Svemir je oduvek postojao biva neprihvaćeno kao opravdani odgovor na pitanje Šta je postojalo pre početka? Ali za mnoge religiozne ljude, odgovor Bog je oduvek postojao jeste i očigledan i prijatan odgovor na pitanje Šta je postojalo pre Boga?
Fizika opisuje ponašanje materije, energije, prostora i vremena, kao i njihove međusobne odnose u svemiru. Na osnovu činjenica koje su naučnici uspeli da odrede, sve biološke i hemijske pojave se upravljaju onime što ove četiri karakteristike kosmičke drame međusobno čine. Stoga sve suštinsko i nama Zemljanima poznato počinje zakonima fizike.
U praktično svakoj oblasti naučnog istraživanja, ali posebno u fizici, granica otkrića živi u ekstremima merenja. Na ekstremima materije, kakav je komšiluk crne rupe, nalazimo gravitaciju koja žestoko savija okružujući prostorvremenski kontinuum. Na ekstremima energije, trpite termonuklearnu fuziju u deset miliona stepeni vrelim jezgrima sunaca. A u svakom zamislivom ekstremu, imate zastrašujuće vrele, zastrašujuće guste uslove koji su preovlađivali tokom prvi par trenutaka svemira.
Svakodnevni život, srećno objavljujemo, je potpuno odvojen od ekstremne fizike. Normalnog jutra ustajete iz kreveta, smucate se po kući, pojedete ponešto, sjurite se kroz vrata. A na kraju dana vaši voljeni u punoj meri očekuju da izgledate ikako drugačije nego kada ste otišli, kao i da se vratite kući u jednom komadu. Ali zamislite dokazak u kancelariju, ulazak u pregrejanu konferencijsku salu zbog važnog sastanka u 10 ujutru i trenutni gubitak svih elektrona – ili još gore, raspad svih atoma u vašem telu. Ili pretpostavite da sedite u svojoj kancelariji pokušavajući da završite neki posao pod svetlom vaše stone lampe, kada neko uključi svetlo na plafonu čineći da vaše telo počne da nasumično skakuće od zida do zida sve dok ne iskoči kroz prozor. Ili šta ako ste krenuli na sumo rvanje posle posla i videli kako su se dva okrugla gospodina sudarila i zatim spontano postala dva zraka svetlosti?
Kada bi se takvi događaji dešavali svakodnevno, tada moderna fizika ne bi izgledala toliko bizarno, znanje o njenim osnovama bi prirodno proisticalo iz životnog iskustva, a naši voljeni nas verovatno nikada ne bi pustili da idemo na posao. No, u ranim minutima svemira takve su se stvari dešavale sve vreme. Da bi to se predvidelo, razumelo, nemamo izbora do da ustanovimo novi oblik zdravog razuma, izmenjenu intuiciju o tome kako se fizički zakoni primenjuju na ekstremne temperature, gustine i pritiske.
Uđimo u svet E=mc2.
Albert Ajnštajn je prvi objavio verziju ove slavne jednačine 1905. godine u prvobitnom istraživačkom radu naslovljenom Uz elektrodinamiku pokretnih tela (On the Electrodynamics of Moving Bodies – preveden na srpski i objavljen u okviru zbirki Ajnštajnovih radova Podvig mladog Ajnštajna i Teorija relativnosti, prim. prev.). Poznatiji kao specijalna teorija relativnosti, koncepti razrađeni u ovom radu zauvek su promenili naše pojmove o prostoru i vremenu. Ajnštajn, tada tek star dvadeset šest godina, ponudio je još detalja o ovoj urednoj jednačini u posebno, izuzetno kratkom radu objavljenom kasnije iste godine Da li intercija tela zavisi od njegove energije? (Does the Inertia of a Body Depend on Its Energy Content? – preveden na srpski i objavljen u okviru zbirki Ajnštajnovih radova Podvig mladog Ajnštajna i Teorija relativnosti, prim. prev.). Da bih vas sačuvao napora nalaženja originalnog članka, osmišljavanja eksperimenta i proveravanja teorije, odgovor je Da. Ajnštajn je pisao:
Ako telo odaje energiju E u obliku zračenja, smanjuje se njegova masa za E/c2. (…) Masa tela je mera njegove energije; ako se energija promeni za E, njegova masa se menja u istom smeru. (Prim. prev. Ajnštajn je u originalnom radu energiju obeležavao L, a brzinu svetlosti V. Autor osavremenjuje oznake, što je u ovom prevodu i zadržano.)
