Када су вековима уназад научници и филозофи претпостављали да постоје атоми материје, питали су се и да ли нешто тако мало има икакав смисао. Постепено, атоми су постали стварност. После Ајнштајновог објашњења Брауновог кретања помоћу атомске природе материје (1905. године), наредних двадесет година протекло је у развоју квантне теорије којом ће атоми моћи да се објасне. А тек тридесет година касније они су први пут виђени под нарочитим микроскопом.
Данас, исто као што је некада материја назначила да се састоји од атома, особине простора и времена указују на слично. Да се можда и они састоје од неке сићушне грађе која би имала својство атома просторвремена. Атоми које познајемо најмањи су делови материје, а налик њима претпостављени атоми били би најмањи делови простора. Сматра се да се ради о растојању од око 10-35 метара, сувише малој величини да би могли да се виде и најмоћнијим микроскопима (они се виде «само» до 10-18 метара). И зато се и данашњи стручњаци питају да ли замисао о атомима просторвремена, нешто тако сићушно, може да има било какав научни смисао. Ипак, ова сумња није поколебала одважније теоретичаре – потражили су начине да се постојање атома просторвремена докаже посредно. Највише обећава посматрање саме васионе – ако њено ширење вратимо уназад као филмску траку, изгледа да све постојеће галаксије морају да воде порекло из једне бескрајно мале тачке: сингуларности Великог праска.
Данас, исто као што је некада материја назначила да се састоји од атома, особине простора и времена указују на слично. Да се можда и они састоје од неке сићушне грађе која би имала својство атома просторвремена. Атоми које познајемо најмањи су делови материје, а налик њима претпостављени атоми били би најмањи делови простора. Сматра се да се ради о растојању од око 10-35 метара, сувише малој величини да би могли да се виде и најмоћнијим микроскопима (они се виде «само» до 10-18 метара). И зато се и данашњи стручњаци питају да ли замисао о атомима просторвремена, нешто тако сићушно, може да има било какав научни смисао. Ипак, ова сумња није поколебала одважније теоретичаре – потражили су начине да се постојање атома просторвремена докаже посредно. Највише обећава посматрање саме васионе – ако њено ширење вратимо уназад као филмску траку, изгледа да све постојеће галаксије морају да воде порекло из једне бескрајно мале тачке: сингуларности Великог праска.
Непотпуна теорија
То каже наша садашња теорија гравитације, Ајнштајнова општа теорија релативности, која предвиђа да је васиона тада имала бесконачну густину и температуру. Тај тренутак сматра се њеним почетком, рађањем материје, простора и времена. Али те бесконачне вредности показују слабост постојеће теорије, односно њену немоћ да објасни шта се стварно догађало у тренутку Великог праска и непосредно после њега. Ово најраније раздобље живота васионе, названо и раздобљем квантне гравитације, с једне стране омеђено је сингуларитетом, а с друге Планковом дужином и Планковим временом. Васиона која је била мања од 10-33 центиметара, млађа од 10-44 секунде, и са температуром од 1032 степена келвина, за науку је „Планков зид“ – магична граница иза које Ајнштајнова општа релативност више не важи. Тадашњи простор и време могу само да се замишљају као некаква пена с непознатим особинама.
Само квантна теорија гравитације може да обухвати и ту до сада непознату грађу просторвремена, за коју је општа релативност слепа.
Уједињење опште теорије релативности и квантне механике у квантну гравитацију један је од кључних задатака теоријске физике. Развијено је неколико теорија, кандидата за квантну гравитацију. Све примењују квантне законитости на општу релативност. Прва, најпознатија али и најпротивречнија је теорија струна. Она предвиђа да је основна градивна јединица природе начињена од ситних објеката који су названи струне. Њихова „музика“, односно вибрације, ствара све силе и честице у природи (струне нису бездимензионалне честице, како је у постојећем стандардном моделу). Међутим, открићем суперсиметрије, ова теорија замењена је теоријом суперструна. Убрзо је настало чак пет теорија суперструна, што је био знак да није нађена коначна теорија уједињења свих сила. Деведесетих година 20. века јавља се М-теорија која је објединила свих пет теорија, а за то је било неопходно да просторвреме има 11 димензија.
Уједињење опште теорије релативности и квантне механике у квантну гравитацију један је од кључних задатака теоријске физике. Развијено је неколико теорија, кандидата за квантну гравитацију. Све примењују квантне законитости на општу релативност. Прва, најпознатија али и најпротивречнија је теорија струна. Она предвиђа да је основна градивна јединица природе начињена од ситних објеката који су названи струне. Њихова „музика“, односно вибрације, ствара све силе и честице у природи (струне нису бездимензионалне честице, како је у постојећем стандардном моделу). Међутим, открићем суперсиметрије, ова теорија замењена је теоријом суперструна. Убрзо је настало чак пет теорија суперструна, што је био знак да није нађена коначна теорија уједињења свих сила. Деведесетих година 20. века јавља се М-теорија која је објединила свих пет теорија, а за то је било неопходно да просторвреме има 11 димензија.
