петак, 10. јануар 2014.

Svemir ni iz čega





Jedan prilog za ateiste.

Da li svemir nama izgleda ravan, dok se zapravo temelji na escherovskoj geometriji, ili je stvarno ravan? Da li  jedan i jedinstven, ili postoji 10 na 500 različitih svemira, od kojih svaki ima svoje prirodne zakone. Da li ga je stvorio Bog, ili je nastao iz nečega ili iz ništa ?  Uprkos napretku u saznanju  daleko smo od konačnog odgovora na mnoga pitanja o svemiru.

Stephen Hawking i Leonard Mlodinow, autori knjige od 200 stranica, “The Grand Design”, misle da je svemir ravan, da za postanak svemira nije bio potreban Bog . Svemir je mogao da nastane sam od sebe. Da bi se shvatilo šta se zapravo dogodilo, pišu Hawking i Mlodinow, mora se odustati od mnogih klasičnih postavki:  klasičnog poimanja gravitacije, klasične definicije - vremena, brzine (ograničenje brzine, čini se, ne odnosi se na širenje svemira”, pišu Hawking i Mlodinow).

 Evo još jednog priloga autora koji zastupa teoriju  nastanka svemira " ni iz čega". Oni  koji imaju dovoljno znanja fizike i engleskog neka pogledaju originalni snimak predavanja od oko sat vremena koji se nalazi na kraju teksta .


U pitanju je ugledni američki fizičar Lawrence Krauss, autor brojnih popularnih knjiga o fizici, među kojima je i 'Fizika zvezdanih staza'.  2010.god.  na konferenciji Međunarodnog saveza ateista (AAI - Atheist Alliance International) u Los Angelesu on je održao  izuzetno zanimljivo predavanje o tome kako je svemir, iako vrlo 'fino podešen' za naše postojanje i život uopšte, zapravo nastao 'ni iz čega i bez ičije pomoći'.

Na početku  predavanja, Krauss ističe da je naučna priča o stvaranju svemira i svega što postoji uistinu fascinantna, zapravo puno fascinantnija od onih koje smo navikli čuti u verskim školama.

'Tu je ključna reč misterija. Ono što nauku čini tako posebnom je da naučnici vole misterije, vole nepoznanice. To je suština nauke, uzbuđenje učenja o svemiru... toliko različito od sterilnog aspekta religije u kojem, čini se, uzbuđenje stvara osećaj znanja o svemu iako je očito da u tome nema nikakvog pravog znanja', kaže Krauss započinjući priču o razvoju svemira, ali i nauci koja ga istražuje vekovima.

Problemi s modelom svemira

Slika svemira u poslednje se vreme dramatično promenila i postalo je jasno da zvezde i galaksije nisu toliko važne koliko ono što ne vidimo, ističe fizičar. Einstein je 1916. godine razvio svoju teoriju relativnosti koja je otkrila da se svemir može širiti i skupljati, da je dinamičan. Međutim, ta se teorija nije podudarala s ondašnjim promatranjima fizičara prema kojima je svemir statičan i večan, što im je, naravno, smetalo.

Kako bi prilagodio svoju teoriju statičnom modelu i poništio gravitacijske privlačnosti među telima u njemu koje bi ga urušile, Einstein je u svoju jednačinu o zakrivljenosti svemira (zakrivljenost = energija, odnosno moment) dodao malenu silu koja će imati delovanje suprotno gravitaciji, tzv. kosmološku konstantu (zakrivljenost – kosmološka konstanta = energija).

Supernova - eksplozija umiruće zvezde
 
Ona je bila tako malena da je ne bi bilo moguće izmeriti u Sunčevom sistemu te na tom nivou ne bi uticala na rezultate Newtonovih zakona mehanike, ali bi u znatno većim delovima svemira dobijala na značaju i držala galaksije na udaljenosti uprkos sili gravitacije.

 Međutim, nedugo nakon toga Einstein je sam odbacio kosmološku konstantu kao svoju veliku pogrešku i kao rešenje predstavio mogućnost da svemir uopšte nije statičan, shvativši da svemiru koji se širi za opstanak ne bi trebala kosmološka konstanta jer bi gravitacija samo usporavala njegovu ekspanziju. Nakon toga ključno pitanje kosmologije 20. veka postalo je - koliko se svemir brzo širi – dovoljno brzo da se nikada ne zaustavi ili dovoljno sporo da stane i potom se počne sakupljati.

'To je pitanje bilo glavni razlog zbog kog sam se ja kao fizičar čestica počeo baviti kosmologijom. Hteo sam prvi saznati kakav nas kraj čeka', objasnio je Krauss.

