Tragom zvezda

Ajnštajnova zaostavština I deo

Većina Ajnštajnovih biografa zanemaruje poslednjih 30 godina njegovog života, smatrajući ih gotovo uvredljivo nedostojnim genija, mrljom u njegovoj blistavoj biografiji. Ipak, razvoj nauke u poslednjih nekoliko decenija pruža jedan sasvim drugačiji pogled na njegovu zaostavštinu. Budući da je njegov rad bio suštinski važan, te da je menjao osnove ljudskog saznanja, Ajnštajnov uticaj je i dalje prisutan u fizici. Ono što je Ajnštajn predviđao pre 60, 70, 80 godina polako početkom 21.veka dobija svoje potvrde.

Podaci o raspodeli brzina gasa rubidijumovih atoma potvrđuje novo atanje materije – Boze – Ajnštajnov kondezat

Mrvice koje su se prosule sa Ajnštajnovog tanjira, sada drugima donose Nobelove nagrade. Štaviše, uz razvoj teorije superstruna, Ajnštajnov koncept objedinjenja svih sila, koji je nekada bio meta ruganja i omalovažavanja, danas zauzima centralno mesto u teorijskoj fizici. Kada je 1924. godine Ajnštajn prvi put pisao o Boze-Ajnštajnovom kondezatu, uopšte nije verovao da će njegov zanimljiv fenomen uskoro biti otkriven. Trebalo je ohladiti materijale gotovo do apsolutne nule pre nego što sva kvantna stanja kolapsiraju u ogroman superatom. Godine 1995., to je pošlo za rukom Eriku Kornelu i Karlu Vajmanu. Oni su proizveli čist Boze-Ajnštajnov kondezat od 2000 atoma rubidijuma, na dvadesetmilijarditom delu stepena iznad apsolutne nule. Uz to je Volfgang Keterle nezavisno od njih proizveo Boze-Ajnštajnove kondezate s dovoljno atoma natrijuma da bi nad njima mogao vršiti važne opite. U njih je spadalo izvođenje dokaza da ovi atomi pokazuju obrasce interferencije usaglašene sa atomima to su međusobno koordinisani. Drugim rečima, ponašali su se kao superatom o kojem je Ajnštajn govorio još pre više od 70 godina. Kornel, Vajman i Keterle su 2001. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku. I dalje se otkrivaju praktične primene Boze-Ajnštajnovog kondezata. Kada se zraci atomskih lasera u budućnosti budu primenili u nanotehnologiji, mogli bi se pokazati veoma dragocenim. Oni će možda omogućiti manipulacije sa pojedinačnim atomima i pravljenje slojeva atomskih filmova za poluprovodnike u računarima budućnosti. Pored atomskih lasera, razmatra se mogućnost da bi i kvantni računari mogli biti zasnovani na Boze-Ajnštajnovom kondezatu. Oni bi na kraju zamenili računare sa silicijumskim čipovima. Neki smatraju da je tamna materija možda delom sačinjena od Boze-Ajnštajnovog kondezata.

Ajnštajnov doprinos takođe je naterao kvantne fizičare da iznova promisle o svojoj privrženosti prvobitnom kopenhaškom tumačenju ove teorije. Tridesetih i četrdesetih godina prošlog veka, kada su se kvantni fizičari podrugivali Ajnštajnu iza leđa, bilo je lako ne obraćati pažnju na diva fizike, budući da su u to vreme otkrića iz kvantne fizike bila svakodnevna. Usled toga, fizičari su se navikli na kopenhašku školu, a dublja filozofska pitanja na koja nisu imali odgovor, gurali su pod tepih. Rasprave između Bora i Ajnštajna su bile zaboravljene. I dan danas fizičari lome glavu oko Šredingerove mačke. Pošto sada eksperimentalni fizičari mogu da manipulišu pojedinačnim atomima, eksperiment s mačkom više nije puko akademsko pitanje. Konačna sudbina računarske tehnologije, na kojoj počiva ogroman deo svetskog bogatstva će verovatno zavisiti od rešenja ovog problema. Mada nije bilo eksperimentalnih odstupanja od Borovog prvobitnog tumačenja, njegova kopenhaška škola danas je najmanje privlačna. Kopenhaška škola pretpostavlja da postoji zid koji razdvaja zdrav razum, makroskopski svet drveća, planina, ljudi koji vidimo oko sebe od tajanstvenog, neintuitivnog mikroskopskog sveta kvantuma i talasa. U mikroskopskoj sredini, subatomske čestice obitavaju u nižem sloju između postojanja i nepostojanja. Mi živimo s druge strane zida na kome su sve funkcije talasa doživele kolaps, pa nam se čini da je makroskopski svet dobro uređen.

