odnosno bio bi zakrivljen poput kugle. U takvom svemiru zbir svih uglova trougla bio bi veći od 180 kao što je na trouglu koji nacrtate na košarkaškoj lopti. Kada bi bila malo manja, svemir bi bio otvoren, a zbir svih uglova bio bi manji od 180. Geometrija takvog svemira je hiperbolična, odnosno nalik je na sedlo, a dve crte koje se nikada ne susreću nisu paralelne, već imaju tačku u kojoj se najviše približavaju da bi se potom udaljile.

Naučnici smatraju da sudbina svemira zavisi od njegove geometrije. Zatvoreni svemir trebalo bi da se širi do određenog trenutka u budućnosti nakon čega bi gravitacija konačno zaustavila širenje i pokrenula njegovo sažimanje.

Otvoreni svemir, čak i bez tamne energije koja deluje odbojno, nema dovoljnu gustinu materije da bi gravitacija zaustavila njegovo širenje i započela sažimanje. On se širi zauvek i sve brže.

Ravni svemir, kada u njemu ne bi bilo tamne energije, širio bi se zauvek, ali sve sporije tako da bi negde u beskonačnoj budućnosti to širenje stalo. U ravnom svemiru s tamnom energijom širenje neko vreme usporava zahvaljujući gravitaciji, međutim, kasnije se ubrzava jer gravitacija slabi, a tamna energija nastavlja da ga širi.

Savremena posmatranja svemira potvrdila su da je svemir ravan, barem ovaj vidljivi deo. Međutim, teorija velikog praska, bez inflacije, teško može da objasni kako je gustina mase u svemiru tako fino podešena da odgovara kritičnoj koja je potrebna da bi svemir bio ravan, dakle niti otvoren niti zatvoren. Da je na početku bila samo malo veća od kritične, kasnije bi to odstupanje, sa širenjem, postajalo samo veće, Da je bila malo manja, sa širenjem bi postala još manja.

Inflacija tera svemir da se razvija bliže kritičnoj gustoći. Kako? U teoriji Velikog praska bez inflacije sa svemirom koji se širi, pada i gustina svemira jer se materija u njemu proređuje – odnos materije koja je konstantna i prostora koji se širi opada. Međutim, u svemiru koji se širi inflacijom i postaje sve ravniji, kao što površina balona koji naduvavamo postaje sve ravnija, gustina energije ostaje ista.

Inflacija pretpostavlja postojanje polja koje prožima svemir, a koje podstiče širenje svemira. To polje sadrži određenu gustinu energije, međutim, za razliku od gustine materije ili zračenja u kasnijem svemiru, koja opada s vremenom (zbog širenja), gustina inflacijskog polja ostaje uglavnom ista, uprkos širenju. Na taj način inflacija otklanja problem velike zavisnosti gustine svemira o početnoj gustini.

Problem monopola

Problem magnetskog monopola proizlazi iz teorija velikog ujedinjenja koje kažu da su u ranom svemiru koji je bio jako vruć morali da se stvore brojni stabilni magnetski monopoli. Te hipotetske čestice trebalo je da opstanu do danas u tolikom broju da bi trebalo da budu glavni sastojci svemira. Međutim, mi ih nigdje ne nalazimo. Inflacija koja se pokreće na temperaturama nižim od onih potrebnih za stvaranje obilja monopola moguće je rešenje za ovaj problem. Ona bi relativno mali broj monopola munjevitim brzinama razdvojila na tako velike udaljenosti da bi ih danas bilo praktično nemoguće pronaći.

Kritičari inflacije nisu naročito impresionirani rešenjem ovog trećeg problema jer smatraju da postoje teorije o nastanku svemira koje uopšte ne pretpostavljaju postojanje monopola.

Seme svemira i negativna energija

Foto: Thinkstock

Rešenja za gore navedena tri problema nisu jedini doprinosi teorije inflacije. Ona je takođe objasnila kako su u relativno jednoličnom svemiru nastale nepravilnosti koje su postale osnova za razvoj ogromnih struktura poput galaksija. Naučnici su takođe pronašli i prihvatljiv odgovor na pitanje šta je pokretalo tako brzo širenje svemira u inflaciji.

