U fizici se povremeno dogodi da ideja koju su znanstvenici davno proglasili mrtvom iznenada dobije novi život. Upravo se to dogodilo s jednom hipotezom iz 19. stoljeća, kada je škotski fizičar Lord Kelvin zamišljao atome kao sitne čvorove u beskonačnom „etera“. Ta se slika ubrzo raspala pod naletom moderne atomistike – no danas, gotovo stoljeće i pol kasnije, matematička ideja čvorova vraća se na pozornicu u sasvim drugačijem kontekstu: kao mogući ključ za odgovor na pitanje zašto uopće postoji svemir kakav poznajemo.
Novi teorijski rad tima japanskih fizičara pokazuje da se u ranom svemiru mogu prirodno stvoriti „kozmički čvorovi“ – egzotične, topološki zaštićene strukture u poljima koja opisuju čestice i sile. Ti bi čvorovi, ako su doista postojali, mogli objasniti zašto je nakon Velikog praska ostao mali višak obične materije u odnosu na antimateriju. Bez tog mikroskopskog viška, svemir bi danas bio ispunjen samo zračenjem, a ne galaksijama, zvijezdama i nama samima.
Studija je objavljena u prestižnom časopisu Physical Review Letters te dolazi iz međunarodnog istraživačkog okruženja okupljenog oko Sveučilišta u Hirošimi. Fizičari u tom radu povezuju nekoliko najvećih zagonetki moderne kozmologije – podrijetlo viška materije, tamnu tvar, mase neutrino čestica i tzv. strong CP problem – u jedan zajednički okvir temeljen na ideji čvorova u poljima.
Lord Kelvin, eter i čvorovi: od promašene slike atoma do moderne kozmologije
Kada je Lord Kelvin 1867. predložio da su atomi zapravo stabilni čvorovi u hipotetskom eteru, fizika nije poznavala elektron, proton ni kvantnu mehaniku. Utočište je tražila u kontinuiranim medijima i geometrijskim slikama. Kako su eksperimenti početkom 20. stoljeća pokazali da eter ne postoji, a atomska se struktura svodila na jezgre i elektrone, Kelvina su svi brzo citirali kao primjer lijepog, ali pogrešnog koncepta.
Ipak, sama matematička teorija čvorova – način na koji se zatvorene petlje mogu zaplesti, ispreplesti i deformirati bez kidanja – nastavila se razvijati u čistoj matematici i kasnije u fizici kondenzirane tvari, pa i u opisima polja u čestičnoj fizici. U topologiji, grani matematike koja proučava svojstva koja ne nestaju kada objekt rastežemo ili uvijamo, čvorovi predstavljaju posebno stabilne konfiguracije: da biste ih razvezali, morate presjeći nit.
U novom radu japanskog tima ta se stara topološka ideja ne vraća u obliku čvorastih atoma, nego kao čvorovi u nevidljivim poljima koja prožimaju svemir nakon Velikog praska. Ti čvorovi nisu objekti koje bismo ikada mogli „vidjeti“ teleskopom kao uže ili kabel, već apstraktne konfiguracije u jednadžbama koje opisuju temeljne sile i čestice. No njihova bi prisutnost mogla ostaviti vrlo stvarne tragove u strukturi svemira.
Problem nestale antimaterije i baryogeneza
Prema standardnom scenariju Velikog praska, svemir je na samom početku trebao stvoriti gotovo jednake količine materije i antimaterije. Svaka čestica ima svoj antimaterijski par – elektron svoj pozitron, proton svoj antiproton. Kada se susretnu, međusobno se poništavaju i pretvaraju u čisto zračenje. Ako je početni omjer doista bio jedan prema jedan, prirodno je očekivati da bi nakon kratkog vremena sav sadržaj svemira nestao u bljesku gama-zraka.
Umjesto toga, opažanja pokazuju da je vidljivi svemir gotovo u potpunosti izgrađen od materije, dok je antimaterija ekstremno rijetka. Teorijski proračuni govore da je na svakih milijardu parova čestica i antičestica preživio samo jedan „suvišni“ komad materije. Upravo taj minijaturni višak omogućio je nastanak atoma, zvijezda, galaksija i života. Proces koji je proizveo taj višak zovemo baryogeneza, ali njegov točan mehanizam ostaje jedno od najdubljih otvorenih pitanja kozmologije.
Standardni model čestične fizike – teorijski okvir koji briljantno opisuje gotovo sve poznate čestice i sile, osim gravitacije – ne uspijeva objasniti tako veliku asimetriju između materije i antimaterije. Potrebni su dodatni sastojci, nove simetrije i čestice koje izlaze izvan onoga što je već otkriveno u akceleratorskim eksperimentima. Novi model kozmičkih čvorova upravo se tu pokušava uklopiti, nudeći prirodan način da se stvori višak materije bez uvođenja prevelikog broja ad hoc elemenata.