Pojedini fizičari, kao što je nobelovac Eugen Vigner otišli su još dalje. Vigner naglašava da je svest ključni element posmatranja. Svaki posmatrač može da opazi i utvrdi stvarno postojanje mačke. Ali ko posmatra posmatrača ? Posmatrač isto tako mora imati svog posmatrača (nazvanog Vignerov prijatelj), koji će utvrditi da je posmatrač živ. Ovo navodi na beskonačan lanac posmatrača, od kojih svaki posmatra drugog i svaki utvrđuje da je prethodni živ. Po Vigneru, to je značilo da možda postoji kosmička svest koja određuje prirodu samog kosmosa. Prema njemu : „Samo proučavanje spoljašnjeg sveta vodi do zaključka da je sadržaj svesti konačna stvarnost „. Stoga su neki tvrdili da takav zaključak dokazuje postojanje boga-nekakve kosmičke svesti- ili da je kosmos na neki način svestan. Tokom decenija su se pojavljivala i druga tumačenja. Hju Everet je 1957. godine, predložio najradikalnije rešenje- teoriju o mnogo svetova koja podrazumeva da svi mogući kosmosi postoje istovremeno. Implikacije ovakve ideje su prilično uznemirujuće, jer se po njoj kosmos neprestano račva u svakom kvantnom trenutku i razdvaja u beskonačan skup kvantnih kosmosa. Mada je u početku pokazivao entuzijazam za pristup svog studenta Evereta i Džon Viler je kasnije napustio ovu ideju tvrdeći da nosi previše „metafizičkog bremena“. Od razmišljanja o svim mogućim svetovima može nam se zavrteti u glavi. Nakon decenija jalovih rasprava o raznim tumačenjima kvantne teorije, godine 1965. Džon Bel, fizičar u nuklearnoj laboratoriji pri CERN-u u Ženevi, analizirao je eksperiment koji bi konačno potvrdio ili opovrgao Ajnštajnovu kritiku kvantne teorije. Poštovao je duboka filozofska pitanja koja je Ajnštajn postavio godinama pre toga, pa je predložio teoremu koja bi najzad rešila to pitanje. Prvi uverljiv eksperiment je izveo 1983. godine Alen Aspe s pariskog univerziteta, a rezultati su potvrdili tačke gledišta kvantne mehanike. Ajnštajn nije bio u pravu. Ali kom tumačenju kvantne mehanike se prikloniti.

U današnjem svetu kada možemo da manipulišemo pojedinačnim atomima, ne odgovara ni Borov zid koji razdvaja mikroskopski svet od makroskopskog. U misaonom eksperimentu sa mačkom nema još uvek rešenja koje bi zadovoljilo sve fizičare. Gotovo 80 godina nakon što su se Bor i Ajnštajn sukobili na znamenitoj Sovejevoj konferenciji, pojedini vodeći naučnici, među njima i nobelovci, priklonili su se ideji dekoherencije. Prva premisa dekoherencije tiče se talasne funkcije mačke koja je složena jer mačku sačinjavaju 10 na 25-u atoma, što je zaista ogroman broj. Zato je interferencija talasa žive mačke i talasa mrtve mačke krajnje nategnuta. To znači da bi dve talasne funkcije mogle istovremeno da egzistiraju u istom prostoru ali bez ikakvog međusobnog uticaja. Dve talasne funkcije su dekoherentne i više ne osećaju međusobno prisustvo. Po jednoj verziji dekoherencije, nikada ne kolapsiraju kao što je tvrdio Bor. One se samo razdvajaju i nikada više ne deluju jedna na drugu. Nobelovac Stiven Vajnberg poredi ovu teoriju sa slušanjem radija. Okretanjem dugmeta na radiju, pronalazimo mnoge radio-stanice. Svaka frekvencija postaje dekoherentna u odnosu na druge, pa između stanica nema mešanja. Prostorija se istovremeno puni signalima svih frekvencija i svaka od njih je svet za sebe, jer nema nikakvog uzajamnog delovanja. Dekoherencija zvuči privlačno, pošto podrazumeva da se pri rešavanju problema s mačkom može primeniti obična talasna teorija i izbeći kolaps talasne funkcije. U ovakvoj predstavi, talasi nikada ne kolapsiraju. Međutim, logika vodi do uznemirujućih zaključaka. Dekoherencija, u završnoj analizi vodi ka interpretaciji preko mnoštva svetova.