Jednostavnim jezikom, prema teoriji inflacije na samom početku stvaranja svemira, pre početka formiranja galaksija, sila gravitacije bila je negativna, delovala je tako da nije privlačila, već je odbijala materiju. To je u skladu s Ajnštajnovom Opštom teorijom relativnosti koja kaže da gravitacija, koja uglavnom deluje kao privlačna sila, u određenim okolnostima može delovati odbojno. Savremena fizika čestica ukazuje da bismo zaista na vrlo visokim energijama, upravo u uslovima kakvi su vladali na samom početku stvaranja, mogli da očekujemo stanja materije koja će stvoriti odbojne sile gravitacije.

Kada je inflacija konačno prestala, energija koja ju je pokretala pretvorila se u materiju i svetlost. Minijaturne nejednakosti, tzv. kvantne fluktuacije na subatomskom nivou, kakve su postojale pre početka inflacije u minijaturnom svemiru, kroz njegovo širenje postale su svojevrsno seme, osnovi za stvaranje velikih kozmičkih struktura poput galaksija. Te nejednakosti u raspodeli materije kroz privlačne gravitacijske sile postupno su formirale materijal od kog su nastale planete, zvezde i galaksije. Istovremeno je svemir ostao jednoličan, a takođe i ravan. Nakon kratkog perioda vrtoglave ekspanzije, svemir je nastavio da se širi brzinom kakvu danas merimo.

Kritike fizičara

U ovoj priči o razmeni pisama u Scientific American-u posebna ironija je to što se kao jedan od kritičara teorije inflacije javlja Pol Stajnhart, fizičar koji je zajedno s Gutom i Andreom Lindeom 2002. dobio prestižnu Dirakovu medalju za razvoj koncepta inflacije u kosmologiji. Ipak, u međuvremenu se odmetnuo i postao revnostan kritičar teorije inflacije i zagovornik postojanja takozvanog cikličnog svemira.

Kritičko pismo pod naslovom "Pop goes the Universe", zajedno s njim potpisali su još i fizičarka Ana Ijas s Prinstona i astronom Abraham Loeb s Harvarda (nazovimo ih skraćeno IS&L). U svom pismu oni ističu nekoliko teza o manjkavosti inflacije.

Pre svega upozoravaju da su novija merenja, objavljena 2013, pokazala da se kosmičko pozadinsko mikrotalasno zračenje ne podudara idealno s predviđanjima teorije inflacije. Takođe tvrde da je negativna gravitacijska energija, koja bi trebalo da bude osnov inflacije, još uvek samo hipoteza, odnosno da za sada ne postoje nikakva direktna opažanja koja bi potvrdila da ona stvarno postoji. Oni ističu da je u poslednjih 35 godina razvijeno na stotine predloga o tome šta bi negativna energija mogla da bude i da svi oni daju različite modele inflacije s različitim brzinama širenja. Iz toga, kažu, jasno je da inflacija nije precizna teorija s preciznim predviđanjima već fleksibilan okvir koji uključuje brojne mogućnosti i ishode.

IS&L takođe upozoravaju da se iz teorije inflacije teško mogu predvideti neki konkretniji brojevi u podeli galaksija u svemiru. Smatraju da isto važi i za stepen zakrivljenosti svemira kao i za količine materije i drugih oblika energije koji postoje u današnjem svemiru. Tvrde da nam inflacija ne kaže ni zašto se Veliki prasak dogodio niti kako je stvoren početni komadić koji se potom proširio u veliki svemir. Prema njihovom mišljenju, posmatranja pokazuju da je period toplijih i hladnijih mesta u pozadinskom kozmičkom mikrotalasnom zračenju gotovo isti, bez obzira na to koliko blizu fokusiramo sliku, što je svojstvo koje naučnici nazivaju "invarijantnost na skali merenja". Poslednji podaci satelita Plank pokazuju da su odstupanja od savršene invarijantnosti tek nekoliko procenata i da su prosečne varijacije u temperaturama po svim pegama oko 0,01 odsto. Ističu da je takav ishod inflacije, mada je moguć, tek jedan od mogućih. Inflacija, upozoravaju, omogućava mnogo drugačijih uzoraka hladnih i toplih pega s većim varijacijama u temperaturama, a takođe ostavlja mogućnost da njihova podela ne bude ni približno tako invarijantna kako to pokazuju merenja CMB-a.

