Там на стра на све ми ра

Transcript

1 Природне науке Natural sciences Eстественныe науки Там на стра на све ми ра 397 Овај чланак, који је намењен широком кругу читалаца, представља кратак приказ савременог схватања свемира, са посебним освртом на новија открића и актуелна истраживања. Недавно велико откриће каже да се свемир убрзано шири. Новија истраживања говоре да у свемиру има готово 96% невидљиве материје чија нам је природа непозната и њено откривање спада у највеће савремене научне иза зо ве. Продор у материју, простор и време. У току свог целокупног постојања човек је стал но те жио да спо зна свет око се бе, а тиме материју, простор и време. Та животна потреба и знатижеља развијалe су се упо ре до са раз во јем људ ског ро да. У почетку се то сводило на упознавање основних својстава предметa у најближем окру же њу, за ви ри ва ње иза хо ри зон та и поку шавањa да се на слу ти шта се мо же догодити следећег дана. Човек је постепе но све ви ше и ви ше про ди рао у ду би ну ма те ри је, са гле да вао ши ри ну не бе ског про сто ра, ин те ре со вао се за про шлост и бу дућ ност. На пу ту у ми кро свет, слу же ћи се акцелераторима, успео је да убрза наелектрисане честице (протоне и електроне) до тако великих енергија да у њиховим ме ђу соб ним су да ри ма са гле да струк ту ру материје до растојања око m. На пу ту у ма кро свет, ко ри сте ћи ра ди о те ле ско пе, угледао је крајњи хоризонт који се налази на граници метагалаксије, односно стигао је до ра сто ја ња око m. На пу ту у прошлост, за кљу чио је да ма те ри ја, про стор и вре ме има ју свој по че так. У то ку све га тра га ња да про дре у ду би ну ма те ри је, ширину простора и прошлост времена, небеско је представљало нешто посебно и ве о ма уз бу дљи во. По глед у ноћ но не бо. Гледање ноћнога неба, са мноштвом светлећих тачака и разних фигура на тамној позадини, било је од са мог по чет ка прот ка но ра зним осећањима нечег тајновитог, далеког, огромног, вечног, недостижног, судбоносног, божанског Небо је било предмет пажње многих и разних мислилаца. Данас је оно предмет изучавања више научних дисциплина, а посебно астрономије, астрофизике и космологије. Много се сазнало о 33 Aktuelno.indd :50:33

2 398 ви дљи вим објек ти ма, али још ви ше оста је непознатог на тамној страни неба. Шта је све мир? Све што по сто ји, и налази се у некој интеракцији, називамо свемир. У честој употреби су такође синони ми ва си о на и ко смос, а мо гу да се ко ристе и називи васељена и универзум. Да ли постоји више васиона? Могуће је. Али ако и постоје две васионе, пошто оне нису у не кој ин тер ак ци ји, мо же се сма тра ти да за би ло ко ју од њих она дру га прак тич но не постоји, и тако нешто нећемо овде даље разматрати. За једну васиону сигурно зна мо да по сто ји, и то је ова на ша ко јој и ми сами припадамо. За нашу васиону користићемо даље реч свемир. Шта је космологија? Наука о свемиру као целини назива се космологија. Користећи резултате и методе истраживања многих природних наука, а посебно физике, астрофизике и астрономије, она се по не кад тре ти ра и као део не ке од ових наука. Међутим, она се све више развија у посебну мултидисциплинарну научну област. У од но су на све дру ге на у ке она има најшири предмет истраживања. Од својстава свемира као целине, а пре свега од његове даље еволуције, зависи судбина свих његових делова. То такође одређује оквире еволуције и судбине човечанства, разума и живота уопште. Та судбоносна својства свемира још су нам непозната и припадају (према данашњим схватањи ма) ње го вој там ној стра ни, ко ју чи не тзв. тамна енергија и там на ма те ри ја. Четири фундаменталне