Kosmologija i strela vremena | Šon Kerol | TEDxCaltech

Ovaj govor održan je na lokalnom TEDx događaju, organizovanom nezavisno od TED konferencija.

Kosmolog Šon Kerol se hvata u koštac - na zabavnom i inspirativnom putovanju kroz prirodu vremena i svemira - sa naizgled jednostavnim pitanjem: zašto vreme uopšte postoji? Mogući odgovori ukazuju na iznenađujući pogled na prirodu svemira i našeg mesta u njemu.

Svemir

je zaista ogroman.

Živimo u galaksiji Mlečni put,

u kojoj ima oko sto milijardi zvezda.

I ako uzmete kameru

i uperite je bilo gde ka nebu,

i držite otvorenu blendu,

ako vam je kamera priključena
na svemirski telskop Habl,

videće nešto ovako.

Svaka od tih malih mrlja

je galaksija veličine
slične našem Mlečnom putu -

sto milijardi zvezda
u svakoj od tih mrlja.

Ima oko sto milijardi galaksija

u vidljivom svemiru.

Sto milijardi je jedini broj
koji treba da znate.

Starost svemira,
između Velikog praska i sadašnosti,

je sto milijardi u psećim godinama.

(Smeh)

Što vam govori nešto
o našem mestu u svemiru.

Jedino što možete
sa ovom slikom jeste da joj se divite.

Neverovatno je lepa.

Često sam se pitao
kakav je to pritisak evolucije

terao naše pretke u Africi
da se prilagođavaju i evoluiraju

da bi uživali u slikama galaksije

kada ih nisu imali.

Ali i mi bismo voleli da razumemo to.

Kao kosmolog, želim da se pitam,
zašto je svemir ovakav?

Veliki trag koji imamo
jeste da se svemir vremenom menja.

Ako pogledate jednu od ovih galaksija
i izmerite njenu brzinu,

ona će se udaljavati od vas.

A ako pogledate još udaljeniju galaksiju,

ona će se udaljavati još brže.

Zato kažemo da se svemir širi.

To, naravno, znači da su u prošlosti

stvari bile skupljenije.

U prošlosti, svemir je bio gušći

i takođe, topliji.

Ako sabijete stvari zajedno,
temperatura raste.

To nam je nekako logično.

Ono što nije tako logično

jeste da je svemir, u rano doba,
blizu Velikog praska

takođe bio vrlo vrlo gladak.

To vas možda ne iznenađuje.

Vazduh u ovoj sobi je vrlo gladak.

Mislite: "Pa, možda
su se stvari same izgladile".

Ali stanja blizu Velikog praska
su vrlo različita

od stanja vazduha u ovoj sobi.

Tačnije, stvari su bile mnogo gušće.

Gravitacione sile

su bile mnogo jače blizu Velikog praska.

Morate da shvatite

da svemir ima sto milijardi galaksija,

svaka sa po sto milijardi zvezda.

U rano doba, tih sto milijardi galaksija

je bilo sabijeno u prostor ove veličine -

bukvalno, u rano doba.

I zamislite to sabijanje

savršeno izvedeno,

bez nekih malih tačaka

gde ima par atoma više nego negde drugde.

Da je bilo tako, urušili bi se
pod gravitacionim silama

u ogromnu crnu rupu.

Održati svemir vrlo glatkim u rano doba

je bio vrlo delikatan zadatak.

To je trag

da rani svemir nje bio nasumično odabran.

Nešto ga je učinilo takvim.

Želeli bismo da znamo šta.

Ludvig Boltcman,
austrijski fizičar iz 19. veka,

nam je dao delimično rešenje.

Boltcmanov doprinos je u tome
što nam je pomogao da razumemo entropiju.

Čuli ste za entropiju.

To je nasumičnost, nered,
haotičnost nekih sistema.

Boltzman nam je dao formulu,

koja je ugravirana na njegovom
nadgrobnom spomeniku,

koja zaista objašnjava entropiju.

I u osnovi nam kaže

da je entropija broj načina

na koji možemo da preuredimo
delove sistema, tako da ne primetite,

tako da on makroskopski izgleda isto.

Na primer, vazduh u ovoj sobi,

ne primetite njegov
svaki pojedinačni atom.

Sklop sa niskom entropijom

je onaj gde postoji
samo par takvih uređenja.

Sklop sa visokom entropijom

je onaj gde postoji
veliki broj takvih uređenja.

To je uvid od ključne važnosti,

jer nam pomaže da objasnimo

drugi zakon termodinamike -

zakon po kome se entropija
povećava u svemiru,

ili u izolovanom delu svemira.

Entropija se povećava jer

jednostavno ima mnogo više načina

da se postigne visoka
nego niska entropija.