Делићи простора
Током деведесетих година 20. века развијена је и такозвана квантна гравитација петљи (лоопUуантумгравитU). За разлику од осталих теорија она је недвосмислено предвидела да простор и време нису непрекидни, већ да су као и материја дискретни – квантизовани. То значи да, као и материја, не могу да се деле у бесконачност и да имају своју најмању јединку, неку врсту атома. Вредности запремине и површине ове јединке одређене су Планковом дужином, која је реда величине 10-33 цм. Ову замисао лако је упоредити с оном о квантизацији енергије, код које је граница Планкова константа. Квантна гравитација петљи одбацује и појам о непрекидном времену и уводи најмање недељиво време. Уместо једне секунде имамо Планково време од 10-43 секунде. Ова теорија отворила је могућност да се уместо Великог праска догодило такозвано велико одбијање и да је садашња васиона исход урушавања неке претходне.
Да би дошли до ове теорије, стручњаци су прво прерадили облик опште релативности како би личио на теорију електромагнетизма. У квантној теорији гравитације „петље“ су сличне електричним и магнетним линијама силе код електромагнетизма. Оне су затворене линије у простору преко којих се изражава гравитационо поље. Онда су на петље примењене квантне законитости (помоћу математике која је сродна математици за чворове). Настала квантна гравитација предвидела је постојање атома просторвремена.
Привуци, па одбиј
Квантна теорија петљи применила је постојећа сазнања о честицама и енергији на просторвреме. На пример, квантна теорија електромагнетизма објашњава вакуум на тај начин што сваки прираштај енергије који му се дода, ствара нову честицу. Квантна теорија петљи каже како сваки прираштај енергије додат вакууму ствара нов атом просторвремена. Ови атоми граде густу, свеприсутну мрежу која се на великим растојањима повинује општој релативности. Под уобичајеним условима никада не запажамо атоме просторвремена. Празнине у мрежи тако су мале да она изгледа непрекидна. Али, ако је просторвреме испуњено великом енергијом, као што је било у Великом праску, ова танана грађа преузима улогу па се квантна гравитација петљи разилази од опште релативности.
Сви знамо да је гравитација само привлачна сила. Лоптаста материја тежи да се уруши услед властите тежине, и ако је маса довољно велика гравитација ће надмашити све остале силе и сабити лопту у сингуларитет (као што је онај у средишту црне рупе). Међутим, теорија гравитације петљи говори да на врло великим густинама атомска грађа просторвремена мења саму природу гравитације. Гравитација постаје одбојна сила! Како?
Замислите да је простор сунђер, а да су маса и енергија вода. Шупљикав, сунђер може да упије воду само до одређене границе. Када се натопи, он је више не упија, већ одбија. Атомизован просторвреме порозан је на сличан начин и може да упије само одређену, коначну количину енергије. Када густина упијене енергије постане сувише велика, на сцену ступа одбојна сила. Насупрот томе, непрекидан простор опште релативности могао је да ускладишти бесконачно велику енергију и да дође у стање сингуларности. Међутим, услед промене у понашању квантне гравитације нема појаве сингуларности и бесконачне густине! Према овој теорији у најранијој васиони материја је имала веома велику, али коначну енергију. Гравитација је била одбојна сила и утицала је да се простор васионе шири. Када се густина васионе довољно смањила, гравитација је променила своју природу и постала онаква какву је знамо – привлачна сила. Створене су звезде, планете, галаксије. Инерција је учинила да се ово ширење настави до данашњих дана.
Сви знамо да је гравитација само привлачна сила. Лоптаста материја тежи да се уруши услед властите тежине, и ако је маса довољно велика гравитација ће надмашити све остале силе и сабити лопту у сингуларитет (као што је онај у средишту црне рупе). Међутим, теорија гравитације петљи говори да на врло великим густинама атомска грађа просторвремена мења саму природу гравитације. Гравитација постаје одбојна сила! Како?
Замислите да је простор сунђер, а да су маса и енергија вода. Шупљикав, сунђер може да упије воду само до одређене границе. Када се натопи, он је више не упија, већ одбија. Атомизован просторвреме порозан је на сличан начин и може да упије само одређену, коначну количину енергије. Када густина упијене енергије постане сувише велика, на сцену ступа одбојна сила. Насупрот томе, непрекидан простор опште релативности могао је да ускладишти бесконачно велику енергију и да дође у стање сингуларности. Међутим, услед промене у понашању квантне гравитације нема појаве сингуларности и бесконачне густине! Према овој теорији у најранијој васиони материја је имала веома велику, али коначну енергију. Гравитација је била одбојна сила и утицала је да се простор васионе шири. Када се густина васионе довољно смањила, гравитација је променила своју природу и постала онаква какву је знамо – привлачна сила. Створене су звезде, планете, галаксије. Инерција је учинила да се ово ширење настави до данашњих дана.
