ASTRONOMIJA

Pripremio: Mirko Jakovljević

Zbog neobične svetlosti sa druge strane svemira

Nedoumice koje su „sletele“ na Zemlju 1998. godine donete su na zraku svetlosti. Na putovanju od jednog dalekog kvasara, dugom 12 milijardi godina, ta svetlost je prošla kroz međuzvezdane oblake metala poput gvožđa, nikla i hroma. Kada je astronom Džon Veb, sa timom naučnika u Sidneju, analizirao ovu svetlost, otkrio je da su ti atomi apsorbovali neke od fotona svetlosti. Ali, prema zakonima fizike, apsorbovali su pogrešne fotone. Nešto nije bilo u redu.

Ako su astronomi sigurni u ono šta su primetili, onda je objašnjenje za to kako materija i sile međusobno reaguju - pogrešno. M-teorija, ideje da je sva materija sačinjena od vibrirajućih stringova, takođe se ne može nositi sa ovim zapažanjem. Uključivanje otkrića astronoma u M-teoriju značilo bi da se teorije moraju toliko promeniti da ne bi više bile u stanju da objasne prihvaćene koncepte koji opisuju kako se svemir širio nakon Velikog praska. To bi značilo menjanje teorija do mere da bi se ispostavilo da je dugo tražena Higsova čestica već trebalo da se pojavi u našim akceleratorima čestica. Drugim rečima, sa našim sadašnjim poznavanjem svemira to je neizvodivo.

Kako to da jedan bljesak svetlosti izazove takav haos? Da li zbog toga što predlaže da jedan od stubova moderne fizike - konstanta fine strukture, ili alfa - uopšte nije konstantna? Alfa diktira kako fotoni reaguju sa česticama poput elektrona, opisujući, na primer, koje fotone mogu apsorbovati elektroni u oblaku atoma metala. Danas, alfa je oko 1/137. Ali, posmatrajući svetlost koja je došla sa kvasara, Veb je otkrio da je alfa manja za oko jedan milioniti deo njene sadašnje vrednosti. Pre 12 milijardi godina, gvožđe i magnezijum su apsorbovali fotone različitih energija od onih koje apsorbuju danas.

Alfa možda varira...

Kada je Veb prvi put objavio da se alfa možda promenila, fizičari su bili više skeptični nego zabrinuti. Svi su pomislili da se radi o eksperimentalnoj grešci. Veb je nastavio da proverava svetlost koja je došla sa više od hiljadu kvasara - do sada, svako merenje je potvrdilo promenu vrednosti alfe. Ako su Vebova merenja tačna, svaka oblast fizike koja ima veze sa alfom moraće da ponovo bude obrađena. Alfa je konglomerat drugih supstanci i izražava se formulom 2Be2/hc, gde je h Plankova konstanta, e elementarno naelektrisanje, a c brzina svetlosti. U početku, ideja da alfa možda varira navela je istraživače da se zapitaju da li bi mogli da adaptiraju tu ideju. Na primer, naučnici su nagoveštavali da su naelektrisanje elektrona ili brzina svetlosti varirali u prošlosti. Ta ideja jeste kontroverzna ali bi mogla da objasni zapažene podatke i reši neke druge zagonetke kosmologije.

Za teoretičare, pojednostavljena rešenja poput ovog nisu dovoljna. Stvar je u tome što alfa upravlja mnogim drugim procesima, poput snage slabe nuklearne sile koja utiče na to kako Sunce gori i kako se javlja radioaktivni beta-raspad, utiče na širenje Univerzuma nakon Velikog praska, pruža način da se predvidi tempo kojim se ovi procesi dešavaju - a sva predviđanja zasnovana na današnjoj vrednosti alfe podržana su eksperimentima.

U vakuumu, parovi čestica i antičestica konstantno nastaju i potom se odmah uništavaju. Proces stvaranja i uništavanja para elektron-pozitron takođe stvara i uništava jedan foton, a alfa kontroliše snagu ovih procesa. Fizičari mogu da provere proračune o tome koliko je energije potrebno za ove procese i tempo kojim se dešavaju, u odnosu na eksperimentalne dokaze. Do sada, eksperimenti se uklapaju sa proračunima zasnovanim na današnjoj vrednosti alfe.