Konačno ističu da je inflacija, ako se dogodila, prilično sigurno trebalo da stvori gravitacijske talase koje bi trebalo registrovati. Naime, kvantne fluktuacije koje su izazvale varijacije u inflacijskoj energiji takođe je trebalo da stvore nasumične prostorne vrtloge koji su nakon prestanka inflacije morali da putuju svemirom kao iskrivljenja u prostoru. Ova iskrivljenja, poznata kao primordijalni gravitacijski talasi, drugi su izvor hladnih i toplih mrlja u CMB-u. Međutim, ona imaju posebno svojstvo, a to je da izazivaju polarizaciju svetlosti na takav način da će svetlost imati drugačiju orijentaciju ako dolazi iz hladne mrlje, a drugačiju ako dolazi iz tople. Nažalost, takvi gravitacijski talasi do danas nisu otkriveni i mada je delovalo da su pronađeni u eksperimentu BICEP2 na Južnom polu 2014, rezultati te studije kasnije su opovrgnuti.

IS&L na kraju ističu da su navedeni rezultati u trima slučajevima promatranja, odnosno njihovo odsustvo, prvi jaki argumenti u poslednjih 35 godina na osnovu kojih bi bilo osnovano posumnjati u teoriju inflacije i razmisliti o drugim mogućim rešenjima. Pritom predlažu svoje rešenje, a to je ciklična kosmologija prema kojoj je svemir nastao kao rezultat uzastopnog širenja i sažimanja koji se neprekidno ponavlja.

Inflacija je pseudonauka?

Foto: Thinkstock

U svom zaključku autori čak tvrde da teorija inflacije nije u pravom smislu naučna teorija jer je nije moguće opovrgnuti. Naime, kao što to objašnjava filozof nauke Karl Poper, neka teorija, da bi se smatrala naučnom, mora davati neka predviđanja koja moraju biti podložna testiranju, odnosno potvrđivanju ili opovrgavanju. Teorije čiji su predviđeni ishodi previše neodređeni da bi bili oborivi ili su takvi da se nikada ne mogu izmeriti i sl. nije moguće opovrgnuti, pa ne mogu biti kvalifikovane kao naučne. Recimo, tvrdnja da biste vi u nečemu uživali, kada biste bili 10 godina mlađi je nenaučna, budući da se ne možete vratiti kroz vreme, kako biste je proverili.

Veći deo navedenih kritika neće začuditi nikoga ko razume naučni metod. One su zdrave i dobrodošle u naučnom svetu jer se njima raščišćavaju moguće dileme i omogućava napredak. Međutim, potpisnike odgovora razljutilo je to što je teorija inflacije praktično proglašena za pseudonauku.

Odgovor 33 fizičara

Potpisnici odgovora objavljenog u novom broju Scientific American-a, među kojima se, uz Hokinga, posebno ističu Alan Gut, Lisa Rendal, Šon Kerol i Leonard Saskajnd, u uvodu ističu da se ne slažu s mnogim tvrdnjama kritičara, ali da su odlučili da se prvenstveno posvete pitanju mogućnosti opovrgavanja teorije inflacije.

Oni objašnjavaju da mnoštvo naučnika širom sveta godinama radi na istraživanju različitih modela inflacije i poređenjima njihovih predviđanja s empirijskim opažanjima. Taj proces doveo je do više od 14.000 studija u čijem je stvaranju učestvovalo preko 9.000 naučnika koji u naslovima ili u sažecima svojih radova koriste termin inflacija. Pored toga, inflacija je u međuvremenu podvrgnuta brojnim testovima i sve ih je do sada prošla.

Autori pisma napominju da teorija inflacije nije neka jedinstvena ideja, već skup modela i da niko ne smatra da su svi oni tačni. Ona je u tom pogledu nalik ranoj fazi u razvoju Standardnog modela čestica iz kog je iznikao niz hipoteza o kvantnim poljima. A u nizu modela ističu se neki čija su predviđanja vrlo dobro potkrepljena empirijskim rezultatima.

