— Published on 31/08/2020 / Bug.hr.
Na Bugovom forumu nedavno je napisano da astrofizičari ne žele ili ne znaju odgovoriti na pitanje u što se širi svemir; prihvaćam izazov i laćam se nezahvalnog posla na kojem su se dosad mnogi opekli
Nema svako pitanje smisla
Prije svega treba reći da neka pitanja nemaju odgovor naprosto zato što sama pitanja nemaju smisla. Na primjer, s bilo kojeg mjesta na površini Zemlje može se odrediti smjer sjevera, osim na samom Sjevernom polu. Zato što je smjer određen pravcem na kojem leži vektor, a taj pravac je pak određen s dvije različite točke. U našem primjeru je su točka u kojoj stojimo, kad pitamo za smjer sjevera, i točka Sjevernog pola. Ako stojimo u samoj točki Sjevernog pola onda se početna i konačna točka podudaraju pa ne možemo povući jedan jedinstveni pravac koji bi definirao smjer. Dakle, preciznim matematičkim jezikom, tada smjer nije definiran. Zato pitanje "u kojem je smjeru sjever" nema smisla s pozicije Sjevernog pola. Nije da nitko ne zna odgovor nego odgovora nema jer pitanje ne valja. Slično, možete postaviti pitanje koje je boje elektron. Odgovor ne postoji ne zato što nitko ne zna ili ne želi otkriti tajnu nego zato što ni to pitanje nema smisla. Fizički, boja odgovara valnoj duljini vidljive svjetlosti (otprilike u području od 400 nm do 800 nm) koja se emitira iz izvora ili reflektira s površine nekog objekta. Slobodni elektron ne emitira vidljivu svjetlost niti takvu svjetlost može reflektirati sa svoje površine, zato što je puno, puno manji od 400 nm. Zato nema boju. Nije ni proziran, ni bezbojan, ni bijel, ni crn. Naprosto, pojam boje nije definiran na tako maloj skali. Zato pitanje "koje je boje elektron" nema smisla.
Pogledajmo sad koliko ima smisla pitati "u što se širi svemir". Svemir je, po definiciji, sve što postoji. Nije svemir neki balon koji se napuhuje u nekoj vanjskom prostoru. Sav taj prostor koji postoji je tkivo svemira. Sve je to svemir. Pitanje "u što se širi svemir" skriveno implicira postojanje nekog vanjskog prostora. Ali taj vanjski prostor nije definiran. Po definiciji sav prostor koji postoji, sa svom materijom i energijom, je svemir. Zato se svemir nema u što širiti. Nema "još nečeg" osim svemira. Zato ni pitanje, koje implicira prostor izvan svemira, nema smisla. I to je razlog zašto nema odgovora.
Usput, sva tri gornja primjera lijepo pokazuju čemu služi filozofija. Filozof na prirodoznanstveno pitanje ne može dati odgovor, ali može pokazati što s tim pitanjem ne valja. A to je važno. Zato fizici treba filozofija. Bez obzira što je veliki Richard Feynman izjavio da je filozofija znanstvenicima neophodna koliko i ornitologija pticama.
.
Širenje svemira nije gibanje nego svojstvo prostora
Ipak, u astrofizici/astronomiji i kozmologiji govorimo o širenju svemira kao opažačkoj činjenici. No, treba preciznije reći što pod tim točno mislimo. Širenje svemira jedna je od najvećih znanstvenih spoznaja uopće. Do nje smo došli iz preciznih opažanja dinamike dalekih galaksija, koja je napravio Edwin Hubble 20-ih godina 20-og stoljeća. Hubble je utvrdio da se galaksije, u prosjeku, udaljavaju to brže što su udaljenije. Tu činjenicu danas nazivamo Hubbleovim zakonom.
Hubbleov zakon može se izvesti iz Friedmanove jednadžbe koja se, uz određene pretpostavke, dobije iz Einsteinove opće teorije relativnosti. Tako teorija relativnosti zapravo predviđa širenje svemira, što je i samom Einsteinu bilo šokantno. Povijesno je to išlo ovako: Einstein je objavio konačnu verziju opće teorije relativnosti 1915. godine, onda je ruski fizičar Aleksandar Friedmann 1922. pokazao da ta teorija, u kontekstu svemira, opisuje širenje. Pa je Einstein to odbacio kao glupost i uveo kozmološku konstantu da svoje jednadžbe uskladi sa statičnim svemirom. Onda je 1929. Hubble objavio svoja opažanja koja su pokazala da svemir nije statičan nego se širi. Konačno je Einstein morao priznati da nije glup Friedmann nego on sam. Ali to jadni Friedmann nije doživio. Umro je 1925. od tifusa u svojoj 37. godini.
