Crno, možda zauvek

Mario Livio je odjednom bacio ključeve od kola uvis. Oni su leteli nagore, zastali svetlucajući na vrhu lučne putanje, a onda su shodno onome što naš mozak očekuje – pali nazad u njegovu šaku. „U tome je problem”, objašnjava dr Livio, teoretičar na američkom Institutu za nauku vasionske teleskopije, u kampusu „DŽon Hopkins”. Pre deset godina, astronomi su otkrili da ono što važi za ključeve od kola ne važi za galaksije. Pošto su razbacane silinom „Velikog praska” galaksije su u odsustvu kosmičke gravitacije u toku svog kretanja ka beskraju postajale sve brže i brže. Da su kojim slučajem galaksije Livijevi ključevi, ne bi stale, već bi nastavile s letom i na kraju bi udarile u plafon. Priča o crnoj energiji počinje 1988. kad su dva naučna tima, nezavisno jedan od drugog, pokušala da izmere brzinu kojom se usporava ekspanzija svemira. Došlo se do šokantnog otkrića, jer se videlo da se svemir u stvari ubrzano, a ne usporeno širi i da je ubrzano širenje započelo pre možda pet milijardi godina. U fizičkoj kosmologiji crna energija je hipotetička forma energije koja pokazuje tendenciju povećanja brzine širenja kroz svemir. Prihvatanje postojanja crne energije najpopularniji je način kojim se objašnjava skorašnje zapažanje o ubrzanom širenju svemira. U standardnom modelu kosmologije, na crnu energiju otpada tri četvrtine ukupne energije u svemiru. Zna se da je crna energija vrlo homogena, ali ne i vrlo gusta. Nije poznato da ima interakciju preko nekih drugih fundamentalnih sila osim gravitacije. Kako nije vrlo gusta, grubo izračunato 10-29 grama po kubnom centimetru, teško je zamisliti eksperiment kojim bi se ona otkrila u laboratoriji. Ogroman uticaj crne energije na Svemir nastaje zato što ona sa svojih 74 odsto od ukupno raspoložive energije uniformno ispunjava prazan prostor. Iako su kosmolozi, za sve što dovodi do antigravitacionih događanja u svemiru, smislili odlično ime, crna energija, niko ne tvrdi da razume zašto se sve to događa i šta to može značiti za budućnost svemira i život u njemu, uprkos hiljadama naučnih članaka i saopštenja, zaključaka konferencija i uprkos teleskopima na koje se troše milioni dolara. Došlo se do toga da su neki kosmolozi bili na pragu napuštanja svog najdražeg sna: jedinstvene teorije koja bi se ticala svemira i svega što se u njemu događa. „Otkriće crne energije uveliko je izmenilo način mišljenja o prirodnim zakonima”, kaže Edvard Viten, teoretičar na Institutu za savremene studije u Prinstonu, NJu DŽersi. On misli da je prava priroda crne energije za sada stvar spekulacije i nagađanja. NASA i Departman za energiju planiraju da ove jeseni pozovu buduće učesnike planiranog projekta “Posle Ajnštajna”, koji bi obezbedili 600 miliona dolara za satelitsku misiju posvećenu crnoj energiji. Neki naučnici, međutim, misle da je to premalo. Kad su se nedavno skupili u Institutu za nauku vasionske teleskopije, da bi sebi obezbedili učešće u novoj revoluciji, mnogi su osetili nemoć u pokušajima razjašnjenja misterije crne energije, uprkos stalnom slivanju novih podataka sa neba, koji se očekuju i u narednim godinama. Kad god bi neki od fizičara došao na red da diskutuje o novim idejama o crnoj energiji, ne bi to ni pokušavao, a kamoli da bi nešto projektovao na belom platnu. Direktor Instituta Mat Maunten kaže da crna energija pruža današnjoj generaciji astronauta retku priliku za sticanje slave i da bi bilo mudro iskoristiti je. “Ulažemo mnogo, koristeći sopstveni ugled kao garanciju, da znamo šta radimo”, kaže Maunten. Uprkos bezbrojnim tehničkim mogućnostima i neprebrojanim zapažanjima, kosmolozi su posle decenijskih rasprava i konflikata nedavno došli do jakog ali nejasnog konsenzusa o kosmosu u kome su sve njegove zvezde i galaksije, kao i ljudi koji sve to sa Zemlje osmatraju, po broju značajni koliko i mehurići po obodu šoljice tek napunjene kafom. Kosmos se rodio pre 13,7 milijardi godina, tokom “Velikog praska”. Po težini gledano, on se sastoji od 4 odsto atoma i 22 odsto crne materije nepoznatog identiteta – možda su to elementarne čestice koje će biti