Svemir se širi, i to - brzo

Model svemira koji ekspandira potvrdila su krajem 1930-ih promatranja američkog astronoma Edwina Hubblea. On je, naime, uočio tzv. crveni pomak u spektru udaljenih zvezda koji je bio veći što su one bile udaljenije od nas. Taj efekt crvenog pomaka poznat je svima onima koji su čuli kako se visina zvuka zvona ili sirene nekog vatrogasnog vozila ili voza menja kada oni prolaze pored nas – kada nam se približavaju, zvuk je viši, a kada se udaljavaju, niži. Isti efekt vredi i za elektromagnetske valove, odnosno svetlost, pa se tako u spektru beleži plavi pomak – pomak prema višim frekvencijama kada nam se izvor svetla približava, odnosno crveni pomak – prema nižim frekvencijama kada se izvor udaljava.

Na osnovu svojih merenja Hubble je definisao zakon (v = H0D) prema kom je brzina udaljavanja - v - nekog objekta od nas (i time veličina crvenog pomaka) proporcionalna njegovoj udaljenosti od nas - D. To je jasno kada se shvati da se svemir širi posvuda, odnosno da se sve tačke u njemu međusobno udaljavaju. Njihovo uzajamno udaljavanje na nekoj će se razdaljini zbrajati, pa će brzina udaljavanja biti veća što je ta udaljenost veća (ako se svaki milimetar raširi u dva, onda će se jedan metar razvući u dva, a dva u četiri itd.).

Udaljenost među zvezdama

Krauss, međutim, ističe da je Hubble u svoje vreme imao problema s preciznim merenjem udaljenosti zvezda, tako da njegovi izračuni starosti svemira nisu odgovarali poznatim naučnim činjenicama – ispalo je, naime, da je svemir mlađi od Zemlje.

NASA
Eksplozija supernove u galaksiji NGC 4526
 
No nakon što su astronomi shvatili da se kao 'standardne sveće' (jedinice snage sjaja) mogu koristiti prilično postojane jačine sjaja eksplozija određenih zvezda - supernova - odnosno jačina prividnog sjaja njihovih eksplozija koju registrujemo na Zemlji (snaga svetla pada s udaljenosti te ono do nas sa zvezde stiže oslabljeno proporcionalno kvadratu razdaljine), Hubbleovi su proračuni postali mnogo precizniji. Dakle, imali smo očekivanu snagu sjaja eksplozije supernove i jačinu prividnog sjaja na Zemlji koja se smanjila zbog udaljenosti – mogli smo precizno izračunati udaljenost te zvezde.

'Iako se eksplozije zvezda događaju retko, svemir je tako veliko mesto s tolikim mnoštvom galaksija da se na jednom malenom delu neba veličine novčića u samo jednoj noći može videti desetak eksplozija supernova. Svemir je toliko golem i star da se u njemu retke stvari događaju stalno, uključujući i život', kaže Krauss.

Govoreći o supernovama, on radi malu digresiju i ističe da su naša tela sazdana od atoma – ugljika, kisika, dušika i drugih elemenata bitnih za evoluciju - koji su nastali upravo u tim umirućim zvezdama. 'Neki atomi vaše leve ruke potiču s jedne zvezde, a neki iz vaše desne ruke s neke druge zvezde... To je najpoetičnija stvar koju znam u fizici, da smo svi mi svemirska prašina. I zato zaboravite Isusa, zvezde su umrle da bismo mi mogli živeti', kaže Krauss.

Zahvaljujući ranije spomenutim preciznim merenjima udaljenosti zvezda i na temelju Hubbleova zakona, konačno je pouzdano utvrđena i starost svemira – odnosno trenutak u kom se dogodio Veliki prasak – pre 13,72 milijarde godina. 'Zapanjujuće je da danas to možemo reći precizno i sa sigurnošću, uz potporu naučnih činjenica', kaže Krauss.

U kakvom svemiru živimo?

U nastavku predavanja ponovno se vraća Einsteinovoj jednačini o zakrivljenosti svemira i kosmološkoj konstanti koje se genijalni fizičar hteo rešiti.

 'Problem je što se te konstante ne možemo tako lako rešiti', kaže Krauss i objašnjava da se ona u toj jednačini (zakrivljenost – kosmološka konstanta = energija), kada se prebaci sa leve na desnu stranu jednačine, od geometrijske veličine menja u doprinos energiji, odnosno momentu svemira (zakrivljenost = energija + kosmološka konstanta). A energiju čega ona predstavlja?

'Ničega. Kada kažem ničega, mislim doslovno ničega. Ako uzmete prazan prostor i ispraznite sve iz njega, sve čestice i zračenje, ako to ništa ima neku težinu, onda ona doprinosi ovoj jednačini', kaže Krauss najavljujući tumačenje tamne energije.

