TEMA BROJA

M. Rajković

Duboki svemir-Svemir na drugim mestima

Krije li TKG tajnu tamne energije

Priča se a i veruje da je nekada, u praistoriji, na Zemlji postojala visoko razvijena civilizacija koju je uništila neka svetska katastrofa, promenivši oblik kontinenata i izmenivši sudbinu čovečanstva. Različiti ljudi doživljavaju ovaj površinski svet na različite načine i imaju različita gledišta o njegovim svojstvima. Ali to su samo mišljenja o svetu ali ne i pravo znanje o svetu. Postoje dve vrste znanja. Jedno je svakodnevna vrsta znanja o svetu, koju stičemo čulima (i koja se obično nazivaju iskustvom), a koja su dovoljna običnim ljudima u njihovom svakodnevnom životu. To, međutim, nije pravo znanje. Svet iskustva je neka vrsta iluzije, paravan koji od nas skriva pravu istinu. Svet znanja je i svet ideja i istraživanja, traganja.

Kosmološko načelo 

Šta možemo da uradimo? Da pretpostavimo da svemir izgleda relativno slično na svim mestima, a to se zove kosmološki princip. “To je jedan postulat, hipoteza, koji kaže da je materija u svemiru raspoređena na način koji je homogen i izotropan, da je ravnomerno raspoređena. Grubo rečeno, gde god pogledom taknemo univerzum na velikim skalama, materija je ista, kao i sve ostale tačke. Na malim skalama, ako  izaberemo jednu tačku, vidimo da tu ima zvezda, planeta, galaksija, ali na kosmološkim skalama mi više ne vidimo zvezde, planete, galaksije ili druge  objekte, vidimo samo materiju u obliku supe koja svuda izgleda relativno isto”,  kaže o kosmološkom načelu dr Vojinović, dovodeći ga u vezu sa “kopernikanskom revolucijom”. 
-Kosmološki princip je nastavak Kopernikove ideje da se čovek ne nalazi u središtu svemira i da nema neko posebno mesto u njemu. Pre Kopernika smatralo se da Zemlja ima posebno mesto u vidljivom svemiru, ali on je ustvrdio da je Zemlja samo jedna od planeta koje se okreću oko Sunca. Sledom Kopernikovog razmišljanja ispostavilo se da ni Sunce ne zauzima neko specijalno mesto, već da je obična zvezda koja se okreće u našoj galaksiji. Astronomi su dalje otkrili druge galaksije među kojima ni naša galaksija ne zauzima neko izuzetno mesto i, ako idemo dalje ovom logikom, stižemo do kosmološkog načela: ne postoji nijedno specijalno mesto u svemiru, sva mesta su slična. Po svojoj suštini, ovo je  filozofska ideja, koja je veoma dobro potkrepljena podacima koje su astronomi  sakupili iz posmatranih galaksija. Svemir na velikim rastojanjima zaista izgleda  kao jedna ravnomerno razlivena supena masa, u kojoj nema nikakvih specijalnih  struktura. Kosmološki princip važi na tim velikim skalama. 
Poenta posmatranja univerzuma kakav je danas, na velikim rastojanjima koja  su daleko od nas, svodi se, dakle, na pozivanje na kosmološki princip.  Univerzum u ovom trenutku danas negde daleko izgleda isto, u velikoj meri,  kao što izgleda ovde kod nas. Univerzum je u prošlosti ovde kod nas izgledao  isto kao i na bilo kom drugom mestu u tom istom trenutku u prošlosti.