otkrivene tek ove godine u velikom hadronskom akceleratoru u predgrađu Ženeve. Ostalih 74 odsto je, verovatno, ono zbog čega je kosmos počeo da se ubrzano širi pre pet milijardi godina. Kao detektivi, kosmolozi širom sveta počeli su da prave opise “zavere” odgovorne za ubrzanu ekspanziju svemira: ona se odvija na račun dve trećine gustine kosmičke energije; deluje suprotno gravitaciji, ne nagomilava se u galaksijama i razdvaja vreme – prostor. Danas se to sve naziva zajedničkim imenom – crna energija, mada kosmolozi imaju na umu i nešto što odgovara scenariju ubrzanja i ekspanzije kosmosa. To je kosmološka konstanta. Kad je Ajnštajn formulisao opštu teoriju relativiteta 1915, on je pretpostavio da se svemir ne širi niti smanjuje. Ali, znao je da će gravitaciono povlačenje ukupne svemirske mase pokazati tendenciju smanjenja svemira, tako da je 1917. izneo pretpostavku da svaki prazan prostor sadrži energiju, tj. “kosmološku konstantu” koja je protivteža gravitaciji i koja održava ravnotežu u svemiru. Kad je Edvim Habl otkrio 1929. širenje našeg svemira, Ajnštajn se odrekao svoje ideje nazvavši je velikim naučnim promašajem. Tek posle pokušaja merenja stope usporavanja širenja svemira videla se, kao što već znamo, prava stvar: svemirsko širenje, i to ubrzano. Svi pokušaji izračunavanja količine ove energije završavali su se dobijanjem nerealističnih, ogromnih brojeva, koji su označavali energiju dovoljnu da ukupni sadržaj kosmosa razbaca kao oluja jesenje lišće, pre nego što bi i mogle da se formiraju zvezde i galaksije. Tu ne bi bilo života. Nešto je nedostajalo u fizičarskim razumevanjima fizike! Logika je izgubljena. Kosmološka konstanta bi morala biti jednaka nuli, jer vodi ka razumevanju vakuuma, tj. do strukture realnosti. “Ipak, danas se čini da odgovor nije nula”, kaže dr Viten. “Pre otkrića crne energije kvantni fizičari su naginjali ka shvatanju da vakuum u kome živimo ima neko duboko značenje koje odražava najdublju prirodnu tajnu.” Problem je nastao 1998. kad su dva konkurentska tima astronoma, jedan pod rukovodstvom Sola Perlmutera iz Nacionalne laboratorije „Lorens Berkli” u Kaliforniji, a drugi oko Brajana Šmida sa Australijskog nacionalnog univerziteta, otkrili da se ekspanzija svemira neobjašnjivo ubrzava. Oba tima istraživala su vrstu eksplodiranih zvezda poznatih kao Tip 1 a supernova, koje su im služile kao svetleći objekti i čija se razdaljina mogla izračunati na osnovu jačine svetlosti i uz pomoć drugih trikova. Tako su se lako mogle proučavati istorija i sudbina svemira. Na osnovu nekoliko desetina supernova videlo se da su neke znatno slabijeg svetla nego što se očekivalo, a to je značilo da su otišle dalje zbog kosmičke ekspanzije, ali i da se ekspanzija ubrzava. Obe grupe naučnika dugo su raspravljale o onom čuvenom: ko je prvi video, ko je prvi rekao i ko je prvi publikovao važne stvari, ali su ipak podelili prvu nagradu, između ostalih i Šo-nagradu od milion dolara, 2006. i Gruberovu kosmološku nagradu od 500.000 dolara, prošle jeseni na Kembridžu u Engleskoj, gde su dr Perlmuter i dr Šmid održali po jedno predavanje. Od tada se lovu na supernove pridružilo na hiljade novih saradnika, tako da je do danas osmotreno još 300 svemirskih svetiljki. Rezultati dr Perlmutera i drugih, koji su prikazani, bili su konzistentni sa Ajnštajnovom kosmološkom konstantom, plus ili minus 10 odsto. Za sada nema solidnih dokaza da se crna energija menja ili ne menja s vremenom – ukoliko nije konstantna, onda i ne može biti analogna Ajnštajnovoj konstanti. Ukoliko se ne insistira na detaljima, crna rupa je region u svemiru koji u sebi ima tako veliku i koncentrovanu masu, te obližnji objekti ne mogu izbeći njegovu silu gravitacionog privlačenja. Gravitacionom polju crne rupe ništa ne može izbeći, pa ni svetlost. Jedino je neophodno da se pređe preko rubova otvora koji vodi u unutrašnjost rupe. Rubovi su poznati kao horizont crne rupe. Izraz crna rupa nastao je zbog činjenice da od izvesnog trenutka i elektromagnetska radijacija, tj. dnevna svetlost, ne može promeniti svoju putanju koja ga vodi ka masivnom