To je divan uvid,

ali nešto izostavlja.

Usput, uvid da se entropija povećava

objašnjava ono što nazivamo
strelom vremena,

razliku između prošlosti i budućnosti.

Svaka razlika

između prošlosti i budućnosti

postoji jer se entropija povećava -

to što se sećate prošlosti,
ali ne i budućnosti.

To što se rađamo, živimo i umiremo,

uvek tim redom,

je zato što se entropija povećava.

Boltcman je objasnio
da ako se krene od niske entropije,

prirodno je da se ona povećava.

zato što postoji više načina
da se postigne visoka entropija.

Ali nije objasnio

zašto je entropija niska na početku.

To što je entropija svemira bila niska

odražava činjenicu

da je rani svemir bio vrlo, vrlo gladak.

Hteli bismo to da razumemo.

To je posao nas kosmologa.

Nažalost, to je problem

kome smo posvetili malo pažnje.

On nije jedna od prvih stvari
koje biste čuli

ako biste pitali savremenog kosmologa,

"Koje probleme pokušavamo da rešimo?"

Jedan od ljudi koji je shvatio
da je ovo problem

je bio Ričard Fejnman.

Pre 50 godina, održao je niz različitih
predavanja za koja ste već čuli.

Držao je popularna predavanja

koja su postala "Lik fizičkog zakona".

Držao je predavanja studentima na Kalteku

koja su postala
"Fejnmanova predavanja o fizici."

Držao je predavanja diplomcima na Kalteku

koja su postala
"Fejnmanova predavanja o gravitaciji"

U svim tim knjigama,
tim nizovima predavanja,

naglašavao je ovu zagonetku:

zašto je rani svemir
imao tako nisku entropiju?

I rekao je, neću imitirati akcenat:

"Iz nekog razloga,
svemir je u jednom trenutku,

imao vrlo nisku entropiju
u odnosu na njegovu energiju,

i od tada entropija se uvećala.

Strela vremena se ne može
u potpunosti razumeti

dok se misterija
o početku istorijie svemira

ne svede

sa nagađanja na razumevanje".

To je naš posao.

To je bilo pre 50 godina. Vi mislite:

"Sigurno smo do sada shvatili."

Nije istina da smo do sada shvatili.

U stvari, problem je stariji od 50 godina.

Boltcman je razumeo da je to problem
i predložio je odgovor.

Pre nego što pređem na to,
trebalo bi da kažem

da je razlog pogoršanja problema,
umesto njegovog poboljšanja,

jer smo 1998. godine

saznali nešto ključno o svemiru
što nismo znali ranije.

Saznali smo da on ubrzava.

Širenje je samo
jedna karakteristika svemira.

Pogledajte galaksiju, ona se udaljava.

Pogledajte je opet za milijardu godina,

i udaljavaće se još brže.

Pojedine galaksije ubrzavaju
od nas sve brže i brže.

Zato kažemo da svemir ubrzava.

Za razliku od niske entropije
ranog svemira,

iako ne znamo odgovor na ovo pitanje,

bar imamo dobru teoriju
koja ga objašnjava,

pod uslovom da je tačna,

a to je teorija o tamnoj energiji.

To je ideja da sam prazan prostor
ima energiju.

U svakom kubnom centrimetru svemira,

bilo da ima nečega ili nema,

bilo da ima čestica, materije,
radijacije ili bilo čega,

ipak ima energije, čak i u samom prostoru.

I ta energija, kako Ajnštajn tvrdi,

gura svemir.

To je trajni impuls

koji je udaljio galksije jednu od druge.

Jer se tamna energija,
za razliku od materije ili radijacije,

ne razređuje kako se svemir širi.

Količina energije u svakom
kubnom centimetru

ostaje ista,

iako svemir postaje sve veći i veči.

Ovo je od bitnog značaja

za ono što će svemir raditi ubuduće.

Kao prvo, svemir će se večno širiti.

Kada sam ja bio vaših godina

nismo znali šta će svemir uraditi.

Neki su mislili da će se svemir
urušiti u budućnosti.

Ajnštajnu se sviđala ta ideja.

Ali ako postoji tamna energija,
i ako je trajna,

svemir će se prosto širiti zauvek i uvek.

To traje već 14 milijardi godina,

100 milijardi psećih godina,

ali i beskonačan broj godina u budućnosti.

U međuvremenu, za sve namere i svrhe,

svemir nama deluje ograničeno.

Svemir je možda konačan ili beskonačan,

ali pošto ubrzava,

postoje delovi koje ne možemo da vidimo,

i nikada ih nećemo videti.

Imamo pristup ograničenom delu svemira,

koji je okružen horizontom.

Tako da, iako se vreme večno pruža,

svemir je za nas ograničen.