Ja bih dodao svoje lično mišljenje da je mačka kao objekat mrtav, skup atoma a da razliku između živog i mrtvog ne čini talasna funkcija atoma već nešto drugo, neka vrsta tamne energije koja nije podložna ni jednoj poznatoj fizičkoj teoriji. Ako je čekić razbio bočicu sa otrovom onda se desilo urušavanje životne tamne energije mačke a sve ostalo je ostalo isto. Ovakvom interpretacijom se obesmišljava pitanje Šredingerove mačke. Postaje irelevantno i ništa ne dokazuje. Dok je Ajnštajnova kritika kvantne teorije pomogla da se ona iskristališe, ali ne i da se iznađu sasvim zadovoljavajuća rešenja kvantnih paradoksa, Ajnštajnove ideje su punim sjajem zasijale na drugom mestu – najspektakularnije u opštoj relativnosti. Godine 1959. Robert Paund i Glen Rebka s Harvarda, najzad su laboratorijski potvrdili Ajnštajnova predviđanja gravitacionog crvenog pomaka, odnosno da satovi ne otkucavaju istom brzinom u gravitacionom polju. Godine 1977. astronom Džesi Grinstajn i njegove kolege analizirali su protok vremena u blizini desetak zvezda – belih patuljaka. Otkrili su ono što su i očekivali, da vreme usporava u jakom gravitacionom polju. Eksperiment sa pomračenjem Sunca je izveden još mnogo puta sa izuzetnom preciznošću. Svi eksperimenti su potvrđivali Ajnštajnovu teoriju. Ajnštajn je 1916. godine predvideo da postoje i gravitacioni talasi, ali nije doživeo eksperimentalnu potvrdu.

Sudar dve crne rupe izaziva talasanje prostor-vremenskog kontinuuma – gravitacione talase

Ali 1993. godine dva fizičara, Rasel Helsi i Džozef Tejlor su dobili Nobelovu nagradu za posrednu potvrdu postojanja gravitacionih talasa ispitivanjem binarnih zvezda. Predmet njihovog istraživanja je bio pulsar P1913+16, binarna neutronska zvezda, udaljena od Zemlje oko 16 000 svetlosnih godina – sistem od dve mrtve zvezde koje naprave pun krug jedna oko druge na svakih sedam sati i četrdeset pet minuta, oslobađajući pri tome snažne plime gravitacionih talasa. Ti talasi nose energiju, tako da je dve zvezde vremenom gube i zajedno se smiruju u spiralnoj putanji. Analizom signala s takvih binarnih zvezda, moguće je precizno izračunati skupljanje njihovih orbita. Kao što se moglo očekivati po Ajnštajnovoj teoriji, dve zvezde se približavaju po milimetar pri svakoj revoluciji. Za godinu dana, rastojanje između zvezda u orbiti prečnika 700.000 km smanjuje se oko 91 cm, a tu brojku daju i Ajnštajnove jednačine. Dve zvezde će se zbog gubitka gravitacionog talasa spojiti za 240 miliona godina. U poslednje vreme se sprovode eksperimenti sa gravitacionim talasima. Projekat LIGO je 2018. godine direktno potvrdio njihovo postojanje. LIGO obuhvata tri laserska postrojenja u SAD, a zapravo je deo međunarodnog sistema u koji spadaju francusko-italijanski detektor VIRGO u Pizi, japanski detektor TAMA u okolini Tokija i britansko-nemački detektor GEO600 u Hanoveru. Planirano je i da NASA i ESA postave tri satelita zvana LISA koji bi kružili oko Sunca na udaljenosti otprilike istoj kao Zemlja. Formirala bi jednakostranični trougao u svemiru i bio bi toliko moćan da bi mogao da detektuje vibracije reda veličine trilijarditog dela milimetra. Tako bi se mogao da detektuje izvorni talas nastao pri Velikom prasku. Međutim došlo je do prekida saradnje pa će NASA sama nastaviti dalje ovaj projekat. Još jedna važna alatka koju je Ajnštajn osmislio bila su gravitaciona sočiva. Već 1936. godine je dokazano da obližnje galaksije mogu delovati kao džinovska sočiva koja fokusiraju svetlost sa udaljenih objekata. Mnoge decenije morale su da prođu pre nego što su Ajnštajnova sočiva detektovana u kosmosu. Prvi pomak načinjen je 1979. godine kada je otkriven kvazar Q0957+561 i ustanovljeno da on zakrivljuje prostor i ponaša se kao sočivo koje kocentriše svetlost. Godine 1988., prvi put je registrovan Ajnštajnov prsten, sa radio-izvora MG1131+0456. Prvi puni Ajnštajnovi prstenovi su otkriveni 1997. godine, pomoću orbitalne opservatorije Habl i britanskog sistema radio-teleskopa MERLIN. Analiza udaljene galaksije 1938+666 otkrila je karakteristični prsten oko galaksije. Opšta teorija je imala nejeksplozivniji efekat na polju kosmologije. Dva fizičara Robert Vilson i Arno Penzijas 1965. godine su u Belovim laboratorijama u Nju Džersiju pomoću Hornovog radio-teleskopa registrovali slabe mikrotalase iz udaljenog kosmosa. Slučajno su detektovali kosmičko zračenje nastalo pri Velikom prasku. Dobili su Nobelovu nagradu za ovo otkriće. Kasnije su satelit COBE i WMAP nam dali najtačniju i neobično smirenu sliku tog zračenja koja je bila najjači dokaz u prilog teoriji Velikog praska.