силе. Материја, простор и време су узајамно повезани у оквиру опште теорије релативности, ко ја је Ајн штај но ва те о ри ја гра ви тације и уједно теоријска основа савремене космологије. У природи су до сада позната четири типа фундаменталних интеракција (сила): гравитациона, електромагнетна, јака и слаба. Гравитациона си ла је пр ва са ко јом се чо век су сре ће и на коју се навикава већ у периоду свога детињства. Она је универзална, јер делује привлачно између било која два делића материје, па тиме и између Земље и човека дајући му тежину. Електромагнетна сила делује између било које две наелектрисане елементарне честице, и практично сма тра мо да су основ ни но си о ци електрич ног на бо ја елек тро ни и про то ни. Та сила постоји између тела која имају вишак или мањак електрона у односу на про то не. Све елек трич не, маг нет не и оп тич ке по ја ве су раз не ма ни фе стаци је елек тро маг нет не ин тер ак ци је. Ја ка интеракција формира атомско језгро од протона и неутрона, а слаба интеракција регулише распад неутрона. Док су јака и слаба интеракција ограничене на растоја ња ве ли чи не атом ског је згра или ма ња, електромагнетна и гравитациона сила делују и на макрорастојањима. Тако свакој од ових интеракција одговара област простора у којој је она доминантна. На ко смич ким ра сто ја њи ма, од но сно из ме ђу небеских тела, практично постоји једна сила, и то је гравитација. За сада сматрамо да је гравитација и једина сила која управља еволуцијом целокупног свемира. Метагалаксија видљиви део свеми ра. Ду го је чо век мо гао да по сма тра не бо са мо го лим оком. Пре че ти ри ве ка по чео је да упо тре бља ва оп тич ке те леско пе, а од сре ди не про шлог ве ка ве о ма ко ри сти и ра ди о те ле ско пе. Мо же се ре ћи да данас астрономи посматрају свемир на свим таласним дужинама електромагнетног зрачења. Поред тога детектује се и оста ло ко смич ко зра че ње, ко је има честичну природу. Анализом електро- 33 Aktuelno.indd :50:39

3 маг нет ног и дру гог ко смич ког зра че ња дошло се до неколико битних закључака о метагалаксији, што је видљиви, односно опсервациони део свемира. Хомогеност и изотропност свемира. Основни структурни елементи свемира су галаксије, тј. огромне скупине звезда, ко јих мо же би ти и не ко ли ко сто ти на ми ли јар ди, и ме ђу зве зда не ма те ри је састављене од гаса и прашине. Наша галаксија, Млечни Пут, садржи наш Сунчев систем и око двеста милијарди других звезда. То је ноћу и најупадљивији део неба. Поред Млечног Пута постоји још око двеста милијарди галаксија. Као што на ше Сун це спа да у зве зде сред ње ве личи не та ко и Млеч ни Пут при па да осредњим галаксијама. Иако су галаксије, па ти ме и ма те ри ја, ло кал но не рав но мер но распоређене, ипак на доста великим растојањима средња густина материје је константна, па кажемо да је свемир хомоген. Уста но вље но је да је све мир и изо тропан. Хомогеност и изотропност свемира зна че да је у ње му ма те ри ја на ко смич ким ра сто ја њи ма и у свим прав ци ма рав номерно распоређена. Стандардни космолошки модел. Америч ки астро ном Едвин Хабл (Edwin Hubble) је го ди не ана ли зом тзв. ко смичког цр ве ног по ма ка, тј. по ма ка спек тра галаксија ка њиховом црвеном делу, и његовим повезивањем са кретањем галаксија открио ширење свемира: брзина удаљавања галаксија је директно пропорционална њиховом растојању (v = Hd). Пре овог от кри ћа би ла су по зна та два теоријска модела: 1) Ајнштајнов модел, по ко јем је све мир у об ли ку тро ди мензионе сфере и статичан, и 2) Фридманов мо дел, пре ма ко јем све мир не мо же би ти статичан већ динамичан, тако да се шири или ску пља. Ха бло во