„Didysis suspaudimas“: pagal vieną iš galimų Visatos žūties scenarijų, visą materiją praris supermasyvi juodoji bedugnė

Aptariama naujausia kosmologinė teorija, amerikiečio fizikos teoretiko Lee Smolino komologijos hipotezė.

„Okamos skustuvas“ — mokslo filosofijos koncepcija, kuria remiantis, labiau tikėtina, kad teisingi bus paprasti paaiškinimai, nei sudėtingi. Šią idėją XIV amžiuje iškėlė anglų mokslininkas pranciškonas Williamas Occam.

Britas biologas Johnjoe McFaddenas, knygos „Gyvenimas yra paprastas: kaip Occamo skustuvas išlaisvino mokslą ir tapo Visatos paslapčių atradimo raktu“ (Life Is Simple: How Occam's Razor Set Science Free and Shapes the Universe) autorius pasineria į mokslo atradimų istoriją, kad pademonstruotų, kad mūsų Visatos pagrindas iš tiesų yra paprastumas.

„Gyvybė galėjo rastis tik dėl maksimalaus paprastumo, ir fundamentalūs Visatos dėsniai yra ne kas kita, kaip kosmologinė natūralios atrankos forma, kuri visuomet palanki paprasčiausių elementų išlikimui“.

<…>

„Kosminis skustuvas“

Lee Smolinas gimė Niujorke, ir studijavo fizikos teoriją Harvardo universitete. Jo mokslinė karjera prasidėjo Perspektyvių tyrimų institute Princetone, kur karo metu prieglobstį rado Albertas Einsteinas ir Hermannas Weylis. Keletą metų padirbęs prestižinėse pareigose, jis tapo vienu iš žymiausių garsaus visame pasaulyje Teorinės fizikos instituto „Perimeter“ Ontarijuje, Kanadoje mokslininku.

Visą savo mokslinę karjerą Smolinas ieškojo universalios teorijos, kuri galėtų apjungti klasikinę fiziką ir elementariųjų dalelių fiziką. Jis laikomas vienu iš siekį suvienyti gravitacijos dėsnius su dalelių sąveikos standartiniu modeliu atspindinčios stygų ir superstygų teorijų kūrėjų.

Stygų teorijose (o jos yra kelios) keliama prielaida, kad elementariosios dalelės — kvarkai, elektronai, ir taip toliau — yra pasireiškimas ploniausių ultramikroskpiškų virpančių stygų. Tačiau tam, kad šios teorijos veiktų, stygos turi vibruoti 26 ar 10 matmenų visatoje. Deja, dėl tokio daugiamatiškumo stygų modelių skaičius darosi astronomiškas, artėja link begalybės.

Kaip ir Ptolemėjo modelyje, stygų teorijas subtiliai reguliuojant ir didinant sudėtingumą, galima pritaikyti bet kokiai realybei. Šiuo metu nė vienas iš teorijos variantų nesuteikia vienareikšmių prognozių, kurias būtų galima kritiškai įvertinti eksperimentu.

Nusivylęs nesėkmingu bandymu susieti stygų teoriją su realybe, Smolinas ėmėsi ieškoti alternatyvių tiksliojo suderinimo problemos sprendimo. 1999 metais pasirodžiusiame „Kosmoso gyvenime“ (The Life of the Cosmos), ir 2013 publikuotame „Laiko grąžinime“, Smolinas iškelia Visatos atsiradimą natūralia atranka aiškinančią hipotezę.

Jo manymu, mūsų visata — kosmologinio evoliucijos proceso produktas, savotiškos natūraliosios atrankos, kurią jis vadina kosmologine natūraliąja atranka (angl. cosmological natural selection )veikimo rezultatas.

Kosminė ekologija

Natūralioji atranka Visatos lygiu pati savaime implikuoja ir tikslųjį suderinimą. Smolinas visatai suteikė tris svarbiausius natūraliosios atrankos bruožus: reprodukcija, paveldimumu ir mutavimu. Svarbiausią vaidmenį kiekviename iš šių procesų vadina juodosios bedugnės.

Pradėkime nuo reprodukcijos proceso. Priminsiu, kad juodosios bedugnės atsiranda galutinėje masyvių žvaigždžių kolapso stadijoje, kai jų gravitacija išauga tiek, kad jos įveikti nebegali net šviesa. Manoma, kad juodosios bedugnės yra ir daugumos galaktikų – taip pat ir Paukščių Taką – centre, kur ryja aplinkines žvaigždes, taip skleisdamos daugybę energijos.