Nesiguran u istinitost svog stava, on je zatim sugerisao:
Nije isključeno da se ova teorija može potvrditi kod tela čija se energija menja u velikom stepenu (npr. kod radijumovih soli).
To je to. Algebarski recept za sve situacije u kojima želite da pretvorite materiju u energiju ili energiju u materiju. U ovim jednstavnim rečenicama Ajnštajn je nenamerno pružio astrofizičarima računsku alatku, E=mc2, koja proširuje njihov domet od svemira kakav je sada, pa skroz unazad do beskrajno malih delova sekunde posle njegovog rođenja.
Najpoznatiji oblik energije je foton, bezmasena, nesvodiva čestica svetlosti. Vi ste zauvek okupani u fotonima: od Sunca, Meseca i zvezda sve do šporeta, lustera i noćne lampe. Pa zašto svakog dana ne osećate E=mc2? Energija fotona vidljivog svetla je mnogo manja od najmanje masivne subatomske čestice. Ničeg nema što bi ti fotoni mogli da postanu, stoga žive veseo život, umereno bez događaja.
Želite li da vidite nešto akcije? Počnite da ćuškate unaokolo fotone gama zračenja koji imaju ozbiljniju energiju – bar 200 hiljada puta više nego vidljivi fotoni. Ubrzo ćete se razboleti i umreti od raka, ali pre nego što se to desi videćete parove elektrona – jedan materija, drugi antimaterija; jedna od mnogih dinamičkih dvojaca svemira čestica – kako uskaču u postojanje na mestu gde su se motali fotoni. Dok posmatrate, takođe ćete videti parove materija-antimaterija elektrona kako se sudaraju, poništavaju jedni druge i ponovo stvaraju fotone gama zračenja. Uvećajte energiju svetla još dve hiljade puta i sada imate gama zračenje dovoljne energije da pretvori osetljive ljude u Hulka. Ali parovi ovih fotona sada imaju dovoljno energije da spontano stvore masivnije neutrone, protone i njihove partnere od antimaterije.
Kosmološki značaj čestica i paketa energije koji se pretvaraju jedni u druge je zapanjujuć. Trenutno, temperatura našeg širećeg svemira, izračunata merenjima mikrotalasne svetlosne kupke koja prožima ceo svemir, iznosi tek 2,73 stepeni Kelvina (na Kelvinovoj skali, nula je temperatura na kojoj molekuli imaju najmanju moguću energiju, sobna temperatura je otprilike 295 stepeni, dok voda ključa na 373 stepeni. Prim. prev. iako naučno zapisivanje ne koristi oznaku stepen na Kelvinovoj skali (kao što se to čini na Celzijusovoj ili Farenhajtovoj), autor ovde ipak koristi tu oznaku). Baš kao fotoni vidljivog svetla, mikrotalasni fotoni su suviše hladni da bi imali ikakvu stvarnu mogućnost da postanu čestica kroz E=mc2; zapravo, nema poznatih čestica koje bi oni mogli da postanu. Pa ipak je juče svemir bio malo manji i malo topliji. Dan pre bio je još malo manji i topliji. Otkotrljajte časovnike još malo unazad – recimo 13,7 milijardi godina – i zatećićete se u prvobitnoj supi velikog praska, vremenu kada je temperatura kosmosa bila dovoljno velika da bude astrofizički zanimljiva. Fotoni velike energije se ne smucaju tek bilo gde. Ali to mesto ne mora da bude izmišljeno. Gama zračenju će u skoro svakom okruženju toplijem od par milijardi stepeni biti sasvim dobro.
Način na koji su se prostor, materija i energija ponašali kako se svemir širio i hladio od početka jeste jedna od najvećih do sada ispričanih priča. Ali da ste biste objasnili šta se događalo u toj kosmičkoj retorti, morate da nađete način da spojite četiri prirode sile u jednu i da nađete način da pomirite dve nespojive grane fizike: kvantnu mehaniku (nauku malog) i opšte relativnost (nauku velikog). Podstaknuti uspešnim venčanjem kvantne mehanike i elektromagnetizma sredinom dvadesetog veka fizičari su krenuli u trku spajanja kvantne mehanike i opšte relativnosti (u teoriju kvantne gravitacije). Iako još uvek nismo stigli do cilja, potpuno nam je jasno gde su visoke prepone: tokom Plankove ere. Ovo je faza do 10-43 sekunde (jedan deseto milioniti trilioniti trilioniti trilioniti deo sekunde – trilion je hiljadu milijardi, prim. prev.) i pre nego što je svemir porastao do 10-35 metara (jedan stotimilijarditi trilioniti trilioniti deo metra) u prečniku. Nemački fizičar Maks Plank 
(Max Planck), po kome su nazvane ove nezamislivo male količine, uveo je ideju o diskretnoj energiji 1900. godine i obično ga nazivamo otac kvantne mehanike.
