Един от първите екзистенциални въпроси, които човекът е започнал да си задава, това е въпросът (ни повече, ни по-малко) за произхода на света. На фона на природните стихии, потопи, вулкани и земетресения, човекът е осъзнавал не само собствената си преходност, но и тази на природата и света като цяло. Стремежът към разбираем разказ за произхода и съдбата на света е дал израз на множество митологии, съпътстващи развитието на цивилизацията. Едно от първите подробни обяснения за сътворението и неминуемото унищожение на света идва от митологията на индуизма – една от най-древните религии.

Според ведическите текстове, източник на съзиданието на Вселената е Златно Яйце (Hiraṇyagarbha), от което произлиза всичко. По-нататък обаче съдбата на Вселената минава в ръцете на Шива, който танцувайки своя космически танц Тандава (Tandava) създава Вселената, мотивира я, и ще я унищожи, когато се износи, за да направи място за един нов свят. Този цикъл на създаване и унищожение, траещ около 4.3 млрд години, е заключен в един вечен кръговрат. Статуята на Шива, изобразяваща този космически танц, е пълна с много символика. В едната си ръка Шива държи барабан, под чийто ритъм създава, а в другата ръка – огъня, с който унищожава. Друг интересен детайл е демонът Апасмара  (Apasmāra), който Шива е настъпил. Той олицетворява невежеството и не може да бъде убит, защото това би значело да се наруши балансът. Убийството на този демон би значело знанието да се постига без усилие и посветеност, и би го девалвирало. Затова Шива смачква, но не убива невежеството във вечността.

Индуисткият разказ е интересен и важен не само със сравнително точната си оценка за възрастта на вселената, която в момента се оценява на около  13.8 милиарда години, но и с понятието за цикли на създаване и унищожение. Така например една от съвременните хипотези за еволюцията на Вселената след теорията за Големия взрив (Big Bang) (за това малко по-късно), е т.нар. теория за Големия отскок (Big Bounce)(1), където се разглежда идеята, че съдбата на вселената се състои от циклично редуване на избухване и свиване, което много напомня на индуисткия разказ. Емблематично е,  че в ЦЕРН стои именно статуята на Шива, играещ космическия си танц Тандава –  подарък от индийското правителство. Да се върнем обаче към развитието на  „разказа за сътворението“ от мита към науката.

 

Между 39ти и 40ти блок в ЦЕРН стои бронзова статуя на Шива - подарък от индийското правителство.

Между 39-ти и 40-ти блок в ЦЕРН стои бронзова статуя на Шива – подарък от индийското правителство.

 

През класическия период тезата на Аристотел за Вечната вселена ни отнема желания разказ за произхода ѝ. Макар и през следващите векове тази теза да е поставена под съмнение, само логическите аргументи се оказват недостатъчни, за да се дадат задоволителни отговори и най-вече разказ за това как е създаден светът.  В началото на 20-ти век обаче бурното развитие на физиката дава нови инструменти и прозрения, които кулминират в теорията за Големия взрив (Big Bang). Първоначално е установено, както с астрономични наблюдения, така и като следствие от общата теория на относителността, че вселената се разширява. Екстраполирайки назад във времето, се стига до извода, че в самото начало вселената е била събрана в една точка (сингулярност), в която е била концентрирана цялата ѝ енергия, и изглежда тази точка е дала началото на всичко. Теорията за Големия взрив представлява и сегашният научен консенсус за произхода и еволюцията на Вселената. Макар и като име, благодарение на попкултурата, тази теория да е известна на повечето хора, малцина знаят, че неин автор е белгийският католически свещеник Жорж Льометър. Той пръв изказва идеята за разширяващата се вселена, позовавайки се на общата теория на относителността, а по-късно полага основите на теорията за Големия взрив, която той нарича „хипотеза за първичния атом“ (1931). Едуин Хъбъл, на когото доскоро се приписваше авторството на тази теория, прави своите заключения няколко години по-късно, затова днес законът за разширяването на вселената е известен като закон на Хъбъл-Льометър. Макар и с резерви първоначално, тази теория постепенно се утвърждава и в момента представлява модерното научно разбиране за произхода на вселената.