Poanta priče je ova: izravno iz Friedmannove jednadžbe, a neizravno iz Einsteinovih jednadžbi opće relativnosti, udaljavanje dalekih galaksija možemo interpretirati ne kao gibanje galaksija kroz prostor (premda i takva vrsta njihovog gibanja postoji) nego rastezanje, s vremenom, praznog prostora između galaksija. Poput tijesta za kolač s grožđicama kojem smo dodali kvasac, prostor s vremenom raste. Međusobna udaljenost grožđica s vremenom se povećava premda same grožđice uopće ne putuju kroz tijesto nego ostaju na svojim položajima. Također, bliske se grožđice udaljuju sporije od neke odabrane točke, a one koje su dalje udaljuju se brže, kao što predviđa Hubbleov zakon.
Kao svaka analogija, i ova ima svojih ograničenja. Dizano tijesto za kolač ima rubove, svemir ih nema. Tijesto je konačno, svemir je (možda) beskonačan. I najvažnije, tijesto za kolač širi se u okolni prostor, a svemir nema okolni prostor. Čak i ako je konačan, nema rub i nema onoga "izvan". To nije lako pojmiti, naročito laiku koji nije ovladao složenim matematičkim aparatom. Dakle, svemir nije dizano tijesto za kolač, nije dječji balon s nacrtanim točkicama koji napuhujemo. Svemir je struktura čije tkivo ima svojstvo da s vremenom "raste". To samo znači da za udaljenost dalekih galaksija kasnija mjerenja daju veće iznose. Treba još reći da se to rastezanje prostora ne događa unutar galaksije pa čak niti unutar skupova galaksija, jer tamo dominira gravitacijska sila. Samo velika (skoro) prazna područja prostora s vremenom mijenjaju svoja svojstva tako da je najbliži opis toga rastezanje ili širenje. Ali to nije širenje u nešto, u svakodnevnom smislu te riječi, to je naprosto promjena svojstva s vremenom.
.
Postoji svemir izvan opazivog svemira
Dodatna komplikacija u ovoj priči je ta što opažačka astronomija definira opazivi svemir izvan kojega ipak postoji nešto. Ali ne "nešto drugo" nego onaj dio našeg svemira koji se, opažano s našeg položaja u svemiru, udaljava brže od svjetlosti pa je, na prvu loptu, izvan dosega opažanja.
Brže od svjetlosti? Da, brže od svjetlosti. U Abecedi fizike #2 napisao sam da u svemiru postoji ograničenje brzine, c, ali se ono odnosi samo na gibanje tijela u prostoru. No širenje svemira nije gibanje galaksija u prostoru nego promjena svojstva samog prostora zbog čega daleke galaksije djeluju kao da se gibaju od nas.
A što se "prve lopte" tiče, ono što je danas izvan dosega opažanja, nije zauvijek izvan dosega opažanja. Naime, svjetlost emitirana u našem smjeru iz neke galaksije koja je izvan opazivog svemira može kasnije biti obuhvaćena opazivim svemirom, jer horizont raste. Jednom kad uđe u opazivi svemir kad-tad će stići do mjesta s kojeg mi opažamo. Tada, naravno, neće biti ni nas ni Zemlje ni Sunca, no načelno dio svemira koji je danas neopaziv nije zauvijek neopaziv.
Ako vam i dalje puno toga o širenju svemira nije jasno, dobrodošli u klub. Sve je to toliko zahtjevno i neintuitivno da su i najveći fizičari tu i tamo u svoje knjige i članke ubacili poneku krivu tvrdnju. U radu Expanding Confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the universe Tamara Davis i Charles Lineweaver prokazali su mnoge takve grešnike među kojima su i Feynman, Weinberg, Peebles, Krauss, Hubble, Wheeler.