Pagal vieną iš galimų Visatos pabaigos scenarijų visą materiją praris supermasyvi juodoji bedugnė ir įvyks vadinamasis „Didysis suspaudimas“.O dabar įsivaizduokime, kad pagal šį niūrų scenarijų sukūrėme ir peržiūrime jį, juostą sukdami atgal. Pirmasis mūsų išvystas kadras ir bus Didžiojo suspaudimo momentas, kai juodoji bedugnė prarijo paskutinį Visatos gabaliuką

Kadangi iš Didžiojo sprogimo daugiau nieko neliko, kaip nebėra ir koordinačių, kurių atžvilgiu būtų galima bent ką nors matuoti, Didžiojo susitraukimo suformuota juodoji bedugnė stoja prieš mus kaip bematis taškas bematėje erdvėje. Tačiau kitame kadre (vis dar atgalinio grojimo režimu) išvysime, kaip iš tą tašką reprezentuojančios supermasyvios juodosios bedugnės, išsiveržia elementariosios dalelės ir energijos sankaupos, iš kurių, praėjus keliems milijonams metų pasirodys iš pradžių atomai, o paskui žvaigždės ir netgi gyvenamos planetos. Toks prasukimas atgal tikėtina, gali suteikti gan aiškų įsivaizdavimą apie Visatos radimąsi Didžiojo sprogimo momentu.

Kadangi fizikos dėsniuose laikas simetriškas, laike apsuktas Didysis suspaudimas — lygiai taip fiziškai įmanomas dalykas, kaip ir Didysis sprogimas. Dviejų įvykių simetrija daugelį kosmologų privertė padaryti tokią išvadą: tai, kas mums atrodo kaip juodoji bedugnė, mūsų visatoje ryjanti žvaigždes, gal būti didžiuoju sprogimu kitoje visatoje, esančioje kitoje juodosios bedugnės pusėje.

Visgi, kaip mano Smolinas, teisingas ir priešingas teiginys: Didysis sprogimas, iš kurio atsirado mūsų visata, galėjo būti protėvinės visatos Didžiuoju suspaudimu.

Smolini (ir daugelio kitų kosmologų) nuomone, laiko pradžia ne Didžiojo sprogimo momentas, laikas apsiverčia priešinga kryptimi per mūsų visatos Didžiojo sprogimo įvykį, atgal link protėvinės visatos mirties Didžiajame suspaudime ir atsiradimo iš juodosios bedugnė ir taip ad infinitum.

Be to, jis mano, kad atsižvelgiant į tai, kad mūsų Visatoje yra 100 milijonų juodųjų bedugnių, jos yra šimto milijonų visatų, kilusių iš mūsiškės, protėviai. Smolino modelyje yra reprodukcijos procesas, kuriame visatų užuomazgų vaidmenį atlieka juodosios bedugnės.

Kitas jo „visatų dauginimosi“ hipotezės komponentas — paveldimumas. Smolinas mano, kad, kiekviena naujos kartos visata iš savo protėvinės visatos paveldi tokius požymius, kaip parametrai, fundamentalių konstantų reikšmes, dalelių mases ir taip toliau. Jas galima įsivaizduoti kaip savotiškus kosmologinius genus*, kurie perneša informaciją apie visatos savybes analogiškai, kaip biologiniai genai perneša gyvų sutvėrimų paveldimą informaciją.

* Aš, be abejonės, suvokiu, kad pateikdamas standartinio modelio ir genų analogiją, galiu peržengti leidžiamas ribas. Tačiau negalima neigti, kad toks palyginimas iškelia įdomius klausimus. Pavyzdžiui, jei genetinę informaciją perneša DNR, tai kur gi įrašyta kosmologinių genų informacija? — Knygos autoriaus pastaba.

Ir galiausiai, Smolinui teko spręsti dar vieną natūralios atrankos teorijos problemą, savo laiku neraminusią Darwiną ir Wallace'ą: rasti kintamumo šaltinį, kurio pagrindu veikia natūrali atranka. Vėl gi atsigręždamas į biologiją, Smolinas iškėlė prielaidą, kad juodosioms bedugnėms stichiškai ryjant visatą su jos kosmologiniais genais, jų reikšmės gali kisti, tai yra prasidės kažkas panašaus į mutacijas.

Fizikos dėsnių kintamumo idėja nėra nauja. Smolinas pažymi, kad XIX amžiaus amerikietis filosofas Charlesas Sandersas Peirce'as (1839–1914), kurio pažiūras smarkiai paveikė darvinizmas, iškėlė hipotezę, kad fizikos dėsniai gali evoliucionuoti, kaip gyvi padarai. Panašiai išsireiškė anglų matematikas ir filosofas Williamas Kingdonas Cliffordas (1845–1879). Netgi tokie viduramžių teologai, kaip Williamas Occamas, kėlė prielaidas, kad Dievas galėjo sukurti ir kitus pasaulius, besiskiriančius nuo mūsiškio.

Tačiau fizikos dėsnių evoliucijos mūsų visatoje hipotezė atrodo mekai tikėtina. Kiek galime spręsti, mūsų visata pakluso tokiems patiems dėsniams nuo jos atsiradimo iki vėliausių vystymosi etapų. Tačiau Smolino manymu, tai nereiškia, kad fizikos dėsniai nesikeičia kitose visatose.