Tim iz Hirošime i institut za „čvorna“ stanja materije
Istraživanje potpisuju fizičari okupljeni oko Međunarodnog instituta za održivost s isprepletenom kiralnom meta-materijom (WPI-SKCM²) pri Sveučilištu u Hirošimi, zajedno sa suradnicima s Keio sveučilišta u Japanu i njemačkog laboratorija Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Riječ je o interdisciplinarnom centru koji se bavi pojavama gdje „čvorovi“ i srodne topološke strukture igraju ulogu u različitim područjima – od nove generacije materijala do fundamentalne fizike.
Autori studije kombiniraju znanje iz teorijske fizike čestica, kozmologije i matematičke topologije. U radu pokazuju da se u realističnom proširenju Standardnog modela, kakvo se inače proučava zbog neutrino masa i tamne tvari, spontano stvaraju topološki čvorovi u poljima. Ti čvorovi, koje nazivaju knot solitoni, nisu tek egzotična matematička zanimljivost, nego mogu odigrati ključnu ulogu u baryogenezi.
Dvije stare simetrije u novoj kombinaciji: B–L i Peccei–Quinn
Srce novog modela čine dvije simetrije koje fizičari proučavaju već desetljećima, ali ih nitko do sada nije sustavno spojio u jedinstveni scenarij za rani svemir. Prva je tzv. B–L simetrija, koja se odnosi na razliku između broja bariona (čestica poput protona i neutrona) i leptona (poput elektrona i neutrino čestica). U ovoj teoriji B–L nije samo praktična računovodstvena veličina nego gauge simetrija, što znači da zahtijeva novu silu s pripadajućim „nosačima“ interakcije.
Druga ključna komponenta je Peccei–Quinn (PQ) simetrija, uvedena kako bi se riješio tzv. strong CP problem. Taj problem proizlazi iz činjenice da je teorija jake nuklearne sile u načelu trebala dopuštati malu povredu simetrije između materije i antimaterije, ali eksperimenti već desetljećima ne pronalaze takav efekt u svojstvima neutrona. Peccei–Quinn simetrija elegantno uklanja taj neželjeni termin, a kao nusprodukt uvodi novu hipotetsku česticu – akson – jednog od glavnih kandidata za tamnu tvar.
Već sama činjenica da PQ simetrija rješava strong CP problem i daje kandidata za tamnu tvar čini je izrazito privlačnom. No autori novog rada odlučili su je „spariti“ s B–L simetrijom. Pri tom pažljivo biraju da PQ ostane globalna simetrija (odnosno ne postaje nova sila), kako bi se sačuvala fina ravnoteža potrebna da akson zadrži željena svojstva. B–L se, s druge strane, uvodi kao lokalna (gauge) simetrija, što prirodno dovodi do postojanja teških desnorukih neutrina – čestica koje se ionako nameću u većini scenarija baryogeneze.
Od kozmičkih struna do čvorova u polju
U vrlo ranom svemiru, neposredno nakon Velikog praska, temperature su bile toliko visoke da su se sile i čestice ponašale drugačije nego danas. Kako se svemir širio i hladio, prolazio je kroz niz faznih prijelaza – naglih promjena u stanju polja, sličnih smrzavanju vode u led, ali na razini temeljnih sila. Te fazne tranzicije mogle su ostaviti „ožiljke“ u strukturi prostora, poznate kao topološki defekti.
Jedan tip takvih defekata su kozmičke strune – izuzetno tanke, ali masivne „pukotine“ u poljima, koje se protežu kroz svemir poput napetih niti. Iako su još uvijek hipotetske, kozmičke strune se često pojavljuju u teorijama velikog ujedinjenja i drugih proširenja Standardnog modela. U novom radu, lom B–L simetrije stvara magnetske cijevne strune, dok PQ simetrija rađa vrtložne strukture nalik superfluidnim vrtlozima.
Ključna ideja je da se te dvije vrste defekata mogu međusobno „zaključati“ u stabilniju konfiguraciju. B–L struna nosi magnetski tok, dok PQ vrtlog nema vlastiti tok, ali preko takozvane Chern–Simons spregnutosti može „pumpati“ naboj u magnetsku cijev. Na taj se način napetost koja bi inače razrezala prsten strune izbalansira dodatnom energijom povezane strukture, pa cijela kombinacija postaje metastabilni čvor – topološki soliton koji se ne može jednostavno razvući u ravnu konfiguraciju.
