Jedno od najdubljih pitanja moderne kozmologije glasi jednostavno: zašto svemir izgleda baš ovako? Prema osnovnim zakonima fizike, Veliki prasak trebao je stvoriti gotovo jednake količine tvari i antitvari. Kada se čestica tvari susretne sa svojom antičesticom, obje nestaju u bljesku energije. Da je ravnoteža bila savršena, rani svemir mogao je završiti gotovo bez atoma, zvijezda, planeta i nas.
No to se nije dogodilo. Svemir koji vidimo građen je gotovo potpuno od tvari. Antitvar postoji, ali samo u tragovima: u kozmičkim zrakama, radioaktivnim raspadima, visokoenergetskim sudarima čestica i laboratorijima. Zašto je tvar prevladala nad antitvari jedno je od velikih otvorenih pitanja fizike.
Druga zagonetka jednako je ozbiljna. Svemir se ne samo širi, nego se njegovo širenje ubrzava. Najuspješniji kozmološki model taj učinak opisuje tamnom energijom, neobičnom komponentom koja čini velik dio ukupnog energetskog sadržaja svemira. Problem je u tome što još ne znamo što tamna energija zapravo jest.
Upravo na tom mjestu pojavljuje se nova, vrlo neobična ideja. Naman Kumar, istraživač s Indijskog instituta za tehnologiju Gandhinagar, predložio je model u kojem ubrzano širenje našeg svemira ne mora zahtijevati tamnu energiju. Umjesto toga, svemir bi mogao biti dio para: uz naš svemir postojao bi partnerski antisvemir, povezan s njim na kvantnoj razini, s vremenom koje je u odnosu na naše usmjereno suprotno. Kumarov rad objavljen je 2024. u časopisu Gravitation and Cosmology.
Ideja zvuči kao znanstvena fantastika, ali ne dolazi iz fantazije. Naslanja se na ozbiljne pojmove iz fizike: simetriju, kvantnu isprepletenost, opću relativnost i pitanje može li se svemir promatrati kao dio veće, simetričnije cjeline. To ne znači da je antisvemir otkriven. Znači da se u teorijskoj kozmologiji ispituju modeli koji pokušavaju objasniti poznate probleme bez uvođenja dodatnih, još neobjašnjenih sastojaka.
Što je antitvar?
Antitvar nije izmišljena suprotnost tvari, nego stvaran dio fizike čestica. Svaka čestica može imati antičesticu s istom masom, ali suprotnim električnim nabojem ili drugim kvantnim svojstvima. Elektron, primjerice, ima negativan električni naboj. Njegova antičestica, pozitron, ima pozitivan naboj. Proton ima antiproton. Neutron ima antineutron.
Kada se čestica i njezina antičestica susretnu, mogu se anihilirati. Njihova se masa tada pretvara u energiju, najčešće u obliku visokoenergetskog zračenja. Taj proces nije teorijska egzotika. Pozitroni se koriste u medicinskoj dijagnostici, primjerice u PET snimanju, a antiprotoni i druge antičestice proizvode se u akceleratorima čestica.
Problem nastaje kada se vratimo u najraniji svemir. Prema fizici koju poznajemo, u vrućim uvjetima nakon Velikog praska trebale su nastajati čestice i antičestice. Ako su nastajale u gotovo jednakim količinama, zašto danas vidimo svemir sastavljen od tvari? Zašto antitvar nije jednako zastupljena u galaksijama, zvijezdama i planetima?
Fizičari taj problem nazivaju barionskom asimetrijom. On ne traži samo objašnjenje gdje je antitvar otišla, nego zašto je uopće nastao višak tvari. Standardni model fizike čestica dopušta određene razlike između tvari i antitvari, ali one nisu dovoljne da jednostavno objasne količinu tvari koju danas vidimo u svemiru.
Tamna energija i ubrzano širenje svemira
Krajem 20. stoljeća astronomi su, promatrajući udaljene supernove tipa Ia, došli do iznenađujućeg zaključka: širenje svemira se ubrzava. Očekivanje je bilo drukčije. Gravitacija bi, barem intuitivno, trebala usporavati širenje svemira jer sva materija privlači svu ostalu materiju. Promatranja su pokazala da se na najvećim kozmološkim udaljenostima događa nešto suprotno.
Za objašnjenje tog ubrzanja u standardnom modelu kozmologije koristi se tamna energija. U najjednostavnijoj verziji ona se ponaša kao kozmološka konstanta, pojam koji se može ugraditi u Einsteinove jednadžbe opće relativnosti. Model poznat kao Lambda-CDM vrlo dobro opisuje mnoge podatke: kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, raspodjelu galaksija, širenje svemira i omjere tamne tvari, obične tvari i tamne energije.
