понедељак, 10. фебруар 2020.

Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike ( 5)


string- struna( teorija struna ) 


ZRNA SVEMIRA



      Uprkos izvesnim nejasnoćama, nedoslednostima i pitanjima koja i dalje nemaju odgovor, fizika o kojoj sam govorio bolje opisuje svet nego ikada ranije u prošlosti. Zato bi trebalo da budemo sasvim zadovoljni. Ali nismo.

      U srcu našeg razumevanja fizičkog sveta postoji paradoks. Dvadeseti vek nam je podario dva dragulja o kojima sam govorio: opštu relativnost i kvantnu mehaniku. Iz prve se razvila kosmologija, kao i astrofizika, proučavanje gravitacionih talasa, crnih rupa i još mnogo čega. Druga nam je dala temelj za atomsku fiziku, nuklearnu fiziku, fiziku elementarnih čestica, fiziku zgusnute materije, i još mnogo, mnogo toga. Dve teorije, sa izobiljem darova, danas su fundamentalne za tehnologiju i preobrazile su naš način života. A opet, te dve teorije ne mogu biti istovremeno tačne, makar ne u njihovoj trenutnoj formi, pošto jedna drugoj protivreče.

      Studentu koji na univerzitetu pohađa predavanja o opštoj relativnosti ujutro, a na predavanja okvantnoj mehanici ide posle podne, može se oprostiti ako zaključi da su njegovi profesori budale, ili su zapostavili međusobno komuniciranje najmanje jedan vek. Ujutro je svet zakrivljeni prostor u kojem je sve u kontinuitetu; posle podne je to ravan prostor gde skaču kvanti energije.

     Paradoks je to što obe te teorije izuzetno dobro funkcionišu. Priroda se prema nama ophodi kao onaj postariji rabin kome su dva čoveka došla da im reši spor. Kada je saslušao prvog, rabin je rekao:„Ti si u pravu.“ Drugi insistira na tome da rabin sasluša i njega, pa ovaj to učini i kaže: „I ti si takođeu pravu.“ Tada se oglasi rabinova žena, koja je sve to čula iz susedne sobe: „Ali nemoguće je da obojica budu u pravu!“ Rabin razmisli, pa klimne glavom pre nego što zaključi: „U pravu si, vala, i ti.“

       Grupa teorijskih fizičara raštrkana na pet kontinenata marljivo pokušava da reši to pitanje.Njihovo polje proučavanja zove se „kvantna gravitacija“: cilj im je da pronađu teoriju, to jest skup jednačina – ali iznad svega suvislu viziju sveta – kojom će razrešiti trenutnu šizofreniju.

      Nije prvi put da se fizika našla suočena sa dve veoma uspešne, ali naizgled kontradiktorne teorije.Trud da se obavi sinteza u prošlosti je za plodove imao velike korake napred u našem poimanju sveta. Njutn je otkrio univerzalnu gravitaciju kombinovanjem Galilejevih parabola sa Keplerovim elipsama. Maksvel je došao do jednačina elektromagnetizma kombinovanjem teorija elektriciteta i magnetizma. Ajnštajn je otkrio relativnost tako što је razrešio naizgledan konflikt između elektromagnetizma i mehanike. Jedan fizičar se veoma raduje kada naiđe na ovakav konflikt između uspešnih teorija: to je izuzetna prilika. Možemo li da izgradimo konceptualni okvir za razmišljanje o svetu koji je kompatibilan sa onim što smo o njemu naučili iz obe teorije?

     Ovde, na isturenom položaju, izvan granica znanja, nauka postaje još lepša – usijana u kovnici novih ideja, intuicija, pokušaja. Puteva na koje smo se otiskivali i potom ih napuštali, radnih zanosa. U naporu da zamislimo ono što još niko pre nas zamislio nije.

      Pre dvadeset godina, magla je bila gusta. Danas su se pojavile staze koje nam ulivaju oduševljen optimizam. Ima ih više, tako da se ne može reći da je problem rešen. Višestrukost dovodi do kontroverze, ali debata je zdrava: sve dok se magla sasvim ne podigne, dobro je imati kritiku i suprotstavljena gledišta. Jedan od glavnih pokušaja da se problem reši jeste smer istraživanja koji se naziva „kvantnom gravitacijom petlji“, a sledi ga brojni odred istraživača u mnogo zemalja.