Standardni modeli inflacije predviđaju da bi svemir trebalo da ima kritičnu gustinu mase, odnosno da bi geometrijski trebalo da bude ravan. Takođe, dobro predviđaju statistička svojstva finih nabora koje otkrivamo u pozadinskom mikrotalasnom zračenju. Prema teoriji inflacije, ti nabori treba da budu skoro sasvim invarijantni na skali merenja. Oni takođe treba da budu adijabatički, što znači da su fluktuacije iste u svim sastavnim delovima – u običnoj materiji, u zračenju i u tamnoj materiji. Kao treće, nabori bi trebalo da budu gausijanski što predstavlja prostorne varijacije nekih merljivih veličina. Kao četvrto, modeli takođe predviđaju uzorke polarizacije u CMB-u koji bi trebalo da mogu da se otkriju.

Zapanjuje činjenica, pišu autori, da su počev od prvih rezultata satelita Cosmic Background Explorer (COBE) u 1992. do danas brojni eksperimenti potvrdili uglavnom sva navedena predviđanja kao i neka druga koja su tehnički previše zahtevna za razmatranje u njihovom pismu. Recimo, pokazalo se da se srednja masa svemira, koja je nedavno izmerena do preciznosti od 0,5 odsto, savršeno slaže s predviđanjima inflacije. Osim toga, brojna merenja satelitima kao što su Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) i Planck kao i brojna merenja balonima na Zemlji pokazala su da su primordijalne fluktuacije zaista invarijantne na skali merenja, da su vrlo adijabatske i gausijanske kao što je bilo predviđeno.

„U 2016. godini tim satelita Planck, kolaboracija od oko 260 autora, u svojim zaključcima kaže da Planckovi rezultati predstavljaju moćne dokaze u prilog jednostavnim inflacijskim modelima. Ako je inflacija neproverljiva, kao što IS&L žele da poverujemo, zašto bi toliko mnogo testova bilo tako uspešno?“, pitaju potpisnici pisma.

Autori ističu da kritičari tvrde kako je inflacija neproverljiva zato što se njena predviđanja menjaju ako se menja oblik krivulje gustine inflacijske energije u početnim uslovima. Međutim, proverljivost teorije, kažu, ni na koji način ne zahteva da sva njezina predviđanja budu nezavisna od odabira parametara.

Pismo takođe odgovara na kritiku trojca da teorije koje propadaju, postaju sve više imune na eksperimente u nastojanjima da se "zakrpe".

„Uprkos retorici IS&L, uobičajena je praksa u empirijskim naukama da se teorije modifikuju kako se novi podaci javljaju, recimo standardni model je modifikovan kako bi uključio novootkrivene kvarkove i leptone. U inflacijskoj kosmologiji, s druge strane, do sada nije bilo potrebe da se ide dalje od klase standardnih modela inflacije“, pišu autori.

Potpisnici na sličan način odbacuju i druge kritike IS&L, među kojima i ideju da je inflacija neproverljiva zbog toga što vodi prema večnoj inflaciji i multisvemiru. Ističu da se mogućnost postojanja multisvemira trenutno istražuje, ali da ta činjenica ni na koji način ne utiče na empirijsku proverljivost inflacije.

Za kraj, autori novog pisma u Scientific American-u drže malu lekciju iz filozofije nauke IS&L:

„Tokom više od 35 godina svog postojanja, teorija inflacije postupno je postala glavna kosmološka paradigma koja opisuje rane faze razvoja evolucije svemira i formacije njegovih velikih struktura. Niko ne tvrdi da je inflacija postala sigurna; naučne teorije ne dokazuju se kao što se dokazuju matematičke teoreme, već kako vreme prolazi, uspešne postaju sve bolje i bolje, potvrđene eksperimentalnim testovima i napretkom teorije. Progres se nastavlja uz pomoć entuzijastičnih napora brojnih naučnika koji su odabrali da učestvuju u toj živoj grani kosmologije.“

IS&L su već odgovorili na kritike 33 fizičara, ali jasno je da će tek razvoj nauke vremenom pokazati ko je u pravu. Zasad teorija inflacije ima veći broj pobornika od suprotne strane. Ali, da parafraziramo Ajnštajna: u nauci se do tačne teorije ne dolazi glasanjem većinom naučnika; dovoljan je jedan dobar dokaz da se teorija sruši.

Izvor: Index.hr