Na kraju, prazan svemir ima temperaturu.

Sedamdesetih godina
Stiven Hoking nam je rekao,

da crna rupa, iako mislite da je crna,

zapravo emituje radijaciju,

kada uzmete u obzir kvantnu mehaniku.

Zakrivljenost vremena
i prostora oko crne rupe,

stvara fluktuacije kvantne mehanike

i crna rupa emituje radijaciju.

Jako sličan proračun
Hokinga i Garija Gibonsa

je pokazao, da ako ima tamne energije
u praznom prostoru,

onda ceo svemir isijava.

Energija praznog prostora

stvara kvantne fluktuacije.

I iako će svemir trajati večno,

i obična materija
i radijacija će se razrediti,

uvek će biti neke radijacije,

nekih termalnih fluktuacija,

čak i u praznom prostoru.

Dakle to znači

da je svemir kao kutija gasa

koja večno traje.

Dakle šta to implicira?

Implikacije je proučavao
Boltcman u 19. veku.

Rekao je da se entropija povećava

jer postoji mnogo više načina

da svemir ima visoku neko nisku entropiju.

Ali to je izjava o verovatnoći.

Verovatno će se povećati,

i verovatnoća je ogromna.

O tome ne brinite -

da će se vazduh u sobi skupiti
u jednom delu i ugušiti nas.

To je vrlo malo verovatno.

Osim ako bi zaključali vrata

i držali nas ovde bukvalno zauvek,

to bi se desilo.

Sve što je moguće

svaki mogući sklop molekula u ovoj sobi,

će se vremenom ostvariti.

Bolcman je rekao, počnimo od svemira

koji je bio u termalnoj ravnoteži.

Nije znao za Veliki prasak
i širenje svemira.

Mislio je da je Njutn
objasnio prostor i vreme -

da su apsolutni;
da jednostavno postoje večno.

Njegova ideja o prirodnom svemiru

je ona gde su molekuli vazduha
jednako raspoređeni svuda -

molekuli svega.

Ali ako ste Bolcman,
znate da ako dovoljno čekate,

nasumične fluktuacije tih molekula

će ih povremeno dovesti

u sklopove sa niskom energijom
i entropijom.

I naravno, po prirodnom toku,

oni će se ponovo raširiti.

Nije da se entropija mora uvek uvećavati -

fluktuacije mogu imati nižu entropiju,

organizovanije situacije.

Ako je to tačno,

Bolcman je onda izmislio

dve vrlo savremene ideje -

multiverzum i antropički princip.

On kaže da je problem
sa termalnom ravnotežom

što mi ne možemo da živimo u njoj.

Sećate se, sam život
zavisi od strele vremena.

Ne bismo mogli da obrađujemo informacije,

razvijamo se, hodamo i pričamo,

da živimo u termalnoj ravnoteži.

Ako zamislite veoma veliki svemir,

beskonačno veliki svemir,

sa česticama koje nasumično
naleću jedna na drugu,

povremeno će biti malih fluktuacija
u stanjima sa niskom entropijom

koje će se onda ponovo opustiti.

Ali će takođe biti velikih fluktuacija.

Povremeno, nastaće planeta

ili zvezda ili galaksija

ili sto milijardi galaksija.

I Bolcman kaže,

živećemo samo u delu multiverzuma,

u delu tog beskonačno
velikog skupa fluktuacija čestica

gde je život moguć.

To je deo gde je entropija niska.

Možda je naš svemir
samo jedna od onih stvari

koje se dešavaju s vremena na vreme.

Vaš domaći zadatak

je da dobro razmislite
o ovome i šta to znači.

Karl Sagan je jednom rekao,

"da biste napravili pitu sa jabukama,

prvo morate izumeti svemir".

Ali nije bio u pravu.

Po Bolcmanovom scenariju,
ako hoćete da napravite pitu sa jabukama,

samo čekate nasumično kretanje atoma

da vam napravi pitu.

To će se desiti mnogo češće

nego da vam nasumično kretanje atoma

napravi voćnjak jabuka

i malo šećera i pećnicu

i onda vam napravi pitu.

Dakle ovaj scenario pravi predviđanja.

A, ona kažu

da su fluktuacije
koje nas sačinjavaju minimalne.

Čak i ako zamislite
da soba u kojoj smo sada

postoji i da je stvarna i da smo tu,

i imamo ne samo naša sećanja,

već i utisak da napolju postoji nešto

zvano Kaltek i Sjedinjene Države
i Mlečni put,

mnogo je lakše da ti utisci
nasumično fluktuiraju u vaš mozak

nego da zapravo nasumično fluktuiraju

u Kaltek, Sjedinjene Države i galaksiju.