от кри ће по твр ди ло је Фридманов модел и показало да се свемир налази у фази ширења. После тога от кри ћа раз ма тра ле су се раз не мо гућности ширења и после Другог светског рата искристалисала су се два прилаза: 1) стационарно ширење, пре ма ко јем све мир се веч но ши ри и стал но је исти, јер се у то ку ши ре ња ства ра по треб на ма те ри ја, одр жа ва ју ћи гу сти ну кон стантном, и 2) ве ли ки пра сак (Big Bang), што зна чи да је све мир имао по че так ка да је био ве о ма ма ли, густ и ужа рен. От кри ћем ко смич ког ми кро та ла сног по за дин ског зрачења године потврђен је модел великог праска и установљено да температура свемира сада износи 2.7 К. После тога космологија почиње да се теоријски и опсервационо интензивније развија. Технички напредак човечанства омогућава тачнија мерења физичких особина свемира. У теоријским истраживањима поред опште теорије релативности користе се и друге физичке теорије, а посебно квантна механика, квантна теорија поља и теорија елементарних честица. Фридманов модел ширења са великим праском на почетку се профињује.тако нпр. уведен је године инфлациони сценарио који побољшава неке недостатке стандардног Фридмановог модела, тако што је свемир у току веома кратког делића времена прве секунде његовог постојања имао огромно (инфлационо) ширење. Сам настанак и почетак еволуције разматрају се у оквиру квантне космологије, која представља примену квантне механике на свемир као целину. Убр за ње све ми ра. У окви ру оп ште прихваћеног ширења свемира очекивало се да после изузетно кратког периода инфлационог ширења, његово даље ширење се постепено успорава. Међу Aktuelno.indd :50:39

4 400 тим дошло је до сензационалног от кри ћа: у по след њих пет ми ли јар ди година свемир се убрзано шири. Почетак овог убр за ног ши ре ња при бли жно од го ва ра по чет ку фор ми ра ња Сун че вог система. Овде вреди напоменути да је укупна старост свемира у последње време добро процењена и износи 13,7 милијарди година. Откриће убрзаног ширења свемира је произашло из изучавања једне класе удаљених супернових (SNe Ia), звезда које су експлодирале на крају свог животног циклуса. Њихов сјај је опсервиран не што бле ђим од оче ки ва ног, што је интерпретирано као последица њиховог убр за ног уда ља ва ња. Ово от кри ће убр заног ширења је потом потврђено и другим ко смич ким по сма тра њи ма. Шта је узрок убр за ног ши ре ња свеми ра? О томе брину многи научници, а посебно космолози и физичари теоретичари у области елементарних честица и гравитације. У прилазу овом проблему тре ба се обра ти ти Ајн штај но вим јед начи на ма за гра ви та ци о но по ље, ко је представљају теоријску основу моделирања свемира. Подсетимо се да у структури ових једначина постоје два дела: 1) геометријски део, који описује геометрију простор-времена свемира и 2) материјални део, који садржи просторно-временску рас по де лу гу сти не и при ти ска ма те ри је. Ова два де ла су по ве за на зна ком јед нако сти и ме ђу соб но ути чу је дан на дру ги. Из Фридманових једначина, које се добија ју из Ајн штај но вих при стан дард ним прет по став ка ма и опи су ју Фрид ма нов модел свемира, директно не следи убрза но ши ре ње. Оно што сле ди из ана ли зе ових јед на чи на сво ди се углав ном на две могућности: 1) Ајнштајнове једначине су ко рект не и у њих тре ба да се до да још је дан но ви вид ма те ри је и 2) Ајн штајнове једначине треба да се модификују, јер у датом облику су веома једноставне, а постоје разне могућности за њихово уопштавање. Већина научника сматра да је у пи та њу пр ви слу чај и но ви вид ма те ри је је на зван тамна енергија. Шта је там на енер ги ја? То