Od svih Ajnštajnovih ideja možda je najspektakularnije vaskrsla tamna energija. Ajnštajn je u svoje jednačine uveo kosmološku konstantu da bi eliminisao širenje kosmosa u jednačinama. Kasnije je Edvin Habl dokazao da se kosmos zaista širi a Ajnštajn je kosmološku konstantu nazvao svojom najvećom zabludom. Međutim, merenja obavljena 2000. godine pokazala su da bi Ajnštajn lako mogao biti u pravu. Kosmološka konstanta ne samo da postoji već tamna energija verovatno predstavlja najveći izvor materije/energije u kosmosu. Analizirajući supernove u udaljenim galaksijama, astronomi su uspeli da izračunaju brzinu širenja kosmosa tokom milijardi godina. Rezultati su šokantni. Umesto da širenje bude sve sporije i sporije, kosmos se širi sve brže i brže. Neki kosmolozi su verovali da u kosmosu ima dovojno materije da se zaustavi širenje i da se kosmos počne skupljati, što bi potvdio plavi pomak iz udaljenih delova kosmosa. Hoking je čak verovao da će skupljanje kosmosa izazvati obrtanje toka vremena i da će se istorija ponoviti, ali unazad. Kosmos bi u slučaju sažimanja u jednom trenutku implodirao u sebe, stvarajući ogromnu toplotu pri tom sažimanju. Neki su smatrali da bi smo tako opet imali Veliki prasak i oscilirajući univerzum. Međutim eksperimenti su opovrgnuli takve ideje. Tamna energija nas tera i da preispitamo našu pravu ulogu i položaj u kosmosu. Kopernik je pokazao da pozicija, nas ljudi nije ni po čemu posebna. Postojanje tamne energije govori da atomi koji čine naš svet nisu ništa posebno, pošto 90% materije u kosmosu čini misteriozna tamna materija. Rezultati ispitivanja kosmološke konstante ukazuju na to da tamna energija dominira nad tamnom materijom koja s druge strane prevladava energiju zvezda i galaksija. Kosmološka konstanta koju je Ajnštajn uveo da bi kosmos učinio stabilnim verovatno je najveći izvor energije u svemiru. Godine 2003. satelit WMAP je potvrdio da obični atomi čine 4% svemirske energije i materije, 23% je nepoznata tamna materija, dok 73% potiče od tamne energije. Opšta relativnost je predvidela i crne rupe. Habl i VLA teleskopi su potvrdili njihovo postojanje, a one se uglavnom nalaze u središtima velikih galaksija. Veruje se da skoro sve galaksije imaju središnju crnu rupu. Crne rupe su po definiciji nevidljive, jer im svetlost ne može umaći. Hablov svemirski teleskop je zavirio u srca udaljenih kvazara i galaksija i napravio spektakularne fotografije rotirajućih diskova oko crnih rupa lociranih u središtima galaksija. Astronomi su uspeli da izračunaju da se ta materija okreće brzinom od 1.6 miliona kilometara na sat. Na najdetaljnijim fotografijama koje je načinio Habl, vidi se tačka u centru svih crnih rupa, prečnika od oko jedne svetlosne godine, što je dovoljno da potisne čitavu galaksiju 100 000 svetlosnih godina daleko. Napokon je i 2002. Godine u centru Mlečnog puta otkrivena crna rupa, dva miliona puta teža od Sunca. I tako , Mesec kruži oko Zemlje, Zemlja oko Sunca, a Sunce oko Sgr A crne rupe Mlečnog puta. Prečnik crne rupe Mlečnog puta je deset puta manji od Merkurove orbite.