Dobra vest je

da, stoga, ovaj scenario ne radi,
nije tačan.

Ovaj scenario predviđa da bi trebalo
da budemo minimalne fluktuacije.

Čak i ako izostavite našu galaksiju,

nećete dobiti sto milijardi
drugih galaksija.

A, Fejnman je razumeo i ovo.

Rekao je: "Od pretpostavke
da je svet fluktuacija,

sva predviđanja govore,

da ako pogledamo deo sveta
koji nismo ranije videli,

on će biti pomešan,
a ne kao deo koji smo upravo videli -

visoka entropija.

Ako je naš red posledica fluktuacije,

očekivali bismo red samo tamo
gde smo ga već primetili.

Dakle zaključujemo
da svemir nije fluktuacija".

To je dobro.
Pitanje je onda šta je pravi odgovor?

Ako svemir nije fluktuacija,

zašto je rani svemir imao nisku entropiju?

I voleo bih da vam kažem odgovor,
ali nestaje mi vremena.

(Smeh)

Ovo je svemir o kojem vam mi pričamo,

nasuprot svemiru koji zaista postoji.

Upravo sam vam pokazao ovu sliku.

Svemir se širi otprilike
proteklilh 10 milijardi godina

Hladi se.

Ali znamo dovoljno o budućnosti svemira

da bismo rekli mnogo više.

Ako tamna energija ostaje prisutna,

zvezde oko nas će potrošiti
svoje nuklearno gorivo i ugasiće se.

Urušiće se u crne rupe.

Živećemo u svemiru

u kojem postoje smao crne rupe.

Taj svemir će trajati
10 na 100-ti godina -

mnogo duže od našeg malog svemira.

Budućnost je mnogo duža od prošlosti.

Ali čak ni crne rupe ne traju večno.

One će ispariti

i ostaće samo prazan prostor.

Taj prazan prostor u suštini traje večno.

Ipak, primetićete, pošto prazan prostor
emituje radijaciju,

zapravo postoje termalne fluktuacije,

i ciklus se ponavalja;

sve moguće različite kombinacije

stepena slobode koji postoje
u praznom prostoru.

Dakle, iako svemir traje večno,

postoji samo ograničen broj stvari

koje mogu da se dese u njemu.

Sve se dešavaju tokom vremenskog perioda

koji iznosi 10 na 10-ti na 120-ti godina.

Dakle, evo dva pitanja za vas.

Prvo: ako svemir traje
10 na 10-ti na 120-ti godina,

zašto se rađamo

u njegovih prvih 14 milijardi godina,

u toplom, prijatnom odsjaju
Velikog praska?

Zašto nismo u praznom prostoru?

Možda kažete:
"Pa, tamo ništa ne može da živi",

ali to nije tačno.

Možete biti nasumična
fluktuacija iz ništavila.

Zašto niste?

Eto vam još domaćeg zadatka.

Kao što rekoh, ja zapravo ne znam odgovor.

Daću vam moj omiljeni scenario.

Ili je to tek tako.
Ne postoji objašnjenje.

To je okrutna činjenica o svemiru

koju treba da prihvatite
i ne postavljate pitanja.

Ili možda Veliki prasak

nije početak svemira.

Jaje, nepolomljeno jaje,
je sklop niske entropije,

a ipak, kada otvorimo frižider,

ne pomislimo: "Kako je čudno da se nađe

ovaj sklop sa niskom entropijom
u mom frižideru".

To je zato što jaje nije zatvoren sistem;

nastaje iz kokoške.

Možda svemir nastaje iz svemirske kokoške.

Možda postoji nešto što prirodnim putem,

kroz rast zakona fizike,

stvara svemir poput našeg

u sklopovima niske entropije.

Ako je to tačno, desilo bi se više puta;

bili bismo deo mnogo većeg multiverzuma.

To je moj omiljeni scenario.

Organizatori su me zamolili
da završim sa hrabrim nagađanjem.

Moje hrabro nagađanje

je da će me istorija potpuno opravdati.

I da će za 50 godina,

sve moje lude ideje
biti prihvaćene kao istine

od strane naučnih i ostalih udruženja.

Svi ćemo verovati da je naš mali svemir

samo mali deo mnogo većeg multiverzuma.

I još bolje, razumećemo
šta se desilo sa Velikim praskom

u pogledu teorije

koju ćemo moći da poredimo sa opažanjima.

To je predviđanje. Možda grešim.

Ali razmišljali smo kao ljudska rasa

o tome kakav je bio svemir,

zašto je postao i ostao kakav jeste
tokom mnogo, mnogo godina.

Uzbudljivo je pomisliti da ćemo
jednom konačno saznati odgovor.

Hvala vam.

(Aplauz)