Svijet TEORIJSKI FIZIČAR KRAUSS

'Cijeli svemir je nastao ni iz čega!'

Ugledni američki fizičar Lawrence Krauss, autor brojnih popularnih knjiga o fizici, među kojima je i 'Fizika zvjezdanih staza', održao je prošle godine na konferenciji Međunarodnog saveza ateista (AAI - Atheist Alliance International) u Los Angelesu izuzetno zanimljivo predavanje o tome kako je svemir u kojem živimo, iako vrlo 'fino podešen' za naše postojanje i život općenito, zapravo nastao 'ni iz čega i bez ičije pomoći'

Iako je predavanje već popularno predstavljeno, pokušali smo ga, koliko je to bilo moguće, dodatno skratiti i pojednostaviti. Za one koji imaju dovoljno znanja fizike i engleskog preporučujemo da pogledaju zanimljivu originalnu snimku predavanja objavljenu na YouTubeu u trajanju od oko sat vremena.

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

'Tu je ključna riječ misterij. Ono što znanost čini tako posebnom je da znanstvenici vole misterije, vole nepoznanice. To je suština znanosti, uzbuđenje učenja o svemiru... toliko različito od sterilnog aspekta religije u kojem, čini se, uzbuđenje stvara osjećaj znanja o svemu iako je očito da u tome nema nikakvog pravog znanja', kaže Krauss započinjući priču o razvoju svemira, ali i znanosti kojom je on istraživan kroz stoljeća.

Problemi s modelom svemira

Slika svemira u posljednje se vrijeme dramatično promijenila i postalo je jasno da zvijezde 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 vječan, što ih je, naravno, smetalo.

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

NASA
Supernova - eksplozija umiruće zvijezde
Ona je bila tako malena da je ne bi bilo moguće izmjeriti u Sunčevom sustavu te na toj razini ne bi utjecala na rezultate Newtonovih zakona mehanike, ali bi u znatno većim dijelovima svemira dobivala na značaju i držala galaksije na udaljenosti unatoč sili gravitacije. Međutim, nedugo nakon toga Einstein je sam odbacio kozmološku konstantu kao svoju veliku pogrešku i kao rješenje predstavio mogućnost da svemir uopće nije statičan, shvativši da svemiru koji se širi za opstanak ne bi trebala kozmološka konstanta jer bi gravitacija samo usporavala njegovu ekspanziju. Nakon toga ključno pitanje kozmologije 20. stoljeća postalo je - koliko se svemir brzo širi – dovoljno brzo da se nikada ne zaustavi ili dovoljno sporo da stane i potom se počne skupljati.

'To je pitanje bilo glavni razlog zbog kojeg sam se ja kao fizičar čestica počeo baviti kozmologijom. Htio 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 zvijezda 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 vlaka mijenja kada ono prolazi pored nas – kada nam se približava, zvuk je viši, a kada se udaljava, niži. Isti efekt vrijedi i za elektromagnetske valove, odnosno svjetlost, pa se tako u spektru bilježi plavi pomak – pomak prema višim frekvencijama kada nam se izvor svjetla približava, odnosno crveni pomak – prema nižim frekvencijama kada se izvor udaljava.

Na temelju svojih mjerenja Hubble je definirao zakon (v = H0D) prema kojem 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 točke 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 zvijezdama

Krauss, međutim, ističe da je Hubble u svoje vrijeme imao problema s preciznim mjerenjem udaljenosti zvijezda, tako da njegovi izračuni starosti svemira nisu
NASA
Eksplozija supernove u galaksiji NGC 4526
odgovarali poznatim znanstvenim činjenicama – ispalo je, naime, da je svemir mlađi od Zemlje.

No nakon što su astronomi shvatili da se kao 'standardne svijeće' (jedinice snage sjaja) mogu koristiti prilično postojane jačine sjaja eksplozija određenih zvijezda - supernova - odnosno jačina prividnog sjaja njihovih eksplozija koju registriramo na Zemlji (snaga svjetla pada s udaljenosti te ono do nas sa zvijezde 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 zvijezde.

'Iako se eksplozije zvijezda događaju rijetko, svemir je tako veliko mjesto s tolikim mnoštvom galaksija da se na jednom malenom dijelu neba veličine novčića u samo jednoj noći može vidjeti desetak eksplozija supernova. Svemir je toliko golem i star da se u njemu rijetke stvari događaju stalno, uključujući i život', kaže Krauss.

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

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

U kakvom svemiru živimo?

U nastavku predavanja ponovno se vraća Einsteinovoj jednadžbi o zakrivljenosti svemira i kozmološkoj konstanti koje se genijalni fizičar htio riješiti. 'Problem je što se te konstante ne možemo tako lako riješiti', kaže Krauss i objašnjava da se ona u toj jednadžbi (zakrivljenost – kozmološka konstanta = energija), kada se prebaci s lijeve na desnu stranu jednadžbe, od geometrijske veličine mijenja u doprinos energiji, odnosno momentu svemira (zakrivljenost = energija + kozmološka 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 jednadžbi', kaže Krauss najavljujući tumačenje tamne energije.