-To je način na koji možemo da, uslovno rečeno, teorijski zaključimo kako  izgleda univerzum na drugim mestima danas, bez obzira na to što nemamo 
eksperimentalni uvid. Ono što možemo da eksperimentalno vidimo je ono što se  nalazi unutar našeg svetlosnog konusa. 
Koliko bi izvođenje treće revolucije u fizici, teorije kvantne gravitacije, posle Njutnove teorije gravitacije i Ajnštajnove teorije opšte relativnosti, pomoglo istraživačima svemira da nađu odgovore na fundamentalna pitanja koja ih muče? Ima li ovakvo pitanje uopšte bilo kakav smisao? 
-Ima - kaže bez dvoumljenja Vojinović, otvarajući veliku zagradu, pre nego što  nam objasni šta je to što kvantnu gravitaciju povezuje sa pitanjima savremene vangalaktičke astronomije i kosmologije i zašto je ta veza “samo posredna”. - Kvantna fizika se bavi istraživanjima gravitacionih pojava na najmanjim rastojanjima, manjim od atoma, manjim od atomskog jezgra, manjim od bilo čega drugog. Na tim tzv. Plankovim rastojanjima, teorijske fizičare zanima kako se ponaša gravitaciono polje. Teorija kvantne gravitacije bi dala odgovor na to pitanje. Ta izuzetno mala rastojanja nemaju apriori nikakve veze sa kosmološkim rastojanjima. Efekti karakteristični za gravitaciono polje na tim sićušnim  rastojanjima u velikoj meri su obrisani efektima na velikim skalama jer je između  njih ogromna razlika. 
Vojinović to ilustruje vrlo plastičnim primerom. Ako posmatramo Plankovo rastojanje, veli, pa zatim sve veća i veća, tako stignemo do rastojanja koja  možemo da detektujemo pomoću LIGO detektora ili pomoću Velikog hadronskog sudarača (LHC), pa posmatramo još veće, pa stignemo do skala normalnih  elementarnih čestica (kvarkova, leptona itd), pa još većih kao što su pojedinačni  protoni i neutroni koji čine atomsko jezgro, pa redom posmatramo rastojanja običnih atoma, molekula, hemijskih jedinjenja, manjih i većih ćelija, višećelijskih organizama, do svakodnevnih skala u kojima živimo, pa rastojanje  između Zemlje i Meseca, ili Zemlje i Sunca, pa ceo Sunčev sistem, i dalje, jata  zvezda (u kome je naše Sunce) čitave naše galaksije, lokalnog jata galaksija kome pripada naš Mlečni put i njemu bliska galaksija Andromeda, pa odemo na skale  klastera (strukture velikog broja galaksija) i skupine klastera (superklastera) i na  kraju na još veću skalu na kojoj se superklasteri toliko razmažu da ih više ne vidimo kao pojedinačne strukture, na svakom koraku u celom tom nizu gubi se deo informacije o finim, sitnim efektima koje imamo na nivou teorije kvantne  gravitacije. Kada dođemo na skalu kosmologije, najvišu skalu koju možemo  zamisliti, svi efekti, ili najveći broj efekata kvantne gravitacije su praktično  ispeglani i usrednjeni. Sve što možemo da vidimo u stvari je klasična teorija  gravitacije, Ajnštajnova Opšta teorija relativnosti koja praktično rukovodi  evolucijom univerzuma kao celinom.

Gravitacija ili materija 

Ako se vratimo pitanju: šta povezuje kvantnu gravitaciju sa vangalaktičkom astronomijom i kosmologijom, priča o kvantnoj gravitaciji i dubokom svemiru, veli, ima dva aspekta. Prvi aspekt je karakterističan za astrofizička rastojanja, veličine jedne ili nekoliko galaksija. Reč je o fenomenu poznatom pod  nazivom tamna materija. 
-To je hipotetička vrsta materije koju fizičari vole da pretpostavljaju da postoji,  jer pretpostavljanje da postoji objašnjava neke eksperimentalne podatke koje vide astronomi. Ukoliko te tamne materije nema, onda dobijene eksperimentalne podatke ne možemo da objasnimo. Tamna materija je rđav termin, tačnije bi bilo zvati je providna materija jer ne interaguje sa svetlošću, zato je i ne vidimo, ali interaguje gravitaciono i zbog toga vidimo njen gravitacioni efekat. To je jedini način da zaključimo da tamna materija postoji. 
Ono o čemu mi nemamo pojma jeste kako je ona nastala, da li je uopšte materija  u tradicionalnom smislu tog pojma, ili je neko novo polje o kome ništa ne znamo. Uopšte ne znamo kakva je struktura tamne materije, jedino znamo da u galaksiji imamo više mase, više energije nego što bismo očekivali na osnovu onoga što ne sija (zato je i dobilo naziv tamna). Tamne materije ima neuporedivo više nego obične materije (čini 85%, a samo 15% je materija koju detektujemo i možemo da vidimo) i nikako ne interaguje sa običnom, vidljivom materijom, osim gravitaciono. Gravitacioni efekat možemo da merimo, ali on je veoma slab.
Jedna od hipoteza koja bi mogla da objasni odakle dolazi tamna materija i njenu prirodu kaže da tamna materija zapravo i nije materija, nego je još jedan aspekt gravitacionog polja. Ako je tako, to bi bila još jedna osobina gravitacije. “Ali to pitanje je kontroverzno”, kaže dr Vojinović. “Da li je gravitacija ili materija, pitanje je o kome među naučnicima nema konsenzusa, ali postoji pretpostavka u toj debati da bi kvantna gravitacija, kao fundamentalna teorija, mogla da konačno odgovori od čega se sastoji tamna materija. To je ono što bismo mi želeli, ostaje pitanje da li ćemo uspeti da konstruišemo teoriju kvantne gravitacije.” 
Fizičari nemaju eksperimentalni uvid u to kako teorija kvantne gravitacije treba da izgleda. Prema Vojinovićevom mišljenju, samo formulisanje teorije nije problem, problem je što je dosad formulisano nekoliko različitih kvantnih teorija gravitacije i ne zna se koja je od njih tačna. I nije problem da naučnici ne znaju kako ta  teorija treba da izgleda nego je problem formulisati jedinstvenu teoriju. 
“Kroz istraživanja, poslednjih desetak godina, napravljen je niz modela kvantne gravitacije, ali nije utvrđeno koji je od tih modela pravi. Jedini način da se to zaključi je eksperiment, a eksperimenata na skalama manjim od atomskog jezgra nema, teško ih je napraviti. Praktično, eksepriment je glavna kočnica za  razumevanje kvantne gravitacije, a kvantna gravitacija može da pruži uvid i da ima odjeka u razumevanju astrofizičkih pojava, konkretno tamne materije”, smatra  naš sagovornik, koji se bavi teorijom kvantne gravitacije na petljama, pravcem  koji je poslednjih trideset godina doživeo veliku ekspanziju po broju radova i istraživača koji se njime bave. 