Ali, ukoliko se vrednost alfe promeni, proračuni fizičara se više ne bi slagali sa onim što izmere eksperimentima. Energija vakuuma je posebno značajna jer je direktno povezana sa kosmološkom konstantom, lambdom, koja opisuje ubrzano širenje svemira. Lambda je izuzetno osetljiva na snagu alfe i bilo kakva varijacija učinila bi da, teoretski, rani svemir fizičara poraste neverovatno brzo. Sva konvencionalna kosmologija bila bi tako promenjena da se više ne bi poklapala sa opservacijama.

Međutim, ne bi bilo prvi put da su naučnici morali da se posluže kreativnim razmišljanjem kako bi učinili da njihove ideje funkcionišu. Teoretičari predviđaju vrednost za lambdu koja je 10120 puta viša od primećene vrednosti. Naučnici smatraju da ovo znači da postoji još neotkriveni fizički mehanizam koji je smanjuje na primećenu vrednost. Kada se ovaj faktor uključi u njihove modele, može se smanjiti energija vakuuma kako bi se uklopila u posmatranja a da ne utiče ni na šta drugo.

Sa alfom to nije moguće jer se njenom promenom moraju promeniti parametri u teoretskim modelima - uključujući i faktor koji čini da se lambda precizno uklapa u posmatranja. Ukoliko su Vebovi proračuni tačni, moguće je da se možemo oprostiti od našeg „razumevanja“ svemira.

Elementi posle Velikog praska

Varirajuća alfa bi mogla doneti i neke koristi. Mogla bi razrešiti kosmološki „problem horizonta“, na primer. Fizičarima je teško da objasne zašto su pojedini udaljeni delovi Univerzuma na otprilike istoj temperaturi. To znači da su ova područja nekada bila dovoljno blizu da kroz njih prolazi energija i tako izjednačuje njihove temperature.

Alfa u jednom trenu Džon Berou, kosmolog sa Kembridža, je sa kolegama napravio model kosmosa sa varirajućom vrednosti alfe. Rezultati su bili veoma zadovoljavajući. Njihov model koristi alfu čija vrednost varira samo u jednom trenutku evolucije Univerzuma. Ovim su savremena ograničenja u variranju alfe svedena na minimum.

Jedan od načina da se ova pojava objasni je da je, možda, brzina svetlosti bila veća u ranom svemiru nego danas, čime je omogućeno energiji da u vidu svetlosti prolazi kroz pomenute prostore. A ako je brzina svetlosti opala vremenom, to bi moglo objasniti zašto se alfa povećala.

Ovo nije jedina zagonetka koju bi promene u alfi rešile. Naučnici su otkrili kako su promene vrednosti alfe mogle da promene način formiranja elemenata poput helijuma, u ranom svemiru. Hlađenjem svemira, nije bilo dovoljno energije za slabu nuklearnu silu da promeni protone u neutrone i obrnuto. Od tada je fiksiran broj protona i neutrona.

Astronomi su izračunali da je ovaj događaj odredio gornju granicu broja jezgara helijuma koja su mogli nastati. Ipak, količina helijuma nakon Velikog praska bila je znatno veća nego što se teorijama pretpostavlja, osim ako se snaga slabe nuklearne sile nije promenila. Vrednost alfe određuje efekte slabe interakcije. Ako bi se alfa promenila, promenilo bi se i relativno mnoštvo helijuma i vodonika stvoreno nakon Velikog praska. U stvari, mogli bismo da, na osnovu količine helijuma, stvorene u ranom Univerzumu, utvrdimo vrednost alfe u to vreme.

Pojedini naučnici smatraju da M-teorija dozvoljava da se fizičke konstante poput alfe menjaju vremenom. Drugi smatraju da, prema M-teoriji, varirajuće konstante direkno protivureče eksperimentalnim zapažanjima. Ako se ispostavi da su Vebova merenja tačna, to bi značilo da broj fundamentalnih konstanti uopšte nije konstantan; da je M-teorija pala na svojoj prvoj eksperimentalnoj prepreci, kao i da je ovaj standardni model jedno nedovoljno koherentno objašnjenje podatomskog sveta. I sve to zbog neke neobične svetlosti sa drugog kraja kosmosa.

Mirko Jakovljević