Дали тази съвременна теория дава отговори на екзистенциалните въпроси, които ни вълнуват? Как е създадена Вселената, как са протекли събитията, какво е причинило това първоначално избухване на сингулярността? До голяма степен тази теория задава един разказ, който е подкрепен не само от логиката, но и от установените научни факти. Но нека да погледнем по-специално следния въпрос: кое е първото – вселената или физическите взаимодействия? На пръв поглед интуицията ни казва, че взаимодействията сякаш трябва да предшестват появата на вселената, но дали това е така? Този въпрос много напомня на парадокса на Аристотел –  кое е първото, яйцето или кокошката? Макар и по този парадокс да е писано много и да има различни интерпретации, сега си струва да направим малко отклонение и да се опитаме да навлезем по-дълбоко в него. Това може би ще ни помогне за разбирането на по-големия въпрос. И така, ако разглеждаме яйцето и кокошката назад във времето, което е най-простият начин да установим кое е първото, ще проследим еволюцията  наобратно. Ще видим кокошката да деволюирала до динозавър, но ще видим също, че продължава и поредицата – яйце-динозавър. Връщайки се  още по-назад във времето, ние може да достигнем до най-първичната форма на живот – едноклетъчното. Там вече първоначалните предпоставки яйце-кокошка или яйце-динозавър се губят, защото от една клетка чрез делене се получават две идентични и симетрични клетки. Тук ни е трудно да определим кое точно е родителят и кое детето, към коя да проектираме кокошката и към коя – яйцето. Виждаме, че в търсенето  на отговор ние достигаме до ситуация, в която първоначалните понятия „яйце“ и „кокошка“ губят смисъл и не могат да бъдат дефинирани . Това, което е все още останало със смисъл, е само организмът (клетката) и размножаването. А яйцето и кокошката ще се появят много по-късно в еволюцията. Поуката е, че много често, когато търсим първопричината, понятията на които почива въпросът ни, губят своя смисъл. Въпреки това си струва да продължим да търсим отговора, следвайки духа на въпроса, защото това ни помага по-правилно да предефинираме изначалния си въпрос. Подобно нещо е и взаимовръзката между  физичните взаимодействия и вселената. И така, да се върнем отново към този въпрос: кое е първото –  вселената или физичните взаимодействия?

Нека първо си припомним, че фундаменталните взаимодействия, които сега ръководят вселената, са четири. Това са гравитационното и електромагнитното взаимодействие, които могат да се забележат и във всекидневния ни живот, а другите две са силното и слабото ядрено взаимодействие, които се осъществяват в микроскопичния свят на атомите и елементарните частици. Въпреки че сега това са отделни и независими взаимодействия, при високите температури и енергии на ранната вселена, те са били обединени в едно общо взаимодействие.

Еволюцията на вселената след Големия взрив се разглежда на няколко етапа (епохи). И макар че тези епохи са траели едва трилионна част от секундата, по тяхно време са се случили много повече неща (от физична гледна точка), отколкото през последвалите ги милиарди години. По време на тези епохи от Първичното обединено взаимодействие, първо като автономна сила се е обособила гравитацията, а малко по-късно това се е случило и с останалите фундаментални сили. Особеното на това разделяне на фундаменталните взаимодействия е, че то е станало спонтанно, при нарушаване на симетрията (symmetry breaking) вследствие на охлаждането на вселената.

Но какво значи нарушаване на симетрията? – с основание ще попитате.

Ами да вземем примера със заледяването на водата. Когато водата е течна, водните молекули могат да имат произволни ориентации в пространството, и всички те са еднакво вероятни,  т.е. в този случай казваме, че системата „Вода“ е пространствено симетрична. Когато обаче, поради намаляване на температурата, водата кристализира в лед, тогава водните молекули се фиксират в точно определени ориентации и застиват така завинаги (или поне докато ледът се разтопи). При този фазов преход от течно в твърдо състояние казваме, че системата нарушава симетрията си(2), защото произволните ориентации на водните молекули вече са невъзможни. Системата „Вода“ спонтанно избира една от безброй многото възможни ориентации за молекулите си, нарушавайки симетрията си, и се превръща в лед. Свидетелство за тези безброй много възможности са уникалните и неизброими форми, които могат да имат снежинките през зимата.

 

Различни по форма снежинки под микроскоп снимка National Oceanic and Atmospheric Administration. www.noaa.gov

 Различни по форма снежинки под микроскоп. Снимка National Oceanic and Atmospheric Administration.