Takvi čvorovi nisu samo matematički crtež na ploči. Njihova masa i energija mogu biti ogromne na ranosvemirskoj skali, a zbog topološke zaštite mogu živjeti dovoljno dugo da utječu na dinamiku širenja svemira. Upravo ta dugovječnost otvara prostor za scenarij u kojem čvorovi preuzimaju privremenu dominaciju nad ukupnom energetskom gustoćom svemira.
„Knot-dominated era“ – razdoblje u kojem čvorovi vladaju svemirom
Autori uvode pojam „knot-dominated era“, kratkog razdoblja nakon Velikog praska tijekom kojeg energija pohranjena u čvorovima nadmašuje energiju zračenja i obične materije. Dok se fotoni razrjeđuju i gube energiju kako svemir raste, čvorovi se ponašaju više poput hladne materije: njihova gustoća pada sporije, pa mogu postati dominantna komponenta ukupnog energetskog budžeta.
No ta dominacija ne traje zauvijek. Iako su topološki zaštićeni, čvorovi se mogu raspasti putem kvantnog tuneliranja – procesa u kojem sustav prelazi preko energetske barijere koja bi mu klasično bila nedostupna. Kroz tuneliranje se čvor može „razvezati“ i svoju energiju izbaciti u obliku čestica. U ovom modelu upravo taj kolaps pokreće lanac događaja koji stvara višak materije.
Kada se čvor raspadne, oslobađa veliki broj teških desnorukih neutrina, skalara i novih bozona povezanih s B–L simetrijom. Ti teški neutrini zatim se raspadaju na lakše čestice uz blagu pristranost u korist materije u odnosu na antimateriju. Taj mali, ali sustavni „nagib“ dovoljan je da se stvori početna asimetrija. U sljedećem koraku, poznati elektroslabi procesi u vrućem svemiru pretvaraju tu asimetriju u trajni višak bariona – protona i neutrona od kojih smo izgrađeni.
Računajući koliko su učinkoviti čvorovi u stvaranju tih teških neutrina, koju masu te čestice imaju i kako zagrijavaju svemir prilikom raspada, autori pokazuju da model prirodno dovodi do temperature tzv. ponovnog zagrijavanja od oko 100 gigaelektronvolti (GeV). Zanimljivo je da se upravo oko te energetske skale zatvara prozor za procese koji mogu pretvarati leptonsku asimetriju u barionsku. Drugim riječima, model „pogađa“ fizički smislen trenutak u povijesti svemira kada se asimetrija morala učvrstiti ako je htjela preživjeti do danas.
Potencijalni gravito-valni potpis čvorova
Jedna od najvećih prednosti modela kozmičkih čvorova jest to što nudi konkretan, fizički mjerljiv trag koji bi budući eksperimenti mogli potražiti: pozadinu gravitacijskih valova. Čvorovi i mreže struna koje ih tvore očekivano će tijekom svog života emitirati gravitacijske valove – valove u samoj strukturi prostor-vremena – svaki put kada se zapletene niti trznu, spoje ili raspadnu.
Takav signal ne bi izgledao kao kratki bljesak kakav detektori danas povremeno zabilježe pri sudarima crnih rupa. Umjesto toga, radilo bi se o kontinuiranoj „zvukovnoj pozadini“ – šumu gravitacijskih valova različitih frekvencija, čiji bi se spektar mogao razlikovati od drugih teorijskih modela ranog svemira. Prema računu autora, dominacija čvorova i njihov raspad mogli bi pomaknuti gravitacijski spektar prema višim frekvencijama, u područje gdje će buduće misije imati najbolju osjetljivost.
Europska svemirska agencija planira misiju LISA (Laser Interferometer Space Antenna), svemirski interferometar osjetljiv na gravitacijske valove srednjih frekvencija, dok su u SAD-u i Japanu u pripremi projekti Cosmic Explorer i DECIGO. Ako ovi detektori u idućim desetljećima zabilježe pozadinu gravitacijskih valova koja odgovara predviđenom „potpisu“ čvorova, to bi bio snažan – iako ne nužno konačan – argument u korist ovog scenarija.
Dodatna prednost jest da model ne stoji sam za sebe: isti okvir predviđa akson kao kandidata za tamnu tvar i teške desnoruke nutrine koji sudjeluju u nastanku viška materije. Aksonsko i neutrinsko istraživanje već su zasebna eksperimentalna polja. Ako se u laboratorijima i kozmičkim promatranjima paralelno pojave tragovi aksona, specifičnih svojstava neutrino čestica i odgovarajuće gravitacijske pozadine, mozaik bi se mogao posložiti u koherentnu sliku.