Ništa u kvantnoj fizici nije ništa


'U današnjoj fizici, zbog kvantne mehanike i teorije relativnosti na subatomskim razinama, ništa više nije ništa. To 'ništa' je kipuća juha virtualnih čestica koje se javljaju i nestaju u tako kratkom vremenu da ih ne možemo zabilježiti... Izravno ih ne možemo izmjeriti, ali možemo neizravno', kaže Krauss i potom predstavlja računalnu animaciju – simulaciju koja zorno pokazuje kako tzv. prazan prostor unutar protona uopće ne izgleda prazno, već kao masa koja kipti. Danas znamo da najveći dio mase protona - oko 90 posto - zapravo dolazi upravo iz tog praznog prostora. Drugim riječima, 90 posto mase našeg tijela i svega što nas okružuje dolazi iz tog praznog prostora. Međutim, kada na temelju 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. Znanstvenici 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 cijeli 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 zauvijek, zatvoreni bi se

Kraj svemira ovisi o omegi

Kakav je svemir i kako će završiti - ovisi o njegovoj srednjoj gustoći ρ, odnosno o količini tvari i energije u njemu u odnosu na prostor. Ako je srednja gustoća manja ili najviše jednaka kritičnoj srednjoj gustoći (ρ ≤ ρc), svemir je otvoren. Pri većoj srednjoj gustoći (ρ > ρc), svemir je zatvoren. Omjer između srednje gustoće u svemiru i kritične srednje gustoće naziva se pritom omega, Ω. U otvorenom je svemiru Ω < 1, a u zatvorenom Ω > 1. U ravnom je Ω = 1.

širio, polako zaustavio i potom skupio u početnu točku, dok bi se ravan svemir širio sve sporije i sporije, gotovo do točke potpunog mirovanja.

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

'Znanstvenici su već ranije bili uvjereni da je naš svemir ravan iz dva razloga. Jedan koji obično spominjem je taj da je to matematički jedini lijep svemir, a drugi, o kojem rijetko govorim, ali ću reći ovdje da je ukupna energija takvog svemira nula, jer gravitacija može imati i negativnu energiju... A osobita ljepota takvog ravnog svemira je u tome što samo on može nastati ni iz čega. Zakoni fizike u ravnom svemiru, naime, omogućuju da svemir nastane ni iz čega. Ne treba vam božanstvo. Imate nula ukupne energije, pa i kvantne fluktuacije mogu stvoriti cijeli svemir', navodi Krauss, dodajući da, nažalost, eksperimentatori dotad nikako nisu uspijevali pronaći dovoljno energije u svemiru za ravan svemir.

Znanstvenici su stoga odlučiti izmjeriti zakrivljenost svemira izravnim putem, uz pomoć euklidske geometrije. Potreban im je bio samo dovoljno velik trokut u svemiru, odnosno dovoljno velik objekt poznatih dimenzija na poznatoj udaljenosti. On je pronađen u posljednjem desetljeću. Naime, znanstvenici su otkrili svojevrstan zid na poznatoj udaljenosti i na njemu utvrdili poznate veličine.

Jeka Velikog praska – pozadinsko mikrovalno zračenje

NASA
Karta sićušnih promjena u temperaturi pozadinskog mikrovalnog zračenja na nebu
Kako? Teoretski bismo mogli gledati kroz svemir daleko u prošlost i vidjeti Veliki prasak. Kada promatramo jako udaljena mjesta u svemiru, zapravo vidimo njihovu daleku prošlost, jer je svjetlost iz tih područja putovala do nas milijunima ili čak milijardama godina. Međutim, Veliki prasak ne možemo vidjeti na taj način, jer nas od njega dijeli svojevrstan neprozirni zid. Naime, kako se vraćamo u prošlost, vraćamo se u vrijeme 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 stupnjeva 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 reflektira se svako, pa i pozadinsko mikrovalno zračenje – svojevrsna elektromagnetska jeka Velikog praska. Znanstvenici su zaključili da bi na tom zidu ključna mjera bila udaljenost od 100.000 svjetlosnih godina.

Einstein kaže da nikakva informacija ne može putovati brže od svjetlosti, 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 djelovanjem u to vrijeme bile veličine 100.000 svjetlosnih godina. Time je dobivena temeljna jedinica veličine na poznatoj udaljenosti, odnosno pronađene su ključne stranice svemirskog trokuta.

'Postojanje ovog pozadinskog mikrovalnog zračenja, ranije teoretski najavljeno, konačno je sasvim slučajno otkriveno, a svi oni koji pamte prazne ekrane televizora nakon završetka emitiranja (u vrijeme kada nije bilo kabelske televizije), na kojima se mogao vidjeti tzv. snijeg, vidjeli su ga i sami', ističe Krauss. Naime, oko jedan posto tih točkica na ekranu izaziva upravo pozadinsko mikrovalno zračenje.

Vidljiva materija u svemiru je - beznačajna

Konačna mjerenja zakrivljenosti svemira pokazala su da naš svemir ipak jest 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 kojem ukupne energije nema dovoljno za ravan svemir? Krauss kaže da tu u igru ulazi tzv. tamna energija. Naime, nova kozmološka slika pokazala je da je svemir sastavljen od gotovo 30 posto tamne tvari 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 netko za nas stvorio svemir u kojem 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 gustoća tvari (kako se svemir širi, ona pada) i gustoća praznog prostora (koja je konstantna) podjednake. Da nisu podjednake, da je, primjerice, sila gustoće praznog prostora veća (znanost 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 lijepo ugođen svemir očigledno Bog stvorio za nas. Međutim, Krauss kaže da je stvar u tome što su upravo u ovakvom svemiru mogle nastati galaksije, zvijezde, planeti i, konačno, astronomi (ali i kreacionisti) na njima, koji mogu postaviti ovo pitanje. Drugim riječima, 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 svjetlosti, što je, ističe, dozvoljeno u općoj teoriji relativnosti. Konačno ćemo postati usamljeni u svemiru, vidjet ćemo samo našu galaksiju i prazan prostor oko nje. Znanstvenici više neće moći vidjeti tragove Velikog praska.

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

Integralno predavanje Lawrencea Kraussa o 'svemiru ni iz čega'
  • Sviđa vam se članak? Preporučite ga prijateljima putem ovih servisa:
  • Pošaljite mailom
Čitajte još