Ipak, nema razloga za brigu. Sudar gravitacije i kvantne mehanike modernom svemiru ne postavlja praktičan problem. Astrofizičari postavljaju načela i oruđa opšte relativnosti i kvantne mehanike za veoma različite klase problema. Ali u početku, tokom Plankove ere, veliko je bilo malo, pa je među ova dva moralo da postoji nekakvo venčanje sa pevanjem i pucanjem. Nažalost, zaveti razmenjeni tokom ceremonije nastavljaju da nas proganjaju tako da nema (poznatih) zakona fizike koji opisuju bilo kakvom sigurnošću ponašanje svemira tokom kratkog međuperioda.
No, na kraju Plankove ere gravitacija je utekla od drugih, još uvek ujedinjenih sila prirode, poprimajući nezavisnost lepo opisanu našim trenutnim teorijama. Kako je svemir stario do 10-35 sekundi i nastavljao da se širi i hladi, takođe se ono što je ostalo od ujedinjenih sila podelilo na elektroslabu i jaku nuklearnu silu. Još kasnije, elektroslaba sila se podelila na elektromagnetsku i slabu nuklearnu silu, ostavljajući ogoljene četiri različite sile koje znamo i volimo – gde slaba sila kontroliše radioaktivni raspad, jaka sila vezuje atomsko jezgro, elektromagnetska sila vezuje molekule a gravitacija privlači glavnu materiju.
Do sada, svemir je bio star tek trilioniti deo sekunde. Pa ikad njegove preinačene sile i ostale kritične epizode su već prožele naš svemir suštinskim osobinama od kojih je svaka vredna sopstvene knjige.
Dok se svemir vukao ka svojom prvom trilionitom delu sekunde, međuigra materije i energije je bila neprekidna. Kratko pre toga i nakon što su se jaka i elektroslaba sila razdvojile, svemir je bio ključali okean kvarkova, leptona i njihovih braće i sestara od antimaterije, uz bozone, čestice koje su omogućavale njihovu interakciju. Nijedna od ovih čestica se ne smatra deljivijom na bilo šta manje ili osnovnije. Koliko god bile osnovne, svaka dolazi u nekoliko vrsta. Obični foton vidljive svetlost je član porodice bozona. Nefizičaru najpoznatiji leptoni su elektroni i možda neutrino; a najpoznatiji kvarkovi su… Pa, nema poznatih kvarkova. Svaka vrsta je dobila apstraktno ime koje ne služi nikakvoj stvarnoj filološkoj, filozofskoj ili pedagoškoj svrsi izuzev međusobnog razlikovanja: up i down, strange i charmed, te top i bottom (prim. prev. Pored nepovezivosti naziva i osobina kvarkova sa našim svakodnevnim životom, nazivi kvarkova služe i kao izvor skraćenica, U za up i tako dalje, zbog čega njihovo prevođenje nema nikakvog smisla).
Uzgred budi rečeno, bozoni su jednostavno nazvani po indijskom naučniku Satendranatu Bozeu (Satyendranath Bose). Reč lepton je izvedena od grčkog leptos, što znači svetao ili mali. Sa druge strane, kvark ima književno i mnogo maštovitije poreklo. Fizičar Mari-Gel Man (Murray Gell-Mann) koji je 1964. godine predložio postojanje kvarkova, a koji je u to vreme mislio da porodica kvarkova ima samo tri člana, izvukao je ime iz karakteristično nedostižnog stiha Fineganovog bdenja (Finnegans Wake) Džejmsa Džojsa: Tri kvarka za Prozivara Marka! (Three quarks for Muster Mark!) Jedna stvar ide u prilog kvarkovima: sva njihova imena su jednostavna – što hemičarima, biolozima i geolozima izgleda da nikako ne polazi za rukom kada daju imena svojim stvarčicama.