 

Аналогичен, макар и по-сложен, е механизмът, по който спонтанно са „кристализирали“ фундаменталните взаимодействия при съответните етапи на нарушаване на симетрията, когато младата вселена се е охлаждала. Интересното на това спонтанно обособяване на фундаменталните сили е, че ако можеше да повторим Големия взрив, то тези взаимодействия биха кристализирали в съвсем различен вид, подобно на снежинките – фундаменталните взаимодействия биха се спрели на други параметри и макар общият им (аналитичен) вид да се запази, тяхното проявление би изглеждало по съвсем различен начин. За допълнителна илюстрация можем да си представим, че това е като при правилата на някаква игра с топка. И ако в сегашния ни свят тези правила са като при футбола, то при едно преповтаряне на сътворението, вселенската игра можеше да се подчинява на правилата на  баскетбола, на  волейбола, на  хандбала или дори на тениса. От първичното обединено взаимодействие е ясно само, че предстоящата игра ще бъде с топка, ще има два отбора играещи в правоъгълно игрище и те ще си отбелязват точки. Конкретният брой на играчите, размерите на игрището, времетраенето на един мач, полето за отбелязване на точки и т.н. са параметри, които спонтанно се конкретизират по време на етапите на нарушаване на симетрията. Обаче именно тези параметри определят крайния вид на Вселенската игра –  дали ще е футбол, баскетбол или тенис.

Излиза, че Вселенската игра не се подчинява на сценарий, а е по-скоро импровизация. Излиза, че фундаменталните взаимодействия всъщност не са толкова фундаментални. Подобно на проблема с яйцето и кокошката, ако се върнем достатъчно назад, тези понятия губят смисъла си. Но остава ли все пак нещо фундаментално? Да, остава симетрията. Симетрията е качество на реалността, което ние приемаме за даденост и често не осъзнаваме, но при строгия математически формализъм това не е така. Самото наличие на симетричност води след себе си до куп други изводи, които не са толкова тривиални.

Оказва се, че симетрията играе много важна роля във физиката и заради един друг резултат. През 1915г. Еми Ньотер доказва математически, че пространствената и времевата симетрия в една система водят до съответните закони за запазване. Например това, че уравнението за движение на едно тяло не се променя с времето (или казано формално: е симетрично при времеви трансформации) води до закона за запазване на енергията. Или пък това, че уравнението за движение не се променя с положението или въртенето на тялото (симетрично при пространствени и ъглови трансформации), води до закони за запазване на импулса и респективно на момента на импулса . Законите за запазване, за чието постулиране допринасят Декарт, Ломоносов и др., първоначално са били само емпирично доказани. Няколко века това експериментално потвърждение е било достатъчно, за да се приемат за истина. Обаче доказателството на Еми Ньотер, че те са следствие от симетрията, не само циментира тяхната верност. Ньотер извежда математически класическите закони за запазване на енергията, момента и ъгловия момент (както и много други) от симетричността на времето и пространството. Нейната теорема показва връзката на физическите принципи с това качество на реалността, което е симетрията, превръщайки се в един от най-важните математически резултати, определили развитието на физиката. Тази формулировка за връзката между симетрията и законите за запазване често бива наричана „най-красивата идея във физиката“. Сега можем да зададем  един последен въпрос: какво би представлявал светът без симетрия? Отговорът, който можем  да дадем, е, че при липса на симетрия, светът сигурно би бил хаотичен и грозен (по сегашните ни разбирания) и най-вече неустойчив и малотраен (слава Богу!).

 

 


(1) Bounce, за разлика от jump, има смисъл на повторяемо подскачане. На български теорията се превежда с „отскок“ (по руски образец), но не съдържа тази подробност за повторяемост. Есенцията на теорията е, че се повтарят етапите на взрив и колапс.
(2) Във вода всяка ориентация на молекулата е възможна (има безброй много ориентации в тези 360 градуса), докато в лед ориентацията на молекулата е единствена (избира се конкретен градус как да се ориентира една молекула в пространството). Снежинките (както повечето кристали) наистина също са симетрични, но това е друг тип симетрия (дискретна); първоначалната непрекъсната симетрия е загубена. Идеята е, че водата не замръзва винаги в една и съща форма (да речем кубче лед), и тази спонтанност и непредвидимост се илюстрира от различните форми на снежинките.