Savo teoriją Smolinas paremia prielaida, kad biologinis gyvybės atsiradimo procesas turi kosmologinį ekvivalentą, išsivysčiusį pagal tokį pat scenarijų: kažkada tolimoje praeityje egzistavo absoliučiai tuščia erdvė. Tačiau kvantinė mechanika vėl ir mus stebina, įrodydama, kad dėl nieko niekada negalima būti tikram . Tai yra dar viena netikėta pasekmė Wernerio Heisenbergo neapibrėžtumo principo, verčiančio abejoti masės ir energijos nebuvimu absoliučiame vakuume. Kvantinė mechanika leidžia virtualioms dalelėms atsirasti ir išnykti netgi tuščios erdvės vakuume.

1982 metais rusų kilmės amerikietis fizikas Alexanderis Vilenkinas pasisakė su dar labiau netikėtu pareiškimu apie Visatos atsiradimą paprasčiausiai „iš nieko“ dėl kvantinių fluktuacijų. Dabar šis scenarijus laikomas labiausiai tikėtinu. Sprendžiant iš visko, atsiradimo momentu mažutėlė visata nebuvo kuo nors įdomi, nes atsitiktinės fundamentalių konstantų reikšmės buvo nesuderinamos su materijos egzistavimu.

Šios nematerialios visatos atsiradimo momentu jo teigiama ir neigiama energija apsijungdavo ir išnykdavo. Tačiau kvantinės fkuktuacijos tęsėsi, iš kosmologinio vakuumo kurdamos visatas, kol galų gale, po kelių trilijonų konstantų atsitiktinių reikšmių, pasirodė visata su tokiomis funadmentaliųjų konstantų reikšmėmis, kurios užtikrino palankias sąlygas formuotis materijai, žvaigždėms, planetoms, ir, bent kelioms juodosioms bedugnėms.

Smolinas juodųjų bedugnių formavimąsi nagrinėja kaip kosmologinį gyvybės atsiradimo ekvivalentą: būtent jos užtikrina visatų reprodukciją. Anksčiausios, primityviausios visatos veikiausiai sukurdavo vos kelias juodąsias bedugnes ir dėl to sukurdavo nedaug visatų–palikuonių. Bet kadangi šis skaičius buvo didesnis už vienetą, visatų -palikuonių daugėjo. Negena to, pereinant juodąją bedugnę, fundamentaliųjų konstantų reikšmės nuolat mutavo, o tai reiškia, kad susidariusi multivisata pavirto savotiška savarankiška ekosistema, su įvairiais materijos, žvaigždžių, planetų tipais ir skirtingu juodųjų bedugnių skaičiumi.

Visatos nebūna vienodos. Kai kurios „vaisingesnės“ už kitas. Paveldėjusios parametrus, palankesnius didesnei materijos koncentracijai į juodąsias bedugnes kolapsuojančių žvaigždžių viduje, sukurdavo daugia palikuonių. Ir atvirkščiai, bet kokia visata, kurioje negalėjo formuotis žvaigždės ir juodosios bedugnės, nustodavo egzistuoti, tapdama išnykusia visata. Pamažu, per daugybę kosmologinių kartų̃, susiformavo multivisata, kurioje pradėjo vyrauti labiausiai prisitaikiusios ir vaisingiausios visatos, kuriose fundamentaliosios konstantos palankiausios formuotis maksimaliam juodųjų bedugnių skaičiui.

 

Lygiai kaip dėl natūraliosios atrankos gyvų organizmų evoliucijoje atsirado tokie neįtikėtini padarai, kaip dinozaurai, drambliai ir žmonės, kosmologinė natūralioji atranka delikačiai suderino fundamentaliąsias konstantas, kad būtų užtikrintas žvaigždžių, planetų, juodųjų bedugnių ir mūsų su jumis sukūrimas.

Smolino teorija gan originali, tačiau, kaip ir visas kitas originalias teorijas, ją sunku įrodyti. Kaip bebūtų, ja remiantis, galima sukurti kelias prognozes, kurias Smolinas patikrino kompiuteriniu Visatos evoliucijos modeliu. Pavyzdžiui, pagal jo teoriją, mūsų Visata, kaip ankstesnių „sėkmingų“ visatų įpėdinė, turi būti tiksliai suderinta didesniam juodųjų bedugnių skaičiui, o bet koks konstantų reikšmių pokytis juodųjų bedugnių skaičių sumažins.

Smolinas šią hipotezę patikrino kompiuteriniu Visatos modeliu, truputį pakeisdamas fundamentalių konstantų reikšmes, ir išsiaiškino, kad nedideli standartinio modelio parametrų pokyčiai arba mažina juodųjų bedugnių skaičių arba nekeičia. Nė viena iš kompiuteriniu modelių prognozuojamų kosmologinių mutacijų nesukėlė juodųjų bedugnių skaičiaus padidėjimo. Kompiuterinė analizė kosmologine atranka padarytą prognozę patvirtino mūsų Visatos gebėjimą kurti juodąsias bedugnes.

‘Life Is Simple: How Occam's Razor Set Science Free and Shapes the Universe’, by Johnjoe McFadden (Basic Books, 2021)

Komentarai ()