Kvarkovi su uvrnute živuljke. Za razliku od protona, koji imaju električni naboj +1 i elektrona sa električnim nabojem -1, kvarkovi imaju električne naboje koji dolaze u trećinama. I nikada nećete naći samostalan kvark; on će se uvek družiti sa obližnjim kvarkovima. Zapravo, sila koja drži dva (ili više) njih zajedno raste što ih više odvajate – kao da su prikačeni nekom vrstom podnuklearnog lastiša. Ako dovoljno razdvojite kvarkove, lastiš puca i prikupljena energija zaziva E=mc2 da bi stvorila novi kvark na svakom kraju, ostavljajući vas tamo odakle ste počeli.
Ali tokom kvark-lepton ere svemir je bio dovoljno gust da bi srednje rastojanje između neprikačenih kvarkova pariralo razmaku između prikačenih kvarkova. Pod tim uslovima, vernost susednih kvarkova ne bi mogla biti nesumnjivo utvrđena, te su se oni međusobno slobodno kretali uprkos zajedničkoj međusobnoj vezanosti. Otkriće ovog stanja materije, vrsta kvantne supe, prvi put je 2002. godine prijavila grupa fizičara iz Nacionalne laboratorije Brukhejven (Brookhaven National Laboratories).
Jaki teorijski dokaz sugeriše da je jedna epizoda iz veoma ranog svemira, možda tokom jednog od razdvajanja sila, obdarila svemir razivljujućom asimetrijom, u kojoj su čestice materije tek malo nadmašile broj čestica antimaterije, u razmeri milijardu i jedan prema milijardu. Ta mala razlika u broju je jedva ostala primećena usred stalnog stvaranja, poništavanja i ponovnog stvaranja kvarkova i antikvarkova, elektrona i antielektrona (poznatijih kao pozitrona) i neutrina i antineutrina. Čudan je čovek imao puno mogućnosti da nađe nekoga sa kime bi se poništio, a tako su činili i svi drugi. Ali ne zadugo. Kosmos je nastavio da se širi i hladi, postao je veličine Sunčevog sistema, sa temperaturom koja je dramatično brzo padala ispod trilion stepeni Kelvina (sic! prim. prev.) Od početka je prošao milioniti deo sekunde.
Ovaj mlaki svemir više nije bio dovoljno vruć ili dovoljno gust da kuva kvarkove, pa su svi oni zgrabili svoje plesne partnere, stvarajući novu stabilnu porodicu teških čestica zvanih hadroni (od grčkog hadros, što znači pun). Taj prelaz iz kvarkova u hadrone doveo je do pojave protona i neutrona kao i drugih, manje poznatih teških čestica, koje su sve sastavljene od raznih kombinacija kvarkovskih vrsta. Blaga asimetrija materije i antimaterije koja se desila u kvark-leptonskoj supi sada je prešla na hadrone, ali sa izuzetnim posledicama.
Kako se svemir hladio, opadala je količina energije dostupne za spontano stvaranje osnovnih čestica. Tokom hardonske ere, fotoni okruženja više nisu mogli da prizovu E=mc2 zarad stvaranja parova kvark-antikvark. Ne samo to, fotoni koji su se pojavili iz svih preostalih poništavanja izgubili su energiju u stalno-proširujućem svemiru i pali ispod praga potrebnog za stvaranje parova hadron-antihadron. Na svakih milijardu poništavanja – ostavljajući milijardu probuđenih fotona – preživeo je tek jedan hadron. Tim je usamljenicima ostalo da pokupe sav kajmak: oni služe kao izvor galaksija, zvezda, planeta i ljudi.
Bez disbalansa u odnosu milijardu plus jedan prema milijardu između materije i amtimaterije, sva masa svemira bi bila poništena, ostavljajući kosmos sačinjen od fotona i ničega više – konačni scenario neka-bude-svetlo.
Za sada je prošla jedna sekunda.
Svemir je narastao do par svetlosnih godina u prečniku, što je otprilike udaljenost od Sunca do njemu najbližih komšijskih zvezda. Na milijardu stepeni, još uvek je prilično vruć – i još uvek sposoban da skuva elektrone, koji, uz svoje pozitronske kolege, nastavljaju da uskaču u i iskaču iz postojanja. Ali u stalno-proširujućem i stalno-hladećem svemiru, njihovi dani (zapravo sekunde) su odbrojani. Što je važilo za hadrone važi i za elektrone. Konačno je preživeo jedan elektron od milijardu. Ostali su poništeni u more fotona, zajedno sa pozitronima, svojim drugovima iz antimaterije.