је пот пу но но ви вид ма те ри је, ко ји има сле де ће хи потетичке особине: 1) хомогено је распоређена по целом свемиру, 2) делује одбојно и има не га ти ван при ти сак, што је узрок убр за ног ши ре ња све ми ра и 3) њен удео у целокупној материји свемира је 72 ± 2%. Ка ква је при ро да там не енер ги је? За са да на ово пи та ње не ма оп ште прихваћеног одговора, иако је ово предмет интензивних истраживања. Одговори који се нуде јесу прелиминарни и могу се поделити у три групе, у зависности од вредности параметра w у једначини ста ња ма те ри је p = wρ, где је p при ти сак а ρ густина материје: 1) тамна енергија је квинтесенција, тј. једно скаларно физичко по ље са 1 < w < 1/3; 2) там на енер ги ја је космолошка константа Λ (ламбда), тј. енер ги ја ва ку у ма са w = 1; и 3) там на енерги ја је фан том ска ма те ри ја, тј. ма те ри ја са w < 1. Измерена вредност параметра w је w = 0.97 ± 0.06, тј. још увек је мо гућ би ло који од три наведена случаја. О космолошкој константи. Космолошку кон стан ту Λ је го ди не увео сам Ајн штајн у члан ку о ста тич ком мо де лу свемира. Према тадашњем Ајнштајновом схватању свемир је статичан, а да би био та кав, по треб но је да не што стал но и константно делује супротно гравитационом привлачењу, а то је управо ко смо ло шка кон стан та са по зи тив ном вредношћу (Λ > 0). Касније је показано да Ајн штај нов ста тич ки мо дел ни је при- 33 Aktuelno.indd :50:39

5 хватљив, јер је нестабилан. Напуштајући иде ју ко смо ло шке кон стан те Ајн штајн је из ја вио да је ње но уво ђе ње био ње гов највећи научни промашај. Међутим, пи та ње ствар ног по сто ја ња ко смо ло шке константе и енергије вакуума је остало једним од крупних космолошких и елемен тар но-че стич них про бле ма и иза зо ва, који су недавно интензивирани открићем убрзаног ширења свемира. У случају да је узрок убр за ног ши ре ња ко смо ло шка константа свемир ће наставити да се убрзано ши ри и га лак си је ће се све ви ше ме ђусобно разилазити. У преостала два случаја, тј. квинтесенције и фантомске енерги је, мо гу ће је да се там на енер ги ја ме ња то ком вре ме на и да у бу дућ но сти чак игра привлачну уместо садашње одбојне улоге. Нај дра стич ни ји слу чај убр за ног ши ре ња је фан том ски са кон стант ним w < 1, јер довoди чак и до ши ре ња ато ма и ње говог растурања у току коначног будућег времена. Шта је тамна материја? Већ тридесетих година прошлог века (Fritz Zwicky, 1933) је уочено да је за објашњење расподеле ве ли ких бр зи на ме ђу соб ног кре та ња унутар кластера галаксија потребно увести не ку скри ве ну ма те ри ју, ко ја сво јом гравитацијом спречава њихово растурање и одржава их на окупу. Неопходност постојања такве невидљиве материје потврђена је по том у ви ше слич них слу ча је ва, и за њу је уве ден на зив там на ма те ри ја. Под там ном ма те ри јом се под ра зу ме ва је дан но ви вид ма те ри је ко ји ин тер а гу је гра вита ци о но али не и елек тро маг нет но; рас поређена је тамо где и галаксије са њиховим ха ло и ма и не ма ве ли ке бр зи не кре та ња. Да кле, там на ма те ри ја је гра ви та ци о но привлачна и не садржи наелектрисања, па не ма елек тро маг нет ног зра че ња, и због то га је пот пу но там на у ши рем елек тромаг нет ном сми слу. Иако је од пр ве иде је о тамној материји прошло 75 година, још увек је питање њене природе велика научна загонетка. У току протеклог времена покушавано је да се састав тамне материје моделира разним елементарним че сти ца ма, али све је оста ло без у спе шно. Количина тамне материје је процењена на 23 ± 1% од укупне материје свемира. Шта је обична материја? Обич на ма терија је углавном састављена