No uspjeh modela ne znači da je sve jasno. Tamna energija je opis onoga što se događa, ali ne i potpuno razumijevanje zašto se događa. Njezina izmjerena vrijednost iznimno je mala u usporedbi s prirodnim očekivanjima iz kvantne teorije polja. Taj nesklad jedan je od najvećih teorijskih problema moderne fizike.
Zato se istražuju alternativne ideje. Neke mijenjaju gravitaciju na velikim udaljenostima. Neke uvode nova polja. Neke pokušavaju drukčije razumjeti samu kozmološku konstantu. Kumarov prijedlog pripada skupini radikalnijih pokušaja: umjesto tamne energije, uvodi partnerski antisvemir.
Ideja svemira i antisvemira
Kumarov model polazi od tvrdnje da bi, iz kvantne perspektive, bilo prirodno da svemir nastane u paru. Jedan član para bio bi naš svemir, a drugi partnerski antisvemir s obrnuto povezanim smjerom vremena. U takvoj slici Veliki prasak nije samo početak našeg prostora i vremena, nego granica između dviju povezanih polovica šire cjeline.
U svom radu Kumar tvrdi da u takvom paru ubrzano širenje može nastati bez potrebe za tamnom energijom ili modificiranom gravitacijom. Ključna ideja povezana je s kvantnom isprepletenošću između svemira i antisvemira te s pojmom relativne entropije. Pojednostavljeno rečeno, ubrzanje ne bi bilo posljedica neke nevidljive tvari ili energije koja ispunjava svemir, nego geometrijska i kvantna posljedica toga što naš svemir nije samostalan sustav.
To je vrlo drukčiji način razmišljanja. U standardnoj kozmologiji tamna energija je dio našeg svemira. U Kumarovu modelu ubrzanje dolazi iz odnosa između dvaju članova para. Naš svemir i antisvemir ponašali bi se kao povezani sustav, a svaka strana imala bi vlastiti smjer vremena.
Važno je reći što ova ideja ne znači. Ne znači da negdje u svemiru postoji udaljena regija puna antigalaksija do koje bismo mogli otputovati. Ne znači da se iza neke granice prostora nalazi zrcalna verzija Mliječne staze. Antisvemir u ovom kontekstu nije mjesto u našem prostoru, nego teorijski partner našeg svemira u širem matematičkom opisu.
Zašto bi vrijeme teklo unatrag?
Izraz “vrijeme teče unatrag” lako stvara pogrešnu sliku. Ne treba ga zamišljati kao film koji se premotava, s razbijenom čašom koja se sama sastavlja ili ljudima koji žive obrnutim redoslijedom. U ovakvim modelima riječ je o simetriji u matematičkom opisu svemira.
Fizika poznaje takozvanu CPT simetriju. C označava zamjenu čestica antičesticama, P zrcalnu promjenu prostora, a T promjenu smjera vremena. U vrlo pojednostavljenom obliku, zakoni fizike ostaju dosljedni ako se istodobno provedu sve tri promjene. Zbog toga su neki fizičari razmatrali mogućnost da je svemir kao cjelina CPT-simetričan.
Takvu su ideju prije Kumara razvijali Latham Boyle, Kieran Finn i Neil Turok u radu CPT-Symmetric Universe, objavljenom 2018. u Physical Review Letters. U njihovu modelu svemir nakon Velikog praska ima svoj CPT odraz prije Velikog praska. Ta ideja ponudila je drukčiji pogled na barionsku asimetriju i tamnu tvar, uz predviđanja vezana uz neutrine.
Kumarov prijedlog nije ista stvar, ali pripada srodnoj obitelji ideja. Sva ta razmišljanja pokušavaju iskoristiti duboke simetrije fizike kako bi se objasnilo zašto naš svemir ima svojstva koja vidimo.
Može li to objasniti gdje je nestala antitvar?
Izvorno pitanje o antitvari ne nestaje. Ako je svemir nastao simetrično, zašto je naš dio gotovo potpuno građen od tvari? Jedan mogući odgovor u modelima svemira i antisvemira jest da ravnoteža postoji na većoj razini. Naš svemir mogao bi biti tvarni član para, dok bi partnerski antisvemir bio povezan s antičestičnim ili zrcalnim opisom.
To bi značilo da antitvar nije “nestala” u običnom smislu. Nije se morala skrivati u udaljenim galaksijama našeg svemira. Ravnoteža bi se mogla uspostaviti tek kada se promatra cijeli sustav, naš svemir i njegov partnerski antisvemir zajedno.