objektu – crnoj rupi. Zbog toga su otvor i unutrašnjost rupe nevidljivi ili, bolje reći, crni su kao, uostalom, i sama vasiona. Pretpostavimo da se nalazite na površini planete i da za razliku od doktora Livija, koji je bacao svoje automobilske ključeve u vazduh, vi bacate kamen uvis. Pretpostavimo da ga niste bacili dovoljno snažno. Kamen će ići u visinu nakratko, tokom penjanja će polako gubiti brzinu i kad je izgubi – gravitacija će ga povući naniže i on će pasti na tlo. Ako kamen bacite snažno, možda ćete nadjačati gravitaciju planete i – odleteti u svemir i večno tamo ostati. Brzina koja je dovoljna da savlada gravitaciju naziva se “brzinom izbavljenja”. Kao što i očekujete, “brzina izbavljenja” zavisi od mase planete. Ako je planeta ekstremno velika, onda je njena gravitacija vrlo jaka i “brzina izbavljenja” mora biti ogromna. Kad ste na nekoj manjoj planeti, onda je “brzina izbavljenja” znatno manja. “Brzina izbavljenja” mora biti znatno veća ako ste bliže centru planete. Na Zemlji, ona iznosi 11,2 km/sec, dok je na Mesecu samo 2,4 km/sec. Drugim rečima, kamen koji bacate morao bi leteti prilično brzo da bi savladao Zemljinu gravitaciju i odleteo u svemir. Uprkos nevidljivoj unutrašnjosti, crna rupa može ispoljiti svoju prisutnost pomoću interakcije sa materijom koja je u okolini, tj. na rubovima otvora. Na primer, crna rupa se vidi praćenjem kretanja grupe zvezda koje se okreću oko njenog centra. Alternativno, neko može posmatrati gas (sa okolnih zvezda, na primer) koji biva usisavan u crnu rupu. Gas je usisavan i pri tome čini spiralu, jako se zagreva i postiže visoku temperaturu i emituje veliku količinu radijacije koja se može otkriti zemaljskim ili orbitalnim teleskopima. Ova zapažanja su rezultirala opštim naučnim konsenzusom da bez obzira na naše razumevanje prirode, crne rupe postoje u svemiru. Ideju da neki objekt može imati dovoljno snažnu gravitaciju da spreči izbavljenje usisane svetlosti, prvi je predložio 1783. prečasni DŽon Mičel, britanski astronom–amater. Godine 1795. Pjer Simon Laplas, francuski fizičar, došao je do istog zaključka. Crne rupe su opisane na način kako ih danas shvatamo, 1916. godine u sklopu Ajnštajnove teorije opšteg relativiteta. Ova teorija predviđa da kad se dovoljno velika masa nađe u dovoljno malom prostoru, svi putevi kroz prostor bivaju skrenuti ka njenoj unutrašnjosti i njenom centru, sprečavajući ponovni izlaz napolje i izbavljenje, bilo materije bilo radijacije. Što se tiče Sunca, ono verovatno nikada neće postati crna rupa jer mu je masa premala. Kandidati za crne rupe su samo zvezde čija je masa znatno veća od Sunca. Može se očekivati da će Sunce ostati kakvo jeste i u narednih pet milijardi godina. Posle toga, ono će proći kroz fazu gigantske crvene zvezde koja će preuzeti planete Merkur i Veneru i istovremeno će život na Zemlji učiniti prilično nekomfornim (okeani će ključati, atmosfera će nestati, i slične stvari). Posle toga, Sunce će skončati kao dosadna bela patuljasta zvezda. Ukoliko bi Sunce, ipak, iz nekog razloga postalo crna rupa, prvo što bi se dogodilo bila bi velika hladnoća i tmina naokolo. Zemlja ne bi bila progutana, već bi nastavila da se okreće po orbiti kao i danas. Zašto? Zato što bi horizont crne rupe bio veoma mali, samo oko 3 km i, kao što je već napomenuto, ukoliko ostanete dosta daleko od otvora, gravitacija crne rupe neće biti jača od gravitacije bilo kog drugog objekta iste mase. Dok teorija opšteg relativiteta opisuje crne rupe kao regione praznog prostora sa uskim i jedinstvenim centrom u kome je sve što se izmeri beskrajno veliko (singularnost) i s horizontom preko koga nema više povratka, opis se menja kad se uzmu u obzir efekti kvantne mehanike. Istraživanja na ovom polju pokazala su da crne rupe ne drže zauvek zarobljene materiju i radijaciju, već da one postepeno cure napolje u obliku termičke energije poznate kao Hokinovo zračenje. Međutim, korektan opis crne rupe uz primenu teorije kvantne gravitacije za sada ne postoji. Crno u svemiru ostaće zauvek crno, ali ne i u mraku. Priredio i preveo dr Momčilo B. Đorđević