    Kvantna gravitacija petlji je nastojanje da se kombinuju opšta relativnost i kvantna mehanika. Toje obazriv pokušaj pošto koristi samo hipoteze koje su već sadržane u tim teorijama, prikladno iznova napisane da bi postale kompatibilne. Ali njene posledice su radikalne: dalje duboke modifikacije načina na koji posmatramo ustrojstvo stvarnosti.

      Zamisao je jednostavna. Opšta relativnost nas je naučila da svemir nije inertna kutija, već prenešto dinamično: neka vrsta ogromne, pokretne puževe kućice u kojoj se nalazimo – i koja se može sabijati i izvijati. Kvantna mehanika, s druge strane, naučila nas je da se svako takvo polje „sastoji od kvanta“ i ima finu, zrnastu strukturu. Iz toga odmah sledi da se i fizički svemir „sastoji od kvanta“.

     Centralni rezultat kvantne gravitacije petlji jeste zaista to da svemir nije kontinualan, da nije beskrajno deljiv, već je sazdan od zrna, ili „atoma svemira“. Oni su izuzetno mali: milijardu milijardi puta manji od najmanjeg atomskog jezgra. Teorija opisuje te „atome svemira“ u matematičkoj formi, i dve jednačine koje određuju njihovu evoluciju. Zovu se „petlje“, ili prstenovi, zato što su međusobno povezani i tvore mrežu odnosa koja plete teksturu svemira, poput petlji fino pletene, ogromne verižnjače.

       Gde su ti kvanti svemira? Nigde. Nisu u svemiru pošto su oni sami svemir. Svemir je nastao povezivanjem tih pojedinačnih kvanta gravitacije. I još jednom se čini da svet nije toliko sazdan od predmeta, koliko od interaktivnih odnosa.

    Ali najekstremnija je druga posledica teorije. Baš kao što iščezava zamisao o kontinualnom svemiru koji sadrži stvari, nestaje i ideja o elementarnom i praiskonskom „vremenu“ koje teče bez obzira na stvari. Jednačine koje opisuju zrna svemira i materije više ne sadrže promenljivu veličinu „vremena“. To ne znači da je sve stacionarno i nepromenljivo. Naprotiv, to znači da je promena sveprisutna – ali elementarni procesi ne mogu se urediti u uobičajeni sled „trenutaka“. U sićušnim razmerama zrna svemira, ples prirode ne odvija se u ritmu palice jednog dirigenta i u jednom tempu: svaki proces pleše nezavisno od suseda, u sopstvenom ritmu. Proticanje vremena je za svet interno, rađa se u samom svetu u odnosu između kvantnih događaja koji čine svet i sami su izvor vremena.
     Tako je svet koji teorija opisuje još više udaljen od onog koji nam je poznat. Više nema svemira koji „sadrži“ svet, i više nema vremena „u kojem“ se događaji zbivaju. Postoje samo elementarni procesi u kojima su kvanti prostora i materije u stalnoj međusobnoj interakciji. Iluzija prostora i vremena koje se nastavlja oko nas zamagljena je vizija tog rojenja elementarnih procesa, baš kao što se mirno, bistro alpsko jezero zapravo sastoji od brzog plesa bezbroj sićušnih molekula vode.

     Viđena ekstremno uveličana kroz ultramoćnu lupu, pretposlednja slika u našoj trećoj lekciji trebalo bi da prikaže zrnastu strukturu svemira:







