Ajnštajn je opet bio u pravu

Možda ne živimo u najsrećnijoj državi na svetu, ali zato bar imamo sreću da živimo u zlatno doba nauke (malo li je?). Još nije izbledelo sećanje na CERN i otkriće Higsovog bozona iz 2012. godine za koje je Piter Higs nagrađen Nobelovom nagradom samo godinu dana kasnije, a već smo svedoci još jednog epohalnog naučnog otkrića. Na konferenciji za štampu održanoj 11. februara u Vašingtonu nedvosmisleno je potvrđeno ono o čemu je naučna javnost već mesecima spekulisala: gravitacioni talasi prvi put su opaženi 14. septembra 2015. a višemesečne naknadne provere otklonile su svaku sumnju.

Slavu otkrića poneo je LIGO („Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“), zajednički projekat univerziteta Kaltek i MIT, u saradnji sa brojnim drugim institucijama i univerzitetima. U projekat je uključeno oko 1000 naučnika iz celog sveta ali i preko 40.000 „amatera“ koji pomoću javno dostupnog softvera i kućnih računara „prosejavaju“ podatke koje sakuplja LIGO tražeći u njima karakteristični „potpis“ gravitacionih talasa. Projekat zajednički finansiraju naučne institucije Amerike, Velike Britanije, Nemačke i Australije a dosadašnji troškovi veći su od 600 miliona dolara.

Put do otkrića bio je trnovit i početna merenja načinjena u periodu od 2002. do 2010. godine nisu otkrila ništa. Nakon toga LIGO je zatvoren na nekoliko godina kako bi se povećala preciznost instrumenata i tek kada su remontovana postrojenja u Livingstonu i Hanfordu puštena u rad, došlo je do napretka i otkrića.

OD NAGOVEŠTAJA DO POTVRDE: Postojanje gravitacionih talasa nagovestio je Ajnštajn u svojoj opštoj teoriji relativiteta. Iako je Ajnštajn bio skeptik da će oni ikad biti otkriveni pa je u par navrata razmišljao čak i da ih izbaci iz teorije, danas su gravitacioni talasi njen integralni deo i još jedan dokaz Ajnštajnove genijalnosti.

Kada se pomene Ajnštajnova „teorija relativiteta“ običan svet najčešće pomisli na čuveni i rado citirani „paradoks blizanaca“. Recimo da imate dva brata blizanca i da jedan od njih dvojice ode „vazduplohovom“ na dugotrajno kružno putovanje po našem galaktičkom komšiluku brzinom koja je uporediva sa brzinom svetlosti (300.000 kilometara u sekundi). Po svom povratku na Zemlju on će ustanoviti da je njegov brat koji je ostao kući ostareo mnogo više od njega. Narodskim rečnikom, Ajnštajn kaže da sat koji se kreće kuca sporije, da vam se auto skraćuje u vožnji i da će vaš višak kilograma biti još veći ako trčite (toliko o tome da trčanje smanjuje kilažu). Sve su to popularni fragmenti Ajnštajnove specijalne teorije relativiteta prilično nebitni za gravitacione talase. Ali svaka priča o Ajnštajnu mora upravo tu da počne.

Klasična njutnovska mehanika, ona kojom su vas maltretirali u osnovnoj i srednjoj školi („sila masi daje ubrzanje“), tvrdi nešto sasvim suprotno: prostor i vreme su apsolutni i ne zavise od kretanja i drugih fizičkih događaja. Prostor i vreme su neizmenljive i nedodirljive konstante našeg postojanja, kulise našeg bitisanja na koje ne možemo da utičemo. Mojih pet sekundi i vaših pet sekundi traju isto, moj metar i vaš metar uvek su jednaki. I reklo bi se da je njutnovska mehanika u apsolutnom skladu sa onim što svakodnevno opažamo. Na kraju krajeva, nikom od nas nije uspelo da uspori i zaustavi vreme (i tako prevari smrt) ili da parkira mercedes u prostor za fiću.