Što nova teorija znači za našu sliku svemira
Važno je naglasiti da je riječ o čisto teorijskom modelu. Nitko još nije „vidio“ kozmički čvor, niti postoji eksperiment koji bi ga mogao izravno snimiti. Istraživači rade s jednadžbama polja, simetrijama i topološkim argumentima, gradeći scenarij koji je matematički dosljedan i u skladu s poznatim fizičkim ograničenjima. Njihov rad pokazuje da takvi čvorovi nisu zabranjeni postojećim znanjem te da mogu nastati na prirodan način u okviru realističnog proširenja Standardnog modela.
Za fiziku čestica, scenarij je zanimljiv jer spaja više problema u jedan paket umjesto da uvodi odvojeno rješenje za svaki. B–L simetrija uvodi teške neutrino čestice koje su ionako potrebne da bi se objasnile mase običnih neutrina. Peccei–Quinn simetrija rješava strong CP problem i otvara vrata aksonu kao kandidatu za tamnu tvar. Kozmički čvorovi nastaju kao posljedica istih tih simetrija i pritom zbrinjavaju baryogenezu, odnosno višak materije. To daje teoriji dozu „ekonomičnosti“ koju fizičari cijene.
Za kozmologiju, model predstavlja još jednu moguću priču o tome što se događalo u prvih djelićima sekunde nakon Velikog praska. U posljednjih nekoliko desetljeća predloženi su deseci različitih mehanizama baryogeneze, od leptogeneze preko faznih prijelaza do egzotičnih čestica kratkog vijeka. Mnogi od njih teško su testabilni, upravo zato što se odvijaju na energijama i vremenima koja ne možemo izravno dosegnuti. Kozmički čvorovi izdvajaju se po tome što bi njihov „odjek“ u gravitacijskim valovima mogao biti dohvatljiv budućim promatranjima.
Naravno, isto gravitacijsko pozadinsko „pjevanje“ mogao bi objasniti i neki drugi model – primjerice mreža običnih kozmičkih struna nastalih pri velikom ujedinjenju ili drugi egzotični procesi u ranom svemiru. Čak i ako buduća opažanja pokažu signal, bit će potreban čitav niz dodatnih testova i usporedbi kako bi se suzio prostor mogućih objašnjenja. No činjenica da je nova teorija uopće falsificabilna, odnosno da nudi jasne predikcije, čini je ozbiljnim kandidatom u igri.
Autori rada naglašavaju da je sljedeći korak preciznije modeliranje formiranja i raspada čvorova, kao i detaljna simulacija njihove gravitacijsko-valne „partiture“. Potrebno je istražiti za koje vrijednosti parametara – masa čestica, jakosti sprega i vremena faznih prijelaza – čvorovi nastaju dovoljno često i žive dovoljno dugo da bi doista imali opažljiv učinak. Tek tada će se moći usporedno analizirati što se očekuje od budućih detektora i drugih eksperimenata.
Topologija kao nit koja povezuje mikro i makro svemir
Možda je najzanimljiviji filozofski aspekt ove priče to što ponovno naglašava moć topologije u razumijevanju prirode. Kelvin je u 19. stoljeću intuitivno sumnjao da bi čvorovi mogli igrati ulogu u strukturi materije, iako nije imao pravi matematički ni eksperimentalni alat da to dokaže. Danas, kada fizika polja i numeričke simulacije omogućuju opis izuzetno složenih konfiguracija, stara ideja dobiva novu, puno sofisticiraniju formu.
Čvorovi u polju – topološki solitoni – pojavljuju se u različitim granama fizike, primjerice u magnetskim materijalima, superfluidima i kvantnim tekućinama. Ako se potvrdi da su slične strukture igrale ulogu i u ranoj kozmologiji, to bi značilo da ista matematička načela povezuju fenomenologiju na potpuno različitim skalama: od laboratorijskih uzoraka materijala do cijelog svemira. Takva „univerzalnost“ topoloških ideja jedan je od razloga zašto se u njih sve više ulaže znanstvene pažnje.
Za sada, kozmički čvorovi ostaju elegantan, ali još nedokazan scenarij. No već i sama mogućnost da se problem „nestale“ antimaterije može riješiti recikliranjem jedne od najneobičnijih ideja 19. stoljeća podsjeća koliko je znanost ponekad nelinearna. Ideje koje se jednoga dana čine zauvijek napuštenima mogu se, u sasvim drugačijem kontekstu i s mnogo bogatijim aparatima, vratiti kao ozbiljni kandidati za objašnjenje najdubljih zagonetki svemira.
Kreirano: nedjelja, 07. prosinca, 2025.
Pronađite smještaj u blizini