Време пре времена
У ствари, одбојна гравитација проузроковала је да се васиона шири убрзано. Космолошка осматрања подупиру постојање таквог раздобља које је названо космичка инфлација. Како се васиона ширила, сила која је била њен покретач полако је слабила. Када је убрзање окончано, вишак енергије претворио се у обичну материју која је почела да испуњава васиону. У постојећем космичком моделу (Великог праска) овај период ширења је нешто што је додато да би потврдило осматрања. Међутим, у квантној теорији петљи оно је природна последица атомске грађе просторвремена.
Без сингуларности која је одредила почетак времена, историја васионе може да се продужи далеко у прошлост, даље него што су космолози икада помишљали. Користећи такозване једначине разлике (уместо диференцијалних једначина) теоретичари су дошли до претпоставке шта је могло да се одиграва у тренутку који се сада назива Великим праском. Једна од могућности је да се почетно стање високе енергије догодило пошто се претходна васиона урушила у саму себе под дејством гравитације. Густина је толико порасла да је гравитација променила природу и постала одбојна. Тада је васиона почела поново да се шири. Космолози теорије петљи ову појаву називају велико одбијање.
Без сингуларности која је одредила почетак времена, историја васионе може да се продужи далеко у прошлост, даље него што су космолози икада помишљали. Користећи такозване једначине разлике (уместо диференцијалних једначина) теоретичари су дошли до претпоставке шта је могло да се одиграва у тренутку који се сада назива Великим праском. Једна од могућности је да се почетно стање високе енергије догодило пошто се претходна васиона урушила у саму себе под дејством гравитације. Густина је толико порасла да је гравитација променила природу и постала одбојна. Тада је васиона почела поново да се шири. Космолози теорије петљи ову појаву називају велико одбијање.
То може да значи да је васиона пре одбијања вероватно била слична данашњој – испуњена звездама и галаксијама и вођена општом релативношћу. Ако је тако, можда бисмо били у стању да се вратимо уназад кроз време, прођемо кроз велико одбијање, и закључимо шта је било раније. На сличан начин као што можемо да одредимо путање две билијарске лоптице пре судара на основу њихових путања после судара (није неопходно да познајемо сваки детаљ судара).
Избрисано памћење
Нажалост, неки прорачуни показују да одбијање ипак није био кратак ударац одбојне силе (као код судара две билијарске лоптице). Чак и ако је ранија васиона била слична нашој, прошла је кроз једно бурно раздобље, непојмљив квантни метеж током кога су се густине материје и енергије јако и хаотично мењале – уништавајући све. Наша васиона настала је из чудне квантне супе која је обрисала готово све трагове своје праисторије. Укратко, васиона је изгубила памћење.
Ова слика Великог праска ипак је мање бурна од постојећег појма сингуларности. Док општа релативност једноставно пада у сингуларности, квантна теорија петљи у стању је да се носи са изузетним условима који тада владају. Зато заговорници ове теорије сматрају да Велики прасак више није почетак васионе, већ само граница нашег сазнања. Што год да је преживело, не може да нам обезбеди потпуну слику онога што је било пре.
Ова слика Великог праска ипак је мање бурна од постојећег појма сингуларности. Док општа релативност једноставно пада у сингуларности, квантна теорија петљи у стању је да се носи са изузетним условима који тада владају. Зато заговорници ове теорије сматрају да Велики прасак више није почетак васионе, већ само граница нашег сазнања. Што год да је преживело, не може да нам обезбеди потпуну слику онога што је било пре.
Квантна теорија петљи предвиђа и да решеткаста грађа простора треба да утиче на простирање електромагнетних таласа. Да неке успорава више од других. То значи да би светлост различитих таласних дужина требало да путује донекле различитим брзинама. Иако је ова разлика у брзинама веома мала, током дугог пута светлости кроз васиону можда може да нарасте у мери да постане мерљива. Далеки извори експлозија гама зрака највећа су нада да би ова појава могла да се уочи.
У случају атома материје протекло је око 25 векова од првих филозофских размишљања до Ајнштајновог проучавања Брауновог кретања, када су атоми постали предмет огледне науке. За атоме просторвремена ово раздобље могло би да буде много краће. Можда ће се то догодити већ у некој од наредних деценија? У том случају писала би се и нова историја васионе .