Zapanjujuće je da tako mali objekat može uticati na dinamiku cele galaksije. Godine 2001., astronomi su pomoću Ajnštajnovih sočiva otkrili crnu rupu koja je lutala Mlečnim putem. Kada bi se takva crna rupa približila Suncu, pojela bi ceo Sunčev sistem a da se i ne zagrcne. Godine 1963., došlo je do novog impulsa u kosmologiji kada je novozelandski matematičar Roj Ker uopštio Švarcšildov model tako da obuhvata crne rupe koje se okreću oko svoje ose. Na opšte iznenađenje Ker je došao do preciznog rešenja Ajnštajnovih jednačina po kome zvezda kolapsira u rotirajućem prstenu. Gravitacija bi delovala u smeru kolapsa ali centrifugalna sila mogla bi da bude dovoljno jaka da joj se suprostavi i rotacija bi bila stabilna. Gravitacija u centru jeste jaka ali ne i beskonačna tako da bi se moglo proći kroz taj prsten i doći u drugi univerzum. Putovanje kroz Ajnštajn Rozenov most ne bi moralo biti smrtonosno. U suštini , približavanje Kerovoj crnoj rupi bi uzrokovalo da se pređe horizont događaja i da je povratak nemoguć sem ako ne postoje bele rupe koje bi bile neka vrsta povratne stanice. Međutim, uskoro je postalo jasno da Kerove crne rupe ne povezuju samo dva univerzuma, već i dva trenutka, ponašajući se kao vremeplovi. Kip Torn je 1988. godine došao do rešenja Ajnštajnovih jednačina koje dozvoljavaju putovanje u vremenu kroz crvotočinu. Uspeli su da reše problem jednosmernog putovanja preko horizonta događaja, pokazujći da je nova vrsta crotočine potpuno prohodna. Tornovom vremeplovu je potrebna negativna materija ili negativna energija što do sada nije viđeno. Kada bi imali parče negativne materije u ruci ona ne bi pala dole već gore. Ako je negativna materija i postojala na Zemlji ona bi morala odavno da padne gore i ode daleko od nas. Ali negativna energija, s druge strane postoji u obliku Kazimirovog efekta. Ako uzmemo na primer dve nenaelektrisane paralelne metalne ploče, one se niti privlače niti odbijaju. To znači da bi morale ostati u stanju mirovanja.

Međutim, 1948. godine Henrik Kazimir je demonstrirao čudan kvantni efekat, pokazavši da se dve paralelne ploče zapravo privlače neznatnom silom koja je izmerena u laboratoriji. Tornov vremeplov bi se mogao napraviti na sledeći način. Ako imamo dva para paralelno postavljenih ploča, javiće se Kazimirov efekat , tj, između ploča će se pojaviti negativna energija. Prema Ajnštajnovoj teoriji, zbog postojanja negativne energije, u toj oblasti će se otvoriti malene rupe ili mehurići u prostorvremenu. Pretpostavimo da civilizacija daleko naprednija od nas koja može upravljati tim rupama uzme po jednu iz svakog para ploča i istegne ih tako da duga cev ili crvotočina povezuje dva para ploča. Potom se jedan par ploča stavi u raketu koja putuje brzinom bliskoj svetlosnoj tako da vreme u njoj usporava. Ako bi uskočili u prostor između paralelnih ploča na Zemlji, usisala bi nas crvotočina koja spaja dve ploče i našli bi smo se u raketi, u prošlosti, na drugom mestu u drugo vreme. Hokingu se ova ideja nije dopala jer ako bi bila ispravna onda bi mi danas bili preplavljeni turistima iz budućnosti. Rekao je da želi svet u kome će istoričari moći da rade svoj posao. Formulisao je i svoju hipotezu o zaštiti hronologije. Kasnije je odustao od ove hipoteze, rekavši da su vremeplovi mogući, ali nisu praktični. Nastaviće se ….

RSS
Follow by Email
Facebook
Twitter