Ništa u kvantnoj fizici nije ništa


'U današnjoj fizici, zbog kvantne mehanike i teorije relativnosti na subatomskim nivoima, ništa više nije ništa. To 'ništa' je kipuća supa virtuelnih čestica koje se javljaju i nestaju u tako kratkom vremenu da ih ne možemo zabeležiti... Direktno ih ne možemo izmeriti , ali možemo indirektno', kaže Krauss i potom predstavlja  animaciju – simulaciju koja  pokazuje kako tzv. prazan prostor unutar protona uopšte ne izgleda prazno, već kao masa koja kipti. Danas znamo da najveći deo mase protona - oko 90 posto - zapravo dolazi upravo iz tog praznog prostora. Drugim rečima, 90 posto mase našeg tela i svega što nas okružuje dolazi iz tog praznog prostora. Međutim, kada na osnovu te spoznaje pokušamo izračunati masu svega u svemiru, ispada da je ona neshvatljivo mnogo puta veća nego sva poznata masa i energija u svemiru, što je dosad najgore predviđanje u fizici. Kada bi to bilo istina, nas više ne bi bilo. Naučnici  stoga to nisu ni spominjali. Zapravo su znali da je ispravan odgovor nula... Znali su i da bi ta nula trebala nastati iz neke simetrije koja bi poništila ovaj golemi broj. No trebalo im je vremena da to otkriju i dokažu empirijski', ističe Krauss.

Trebalo je, dakle, izvagati celi svemir. U tom kontekstu trebalo je otkriti u koji od tri moguća modela svemira – otvoreni, zatvoreni i ravan - pripada ovaj u kojem živimo. Otvoreni bi se širio zauvek, zatvoreni bi se širio, polako zaustavio i potom skupio u početnu tačku, dok bi se ravan svemir širio sve sporije i sporije, gotovo do točke potpunog mirovanja.

Kako bi izmerili gustoću svemira, naučnici su pokušali izmeriti masu nakupine galaksija pomoću efekta gravitacijske leće. Naime, još je Einstein 1937. predvideo da će (velika) masa iskriviti prostor na takav način da će svetlo putovati kroz njega kao kroz leću. Što je masa veća, to je zakrivljenje prostora, odnosno 'dioptrija' gravitacijske leće veća. Gravitacija nakupine galaksija zakrivljuje svetlo udaljenijih galaksija koje se nalaze iza nje i povećava ih poput leća. Danas znamo da najveći deo mase tih galaksija dolazi od takozvane tamne materije, čije bi postojanje mogao eksperimentalno potvrditi Veliki hadronski sudarač (LHC) u CERN-u. Takva merenja pokazala su, priča Krauss, da u našem svemiru vidljive  i tamne materije zajedno ima tek 30 posto od materije potrebne da bi svemir bio ravan, što baš nije bio ohrabrujući rezultat.

'Naučnici su već ranije bili uvereni da je naš svemir ravan iz dva razloga. Jedan koji obično spominjem je taj da je to matematički jedini lep svemir, a drugi, o kom retko govorim, ali ću reći ovde da je ukupna energija takvog svemira nula, jer gravitacija može imati i negativnu energiju... A posebna lepota takvog ravnog svemira je u tome što samo on može nastati ni iz čega. Zakoni fizike u ravnom svemiru, naime, omogućavaju da svemir nastane ni iz čega. Ne treba vam božanstvo. Imate nula ukupne energije, pa i kvantne fluktuacije mogu stvoriti celi svemir', navodi Krauss, dodajući da, nažalost, eksperimentatori dotad nikako nisu uspevali da pronađu  dovoljno energije u svemiru za ravan svemir.

Naučnici su stoga odlučiti izmeriti zakrivljenost svemira direktnim putem, uz pomoć euklidske geometrije. Potreban im je bio samo dovoljno velik trougao u svemiru, odnosno dovoljno velik objekat poznatih dimenzija na poznatoj udaljenosti. On je pronađen u poslednjoj deceniji. Naime, tada je otkriven svojevrstan zid na poznatoj udaljenosti i na njemu su utvrđene poznate veličine.
 

 
_______________________________________
Kraj svemira ovisi o omegi
 
Kakav je svemir i kako će završiti - zavisi od njegove srednje gustine ρ, odnosno od količine materije i energije u njemu u odnosu na prostor. Ako je srednja gustina manja ili najviše jednaka kritičnoj srednjoj gustini (ρ ≤ ρc), svemir je otvoren. Pri većoj srednjoj gustini (ρ > ρc), svemir je zatvoren. Odnos između srednje gustine u svemiru i kritične srednje gustine naziva se pritom omega, Ω. U otvorenom je svemiru Ω < 1, a u zatvorenom Ω > 1. U ravnom je Ω = 1.
 