No tu treba biti vrlo oprezan. To nije potvrđeno promatranjima. Astronomi ne vide dokaze da u našem vidljivom svemiru postoje velike regije građene od antitvari. Kada bi postojale velike antigalaksije u blizini običnih galaksija, na njihovim bi granicama materija i antitvar stvarale prepoznatljivo gama-zračenje. Takav signal nije pronađen u obliku koji bi podržao ideju velikih područja antitvari u našem svemiru.
Zato se antisvemir, ako se o njemu govori u ovim teorijskim okvirima, ne smije zamijeniti s običnim skrivenim zalihama antitvari negdje među galaksijama. Riječ je o dubljoj, matematičkoj mogućnosti, ne o susjednom području svemira koje samo još nismo dovoljno dobro pogledali.
Što bi model morao dokazati?
Najveći problem ovakvih ideja nije to što zvuče neobično. Povijest fizike puna je ideja koje su u početku zvučale neobično, a poslije su postale temelj znanosti. Problem je dokazivost.
Dobar kozmološki model ne smije samo objasniti jednu zagonetku. Mora preživjeti sudar s mnogim podacima odjednom. Mora biti usklađen s kozmičkim mikrovalnim pozadinskim zračenjem, raspodjelom galaksija, nastankom lakih elemenata u ranom svemiru, promatranjima supernova, gravitacijskim lećama, rastom velikih struktura i mjerenjima Hubbleove konstante.
Kumarov model pokušava pokazati da ubrzano širenje može proizaći iz para svemir i antisvemir bez tamne energije. To je zanimljivo jer cilja na jedan od najtežih problema kozmologije. No da bi postao ozbiljna alternativa standardnom modelu, morao bi dati jasna predviđanja koja se mogu usporediti s promatranjima.
Sam Kumar je u razgovorima o toj ideji isticao mogućnost traženja suptilnih tragova u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju ili u velikoj strukturi svemira. To je pravi put za ovakvu hipotezu. Ona neće postati znanost zato što je slikovita, nego samo ako pokaže mjerljive razlike u odnosu na standardni model.
Zašto je ideja ipak važna?
Kumarov antisvemir ne treba predstavljati kao rješenje zagonetke tamne energije. To bi bilo prerano. Ne treba ga ni odbaciti samo zato što zvuči čudno. Njegova vrijednost je u tome što pokazuje koliko su duboki problemi koje pokušavamo riješiti.
Tamna energija nije samo prazna riječ za nešto nepoznato. Ona je znak da naš najbolji model svemira ima sastojak koji vrlo dobro radi u jednadžbama, ali ga ne razumijemo na temeljnoj razini. Antitvar nije samo egzotična suprotnost tvari. Njezina odsutnost u velikim kozmičkim količinama govori nam da se u ranom svemiru dogodilo nešto što još ne znamo do kraja opisati.
Model svemira i antisvemira pokušava oba problema staviti u širi okvir. Možda je naš svemir samo jedna strana simetričnije cjeline. Možda ubrzano širenje nije posljedica nevidljive tamne energije, nego rezultat dublje kvantne povezanosti. Možda se pitanje tvari i antitvari ne može potpuno riješiti ako promatramo samo našu polovicu priče.
Za sada su to mogućnosti, ne zaključci.
Svemir možda nije “sam”, ali dokaz tek treba pronaći
Najpošteniji opis Kumarove ideje glasi ovako: riječ je o teorijskom modelu koji pokušava objasniti ubrzano širenje svemira bez tamne energije, uvodeći partnerski antisvemir s obrnuto povezanim smjerom vremena. Model je matematički zanimljiv i uklapa se u širu tradiciju razmišljanja o CPT simetriji svemira, ali još nema opažački dokaz.
To ga ne čini bezvrijednim. U teorijskoj fizici ponekad su upravo takvi modeli korisni jer pokazuju gdje su slabosti naših uobičajenih pretpostavki. No granica mora ostati jasna. Antisvemir nije otkriven. Tamna energija nije izbačena iz kozmologije. Standardni model Lambda-CDM i dalje je najuspješniji opis svemira na velikim razmjerima.
Ipak, potraga za drukčijim objašnjenjima nije hir. Ona je nužna jer najveće zagonetke svemira još nisu riješene. Zašto postoji više tvari nego antitvari? Zašto se širenje svemira ubrzava? Što je tamna energija? Ako se pokaže da odgovor ne leži u novoj vrsti energije, nego u dubljoj simetriji prostora, vremena i kvantnog stanja svemira, to bi promijenilo način na koji razumijemo vlastito kozmičko podrijetlo.
Do tada, antisvemir ostaje provokativna hipoteza: dovoljno ozbiljna da je fizičari mogu izračunavati, ali još daleko od toga da postane potvrđena slika stvarnosti.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