      Je li moguće ovu teoriju eksperimentalno verifikovati? Mislimo i trudimo se, ali još nema eksperimentalne verifikacije. Međutim, tu je više različitih pokušaja.
     Jedan od njih potiče iz proučavanja crnih rupa.
    Na nebu sada možemo da posmatramo crne rupe koje nastaju od ugašenih zvezda. Smrvljena sopstvenom težinom, materija tih zvezda urušila se i iščezla nam iz vidokruga. Ali gde je nestala? Ako je teorija kvantne gravitacije petlji tačna, materija zapravo ne može da se uruši do infinitezimalne tačke. Zato što infinitezimalne tačke ne postoje – već samo konačni delovi prostora. Urušavanjem pod sopstvenom težinom, materija mora poprimati sve veću gustinu, do one tačke u kojoj kvantna mehanika mora da ispolji suprotan pritisak, kao protivtežu.
      Ova hipotetička konačna faza u životu jedne zvezde, gde kvantne fluktuacije prostor-vremena održavaju ravnotežu sa težinom materije, poznata je kao „Plankova zvezda“. Kad bi se Sunce ugasilo i formiralo crnu rupu, ona bi u prečniku imala oko kilometar i po. Unutar te crne rupe, Sunčeva materija bi nastavila da se urušava i na kraju bi postala jedna takva Plankova zvezda. Dimenzije bi joj bile slične dimenzijama jednog atoma. Čitava materija Sunca zgusnuta u prostor atoma: Plankova zvezda bi trebalo da se sastoji od tog ekstremnog stanja materije.
      Plankova zvezda nije stabilna: jednom sabijena do maksimuma, ona odskače i počinje da se ponovo širi. To dovodi do eksplozije crne rupe. Ovaj proces, kad bi ga pratio hipotetički posmatrač koji sedi u crnoj rupi na Plankovoj zvezdi, bio bi odskok koji se dešava velikom brzinom. Ali vreme za njega ne prolazi istom brzinom kao i za one izvan crne rupe, iz istog razloga iz kojeg vreme na planini prolazi brže nego na visini mora. Samo što je za njega, usled ekstremnih uslova, razlika u proticanju vremena ogromna, a ono što bi za posmatrača na zvezdi izgledalo kao izuzetno brz odskok, viđeno izvan nje, izgledalo bi kao nešto što se događa veoma dugo. Zbog toga vidimo da se crne rupe ne menjaju u dugim vremenskim periodima: crna rupa je zvezda u odskoku viđena u ekstremno usporenom snimku.

     Moguće je da su se u peći prvih trenutaka vasione formirale crne rupe, i da neke od njih sada eksplodiraju. Kad bi to bilo tačno, možda bismo mogli da posmatramo signale koje one emituju dok eksplodiraju, u obliku kosmičkih zraka velike energije koji dolaze s neba, pa bi nam tako omogućile da posmatramo i merimo direktan učinak fenomena kojim vlada kvantna gravitacija. To je smela zamisao – možda ne bi upalila, na primer, ukoliko se u praiskonskoj vasioni nije formiralo dovoljno crnih rupa da bi nam to omogućilo da danas primetimo njihove eksplozije. Ali je traganje za signalima započelo. Videćemo.

  Još jedna posledica teorije, krajnje spektakularna, tiče se porekla svemira. Znamo kako da rekonstruišemo prošlost našeg sveta sve do prvobitnog perioda kada je on bio sićušan. Ali šta je bilo pre toga? Pa, jednačine teorije petlji omogućavaju nam da se vratimo još dalje u rekonstrukciji te prošlosti.

     Nalazimo da kada je vaseljena ekstremno sabijena, kvantna teorija generiše silu odbijanja, iz čega proishodi da je velika eksplozija ili „Veliki prasak“ zapravo možda bila „Veliki odskok“. Naš svet se možda zapravo rodio iz neke prethodne vaseljene koja se skupila pod sopstvenom težinom pre nego što je „odskočila“ i počela da se ponovo širi, pretvorivši se tako u univerzum koji se širi i koji vidimo svud oko nas.

     Trenutak tog odskoka, kada je vasiona bila toliko skupljena, pravi je domen kvantne gravitacije: vreme i prostor su potpuno nestali, a svet se rastočio u roj, oblak verovatnoće koji, međutim, jednačine i dalje mogu da opišu. A poslednja slika iz treće lekcije preobražena je na sledeći način:



Naša vasiona je možda rođena u odskoku iz prethodne faze, prošavši kroz prelaznu fazu u kojoj nije bilo ni prostora ni vremena.


    Fizika otvara prozore kroz koje vidimo daleko. A ono što vidimo ne prestaje da nas zapanjuje. Shvatamo da smo puni predrasuda i da je naša intuitivna slika sveta delimična, ograničena, nedostatna. Zemlja nije ravna, nije stacionarna. Svet nastavlja da se menja pred našim očima dok ga mi postepeno sagledavamo iscrpnije i jasnije. Ako pokušamo da spojimo sve što smo u dvadesetom veku naučili o fizičkom svetu, indicije ukazuju na nešto sasvim drugačije od našeg instinktivnog poimanja materije, prostora i vremena. Kvantna gravitacija petlji predstavlja pokušaj da se dešifruju te indicije i da se pogleda još malo dalje.

Teorija struna ( fotografiju dodala aut. bloga )

1. Tvar 2. Molekularna struktura, 3. Atom (protoni, neutroni, elektroni) 4. Elektron 5. Kvarkovi 6. Strune




Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (1)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (2)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (3)
Carlo Rovelli, 7 kratkih lekcija iz fizike (4)
Carlo Rovelli,7 kratkih lekcija iz fizike (6)

Нема коментара:

Постави коментар