 
______________________________________________
 
 
Jeka Velikog praska – pozadinsko mikrovalno zračenje

NASA
 
Karta sićušnih promena u temperaturi pozadinskog mikrovalnog zračenja na nebu
 
Kako? Teoretski bismo mogli gledati kroz svemir daleko u prošlost i videti Veliki prasak. Kada posmatramo jako udaljena mesta u svemiru, zapravo vidimo njihovu daleku prošlost, jer je svetlost iz tih područja putovala do nas milionima ili čak milijardama godina. Međutim, Veliki prasak ne možemo videti na taj način, jer nas od njega deli neprozirni zid. Naime, kako se vraćamo u prošlost, vraćamo se u vreme nakon Velikog praska, kada su temperature bile vrlo visoke i otprilike 100.000 godina od Velikog praska nailazimo na temperaturu koja je bila oko 3.000 stepeni Kelvina.

Na tim temperaturama atomi se raspadaju na elektrone i protone i nastaje nabijena plazma, neprozirna za bilo kakvo detektirajuće zračenje, baš poput zida. Od tog zida reflektuje  se svako, pa i pozadinsko mikrovalno zračenje – svojevrsna elektromagnetska jeka Velikog praska. Naučnici su zaključili da bi na tom zidu ključna mera bila udaljenost od 100.000 svetlosnih godina.

Einstein kaže da nikakva informacija ne može putovati brže od svetlosti, što znači da neka nakupina materije koja je veća od ove jedinice ni ne zna da je nakupina materije, jer kroz nju ne stigne s jedne strane na drugu 'proći gravitacija' (trebalo bi joj više od 100.000 godina). Stoga su najveće nakupine materije koje su se urušile pod njezinim delovanjem u to vreme bile veličine 100.000 svetlosnih godina. Time je dobijena osnovna jedinica veličine na poznatoj udaljenosti, odnosno pronađene su ključne stranice svemirskog trougla.

'Postojanje ovog pozadinskog mikrovalnog zračenja, ranije teoretski najavljeno, konačno je sasvim slučajno otkriveno, a svi oni koji pamte prazne ekrane televizora nakon završetka emitovanja (u vreme kada nije bilo kablovske televizije), na kojima se mogao videti tzv. sneg, videli su ga i sami', ističe Krauss. Naime, oko jedan posto tih tačkica na ekranu izaziva upravo pozadinsko mikrovalno zračenje.

Vidljiva materija u svemiru je - beznačajna

Konačna merenja zakrivljenosti svemira pokazala su da naš svemir ipak jeste ravan, a time i da je mogao nastati ni iz čega, odnosno iz kvantne fluktuacije zanemarivo male energije. Kako se to slaže s prvim izračunom prema kom ukupne energije nema dovoljno za ravan svemir? Krauss kaže da tu u igru ulazi tzv. tamna energija. Naime, nova kosmološka slika pokazala je da je svemir sastavljen od gotovo 30 posto tamne materije i 70 posto tamne energije, dok smo 'mi', dakle sve ono što vidimo kao materiju u svemiru, u toj slici gotovo potpuno beznačajni te činimo nekoliko posto svega što postoji.

'Zašto bi neko za nas stvorio svemir u kom bismo bili potpuno beznačajni?', retorički se pita Krauss. No potom objašnjava da ipak živimo u 'vrlo fino podešenom' trenutku u kojem su oblikovane galaksije, a istovremeno su gustina materije (kako se svemir širi, ona pada) i gustina praznog prostora (koja je konstantna) podjednake. Da nisu podjednake, da je, npr. sila gustine praznog prostora veća (nauka predviđa da sila praznog prostora u nekom drugom svemiru može biti drugačija), sila razdvajanja bila bi veća i galaksije ne bi mogle nastati. Zašto živimo u takvom posebnom trenutku?

Kreacionisti bi mogli reći da je ovako lepo usklađen svemir očigledno Bog stvorio za nas. Međutim, Krauss kaže da je stvar u tome što su upravo u ovakvom svemiru mogle nastati galaksije, zvezde, planeti i, konačno, astronomi (ali i kreacionisti) na njima, koji mogu postaviti ovo pitanje. Drugim rečima, svemir nije fino podešen za nas, nego smo jedino u svemiru s takvim odnosom sila i mogli nastati.

'A što je naša budućnost za nekih 100 milijardi godina?', pita se Krauss. Kako se galaksije sve brže kreću, s vremenom će postići brzine veće od brzine svetlosti, što je, ističe, dozvoljeno u opštoj teoriji relativnosti. Konačno ćemo postati usamljeni u svemiru, videćemo samo našu galaksiju i prazan prostor oko nje. Više nećemo moći videti tragove Velikog praska.

'U dalekoj budućnosti bićemo usamljeni, neznalice, ali dominantni. Oni od nas koji žive u Americi, doduše, već su navikli na to', zaključio je svoje predavanje Krauss, uz smeh publike.

 
Integralno predavanje Lawrencea Kraussa o 'svemiru ni iz čega'

 
 



Нема коментара:

Постави коментар