Misterija tamne energije 

-Drugi aspekt u kome kvantna teorija gravitacije može da ima odjeka na velikim skalama je tamna energija. To je takođe misteriozna pojava, koja nema apsolutno nikakve veze sa pojmom tamne materije, osim što i jednu i drugu zovemo  tamnom - kaže dr Vojinović. - To su potpuno različite pojave i ne treba ih mešati.  Različite su zbog svojih osobina. Tamna materija je nešto što liči na materiju,  ponaša se kao materija koju znamo. Ako povećamo zapreminu prostora u kome se tamna materija nalazi, ona će biti razređena dok, za razliku od nje, tamna energija  nema tu osobinu, ona se ne razređuje. Ukoliko imamo određenu količinu tamne  energije u jednom kubnom metru i raširimo tu zapremenu na dva kubna metra,  imaćemo duplo više tamne energije, jer njena gustina ne zavisi od zapremine. 

Šta je tamna energija? Ona se opisuje jednim jedinim parametrom, a to je kosmološka konstanta. Tim parametrom obuhvaćeni su svi efekti tamne energije koje možemo da vidimo, a oni se svode na ubrzano širenje svemira. Vojinović pomenuti parameter ovako objašnjava: “Ajnštajnova Opšta teorija relativnosti ne kaže prosto da se svemir širi, prema standardnom kosmološkom modelu, nego  kaže tačno kojom brzinom treba da se širi, kako treba da se odvija evolucija tog  širenja. Na koji način se tačno rastojanje između dve zadate tačke menja. OTR  predviđa da se svemir širi, ali i da se samo širenje polako usporava, da je njegova brzina, kako vreme odmiče, sve manja i manja. Međutim, naučnici su  eksperimentalno uočili da se rastojanje između bilo koje dve tačke u svemiru ne  povećava sve sporije i sporije, nego sve brže i brže, odnosno njegovo ubrzano  širenje. Za ovo otkriće je 2011. godine dodeljena Nobelova nagrada. Da bi se ta  eksperimentalna pojava objasnila, morala je da bude uvedena kosmološka  konstanta kao parametar koji će dinamiku širenja da uskladi sa Ajnštajnovom  teorijom”. 

Kosmološka konstanta opisuje pojavu širenja svemira; međutim, ono što bi  fizičari voleli da razumeju jeste razlog zašto se svemir ubrazano širi. Ne samo da  kažu da postoji kosmološka konstanta, nego da ona bude odraz neke fizičke  pojave. “Ta fizička pojava je zapravo tamna energija”, kaže M. Vojinović. “Ona je vezana za pojavu ubrzanog širenja svemira i za kosmološku konstantu. Tamna  energija je odgovorna za nenultu vrednost kosmološke konstante. Ti kosmički  događaji su na skalama većim od jata galaksija, širenje svemira vidljivo je na tim  najvećim kosmološkim rastojanjima.” 
Postavlja se, naravno, i pitanje prirode tamne energije, od čega se ona sastoji. Šta je njen uzrok? Priroda tamne energije je jednako misteriozna kao i priroda tamne materije. Fizičari zasad ne znaju od čega se te dve pojave sastoje. Kvantna teorija gravitacije je praktično jedan od kandidata koji bi teorijski mogao da razjasni 
prirodu tamne energije, odnosno pruži uvid u to od čega je ona apravljena, zašto se pojavljuje. 
Rad M. Vojinovića (koautor A. Miković) Solution to the Cosmological Constant Problem in a Regge Quantum Gravity Model, iz 2015, citiran u publikaciji: V. Husain and B. Qureshi, Ground state of the universe and the cosmological constant, predstavlja prvu primenu spincube modela na problem kosmološke konstante i, kako je istaknuto, “daje netrivijalan doprinos njegovom rešavanju”, a sam model “otvara i mogućnost unifikacije gravitacije sa ostalim interakcijama, mogućnost koja je bila potpuno nedostižna u svim dosadašnjim modelima  kvantne gravitacije”. 
-Postoje raznorazni modeli kvantne teorije gravitacije i u okviru tih modela postavlja se pitanje pojave tamne energije, i u nekom od njih možda je moguće dobiti odgovor. To ne znači da bi taj odgovor bio tačan, ali daje potencijalan uvid u prirodu tamne energije. Samo taj aspekt teorije kvantne gravitacije, koja se bavi najsitnijim rastojanjima, može da ima odjeka na osobine prirode svemira na najvećim rastojanjima, tj. na ono što se obuhvata pojmom duboki svemir”,  kaže na kraju priče o kvantima i kosmološkim skalama M. Vojinović i zaključuje:  “Retke su pojave koje povezuju tako mala rastojanja sa najvišim skalama, kao što  su kosmičke megastrukture.” 

M. Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"