Po newtonovskoj fizici prostor je u vječnom mirovanju i nepomična je pozadina po kojoj se kreću objekti. Ali s općom teorijom relativnosti je ta pozadina dobila aktivnu ulogu: količina materije koja se nalazi unutar svemira oblikuje njegovu ukupnu zakrivljenost i prostor-vrijeme se ovisno o količini te materije širi ili skuplja. Nama je razmjerno lako izmjeriti  brzinu širenja svemira, no budući da ne možemo izmjeriti iznos mase u njemu, odgovor na pitanje njegova širenja ili skupljanja ostaje neriješen (o tome ćemo detaljnije govoriti u šestom dijelu koji tematizira tamnu tvar).


Na osnovu opće  teorije relativnosti, 1916. je Einstein mogao nagovijestiti da se svemir, prostor-vrijeme, nalazi u stanju kretanja (13 godina prije Hubbleova otkrića), ali sviđao mu se više statični i nepromjenjivi svemir. Ali takav svemir bi se na kraju trebao urušiti pod vlastitom gravitacijom, pa je – da bi to bilo izbjegnuto – Einstein predvidio postojanje neke kozmičke konstante, lambda (l), svojevrsne matematičke zakrpe tom modelu. Dok gravitacija privlači objekte jedne prema drugima, taj dodatni gravitacijski efekt – svojevrsna antigravitacija – bi trebalo da ih razdvaja, što je upravo potrebno za statičnost svemira. Ta konstanta može biti pozitivna, negativna ili jednaka nuli – pozitivna vrijednost bi značila antigravitaciju, a negativna bi djelovala kao dodatni gravitacijski utjecaj koji usporava širenje. Ipak, potvrda teorije praska i širenja svemira je učinila sve donedavno bespotrebnom ovu konstantu (najnovija proučavanja širenja stvarnog svemira u 1990-ima pokazala su da možda postoji vrlo malena lambda), a Einsteinovo mišljenje o statičnom svemiru naivnim (sam je izjavio da je uvođenje ove kozmološke konstante u svrhu očuvanja statičnosti i izotropnosti svemira njegova životna glupost).


 

Iz opće teorije relativnosti slijedi da se gravitacija može ponašati tako da može savinuti prostor-svemir u sferni oblik, zakrivljen sam u sebe i konačnog obujma; ako se danas širi, morat će se početi skupljati. Ona može prostor savinuti u suprotnom smjeru, u slabo zakrivljeni – hiperbolni, otvoreni svemir beskonačnog obujma koji se širi bez zaustavljanja. Treći model pretpostavlja da je svemir ravan (euklidski), beskonačnog obujma, koji se neprestano širi da bi se u beskonačnosti zaustavio.


Ove različite modele razdvaja fizički uvjet: gustoća mase. Model ravnog svemira je jedinstven i kozmolozi ga rabe kao mjeru pri usporedbi s drugim modelima. Za model ravnog svemira kažemo da ima 'kritičnu gustoću', što znači da je gustoća svemira točno takva da ga učini ravnim. Gustoću svemira mjerimo parametrom zvanim Ω (kojeg usto zovemo i parametrom zakrivljenosti). U ravnom svemiru je Ω=1, u otvorenom Ω<1, a u zatvorenom je Ω>1. Naš svemir se širi, što znači da mu gustoća postaje sve manja. To utječe na vrijednost Ω u bilo kojoj kozmičkoj epohi ali ne utječe na stranu s koje se Ω nalazi s obzirom na kritičnu razdjelnicu, tj. da li je Ω>1 ili Ω<1. To znači da ako je svemir bio dovoljno gust da iziđe zatvoren iz Velikog praska, tada će i ostati dovoljno gust da sačuva zatvorenost. A ako je započeo otvoren, tada će uvijek biti otvoren.


Kako god da je započeo, činjenica je da se svakim danom sve više udaljava od kritične vrijednosti, tj. omega se sve više udaljava od 1 ka naviše ili se pomiče prema nuli. Iako je vrlo teško izmjeriti gustoću cijelog svemira, znanstvenici ju pokušavaju procijeniti. Najprije izbroje sve galaktike u izabranom obujmu prostora te procijene masu zvijezda u njima. Potom, iz načina gibanja galaktika pod utjecajem gravitacije, procjenjuju koliko u svakoj vidljivoj galaktici ima 'tamne tvari' koja privlači svijetlu tvar. Zbrojivši sve to, dolazimo do spoznaje da ima dovoljno materije za postizanje 10 a možda i 30% kritične mase. Dakle, Ω iznosi najmanje 0.1, a možda i 0.3. No tijekom ovih 13.7 milijardi godina omega se sve više udaljavala od 1. Ako danas iznosi 0.1, znači da se u momentu Velikog praska razlikovala od 1 za samo jedan djelić od 1060. Znači, svemir je rođen ravan s točnošću od 1 u 1060, i ta ravnost u Prasku je najtočnije određeni znanstveni parametar.


Ipak, vrijednost omege (Ω) ne možemo uzimati sa sigurnošću intervaliziranom u [0.1, 0.3], jer ne znamo koliko zapravo imamo misteriozne 'tamne materije' u svemiru, koja bi povećala vrijednost tog parametra.


Sve do prije jedne decenije kozmolozima matematičarima bila je privlačna zamisao o svemiru koji prolazi kroz beskonačni ciklus rađanja, smrti i ponovnog rađanja. Uvjet za to je stvarna gustoća veća od kritične. Naime, ako je Ω>1 (zatvoreni svemir), širenje svemira jednom će se zaustaviti i potom se obrnuti, tako da će se sve u njemu početi približavati te će doći do 'Velikog stiska' (kojeg zovemo još 'točka omega'). Nakon toga svemir će se opet početi širiti i nastavljati tako u vječnost (oscilirajući svemir).


A u slučaju otvorenog svemira, materija bi se nakon 6∙1031 godina počela spontano raspadati jer protoni prema najnovijim fizikalnim teorijama nisu potpuno stabilni, nego se nakon 6∙1031 godina počinju spontano raspadati. (A to vrijeme od 6∙1031 godina je 4∙1021 veće od starosti svemira.)


Franjo Šarčević, 04/2009

Literatura i izvori

Nastavak narednog ponedjeljka.

Prethodno: Veliki prasak, 3. dio: Početak iz praatoma