Otprilike sada, jedan elektron za jedan proton je bio zamrznut u postojanju. Kako je kosmos nastavio da se hladi – padajući ispod stotinu miliona stepeni – protoni su se ujedinili sa eletronima i neutronima, stvarajući atomska jezgra i pripremajući svemir u kome je 90 procenata tih jezgara vodonik a deset procenata helijum, uz tragove deuterijuma, tricijuma i litijuma.
Od početka su do sada prošle dve sekunde.
Ništa se posebno nije desilo našoj supi čestica sledećih 380 hiljada godina. Kroz te milenijume temperatura je ostala dovoljno vrela da bi se elektroni slobodno šećkali pored fotona, bacajući ih tamo-amo. No sva ova sloboda se naglo završava kada temperatura svemira pada ispod tri hiljade stepeni Kelvina (otprilike polovina temperature Sunčeve površine), a svi se elektroni kombinuju sa slobodnim atomskim jezgrima. Venčanje ostavlja za sobom svepristunu kupku fotona vidljivog svetla, završavajući oblikovanje čestica i atoma u prvobitnom svemiru.
Kako svemir nastavlja da se širi, njegovi fotoni nastavljaju da gube energiju, padajući iz vidljive svetlosti u infracrvenu, pa u mikrotalase.
Danas, gde god astrofizičari pogledali nalazimo neizbrisiv otisak mikrotalasnih fotona temperature 2,37K, čiji obrazac na nebu čuva pamćenje na raspored materije tek pre nego što su stvoreni atomi. Iz ovoga možemo da zaključimo puno toga, uključujući starost i oblik svemira. A iako su atomi deo našeg svakodnevnog života, Anjštajnova proslavljena jednačina ima još puno posla – u akceleratorima čestica, gde se parovi čestica materija-antimaterija rutinski stvaraju od energetskih polja; u jezgru Sunca, gde se svake sekunde 4.4 miliona tona materije pretvori u energiju; i u jezgru svake druge zvezde.
Ona takođe uspeva da ima posla blizu crnih rupa, praktično na ivici njihovog horizonta događaja, gde parovi čestica i antičestica mogu da uskoče u postojanje na osnovu zastrašujuće gravitacione energije crne rupe. Stiven Hoking je prvi opisao ovaj proces 1975. godine, pokazujući da na taj način masa crne rupe može sporo da ispari. Drugim rečima, crne rupe nisu u potpunosti crne. Danas je ovaa pojava poznata kao Hokingovo zračenje i podsetnik je na neprekinutu plodnost jednačine E=mc2.
Ali šta se desilo pre svega ovoga? Šta se desilo pre početka?
Astrofizičari nemaju pojma. Odnosno, naše najkreativnije ideje imaju malo ili nimalo podloge u eksperimentalnoj nauci. Pa ipak određeni tipovi religijskih persona izjavljuju, uz tragove samozadovoljstva, da je nešto moralo da sve to pokrene: sila veća od svih nas ostalih, izvor iz koga sve potiče. Početni pokretač. U mislima takvih persona, to nešto je, naravno, Bog.
Ali šta ako je svemir uvek bio tu, u stanju ili pod uslovima koje tek treba da odredimo – multimir, recimo? Ili šta ako je svemir, kao čestice, jednostavno uleteo u postojanje ni iz čega?
Ovakvi odgovori obično nikoga ne zadovoljavaju. Pa ipak, oni nas podsećaju da je neznanje prirodno stanje uma istraživača na večito pomerajućoj granici. Ljudi koji veruju da su ti istraživači totalne neznalice niti su ikada tražili niti su natrčali na granicu između poznatog i nepoznatog u kosmosu. I tu leži fascinantna podvojenost. Svemir je oduvek postojao biva neprihvaćeno kao opravdani odgovor na pitanje Šta je postojalo pre početka? Ali za mnoge religiozne ljude, odgovor Bog je poduvek postojao jeste i očigledan i prijatan odgovor na pitanje Šta je postojalo pre Boga?
Bez obzira ko ste, angažovanje u potrazi za otkrićem gde su i kako stvari nastale izaziva emocionalni zanos – kao da poznavanje početka daruje neki oblik udruženja sa, ili možda vladavine nad, svime što kasnije dolazi. Stoga ono što je tačno za sam život ništa je manje tačno za svemir: znati odakle dolaziš nije ništa manje važno nego znati kuda ideš.
Nagrada za naučnopopularni tekst Američkog instituta za fiziku 2005. godine
Autor: Neil deGrasse Tyson. Objavljeno u Natural History Magazine, septembar 2003. Preuzeto sa sajta autora. Prevod: Miloš Babović.