од протона и неутрона, а често се назива барионска ма те ри ја. Обич ну ма те ри ју чи ни сва видљива материја у свемиру. Од ње су начињени атоми, ми, Земља, Сунце, звезде, галаксије и сва позната материја. Природа ове материје нам је добро позната и описује се стандардним моделом физике елементарних честица. Некад смо сматра ли да је све, или го то во све, са ста вље но из ове ма те ри је, ме ђу тим ис по ста ви ло се да ње има у све ми ру са мо 4.6 ± 0.2%. Там на стра на све ми ра је уоби ча јен назив у научној и популарној литератури, и под њим се углавном подразумевају космолошки аспекти тамне енергије и там не ма те ри је. Ме ђу тим, у ши рем смислу то мо же да се од но си и на сва озбиљ на космолошка предвиђања која још нису довољно или уопште експериментално односно опсервационо потврђена. Да поменемо нека од таквих предвиђања базирана на М-теорији, која садржи теорију суперструна у којој су струне елемен тар ни кон сти ту ен ти све ми ра. Пре ма М-теорији наш простор има 7 додатних димензија, које су мале и долазе до изражаја на растојањима блиским Планковом растојању (10 35 m). Напомињемо да се до сада стигло само до растојања m. Уско ро тре ба да се пу сти у рад но ви ак целератор у ЦЕРН-у, у Же не ви, ко ји ће продрети нешто дубље у простор и вероватно Aktuelno.indd :50:40

6 402 омо гу ћи ти от кри ће не ко ли ко но вих елемен тар них че сти ца. М-те о ри ја да је та ко ђе могућност постојања тзв. мул ти вер зу ма (ен гле ски: мул ти вер се), тј. ва си о не са више просторних домена који се међусоб но раз ли ку ју по вред но сти ма основних фи зич ких кон стан ти. Будућност космологије и свемира. Ко смо ло ги ја ће у бу дућ но сти игра ти веома важну улогу, дајући човечанству све више потребних и корисних сазнања о свемиру. Расветљавање тамне стране свемира биће један од главних предмета истраживања. Од понашања тамне енер ги је и там не ма те ри је за ви си ће да ља будућност свемира и његова судбина. Из досадашњих истраживања није јасно да ли ће се све мир веч но ши ри ти или ће се ши ре ње за у ста ви ти и пре ћи у ску пља ње. У оба случаја свемир очекује својеврсна смрт: веч но ши ре ње хлад на, а ску пља ње врућа. Један од привлачних хипотетичних модела јесте циклични свемир у коме сва ки ци клус има ши ре ње и ску пља ње, а циклуса може бити бесконачно много. На тај на чин све мир не иш че за ва потпуно при скупљању и има бесконачно тра ја ње. Овај мо дел нас под се ћа на је дан мит ста рих Егип ћа на о пти ци феникс ко ја жи ви 500 го ди на, а за тим са ма се бе спа ли да би из пепела оживела подмлађена и поново живела 500 година до следеће ломаче. Познати су случајеви у физици када се око неког новог феномена улагало мно го без у спе шног тру да да се он об јасни у оквиру постојеће теорије. Међутим, релативно просто и природно решење се налазило увођењем нових физичких принципа и математичких метода. Један нови обећавајући космолошки прилаз јесте аделична космологија, која почива на аделима. Адели су једна математичка конструкција која укључује поред реалних и све р-адич не бро је ве, тј. са др жи све скупове бројева који су уопштење скупа рационалних бројева. Од године р-адич ни бро је ви и аде ли се успе шно користе у моделирању неких сложених феномена. Могуће је да као што реални бројеви добро описују обичну материју да тако природу тамне стране свемира описују р-адични бројеви. У току је разрада једне идеје аделичног свемира који је са ста вљен из ре ал ног и р-адич них светова. У сваком случају од успеха будућих истраживања свемира зависиће колико ће дуго његова тамна страна остати тамном. Бранко Драговић (Београд) 33 Aktuelno.indd :50:40