Pa ipak, krajem XIX i početkom XX veka počeli su da se nagomilavaju dokazi da sa Njutnovom teorijom nešto nije u redu. Apsolutni prostor implicirao je postojanje „etra“, nepokretne materije koja prožima celokupan prostor. Postojanje etra opovrgli su Majkelson i Morli jednim genijalnim eksperimentom 1887. godine. Ajnštajn je bio dovoljno hrabar da sagradi mehaniku iznova polazeći od samo dve fundamentalne pretpostavke: jedne stare za koju je znao još Galilej (da zakoni prirode važe na isti način u svim sistemima koji se kreću ravnomerno) i jedne nove (da je brzina svetlosti ista kako god i gde god da je merite). U svom čuvenom radu iz 1905. godine Ajnštajn je formulisao osnove specijalne teorije relativiteta koja usklađuje zakone elektromagnetizma sa principima mehanike.

U narednih deset godina Ajnštajn će otići korak dalje, proširujući principe relativnosti i na gravitaciju. Opštu teoriju relativiteta Ajnštajn je formulisao u nizu radova koji su počeli da se pojavljuju 1916. godine. Ključna posledica ove teorije je da vreme i prostor više nisu nezavisni od materije. Štaviše, prisustvo materije „zakrivljuje“ prostor, što znači da se svetlost u blizini masivnih tela više ne kreće po pravoj liniji. Taj uticaj zakrivljenog prostora na tela i talase koji se kroz njega kreću nazivamo „gravitacijom“. I da stvar bude još komplikovanija, prisustvo gravitacije utiče na protok vremena – što je zakrivljenost prostora veća, tj. što je gravitacija jača, i protok vremena je sporiji.

Prvi dokaz

Ključnu ulogu u afirmaciji Ajnštajnove opšte teorije relativiteta imao je Artur Edington, poznati fizičar i astronom iz Kembridža (na slici). On je u maju 1919. godine otputovao na ostrvo Principe na zapadnoj obali Afrike u nameri da odatle posmatra totalno pomračenje Sunca. Njegov najvažniji zadatak bio je da fotografiše zvezde koje su se u trenutku pomračenja prividno nalazile u neposrednoj okolini zamračenog Sunčevog diska. Prema opštoj teoriji relativiteta, položaji zvezda čiji zraci prolaze tik pored Sunca bili bi, gledano sa Zemlje, nakratko „pomereni“, jer Sunce svojim prisustvom „krivi“ prostor kroz koji putuju svetlosni zraci. Totalno pomračenje Sunca omogućilo je da ove zvezde, inače izgubljene u Sunčevom sjaju, postanu vidljive na par minuta.

Na sednici Kraljevskog astronomskog društva u novembru 1919. godine Edington je saopštio da je tokom pomračenja Sunca registrovao prividno pomeranje položaja obližnjih zvezda u punom skladu sa Ajnštajnovom teorijom opšte relativnosti.

Nakon istorijske sednice ugledni naučnici razmileli su se po hodnicima, ushićeni zbog vesti koja će već sutradan osvanuti na naslovnim stranicama najuglednijih svetskih listova. U jednom trenutku Edingtonu je prišao poljski fizičar Ludvig Silberštajn, koji je u to vreme već imao jednu objavljenu knjigu na temu Ajnštajnove teorije. „Gospodine Edingtone“, ushićeno mu se obratio Silberštajn, „vi mora da ste jedan od tri čoveka na svetu koji poznaju Ajnštajnovu opštu teoriju relativiteta.“ Kada je Edington uzvratio zbunjenim ćutanjem, Silberštajn se potrudio da ga ohrabri: „Molim vas, profesore, nema potrebe da budete tako skromni!“ Na to je Edington odgovorio: „Ne, ne, naprotiv, samo pokušavam da se setim ko je treći.“

PROSTOR I GRAVITACIJA: Od svega ovoga, realno, može da prsne glava i nije čudo da običan čovek ima problema da shvati sve implikacije najvažnije Ajnštajnove teorije, čak i kada mu se serviraju na zabavan način u dobrom filmu kao što je Interstellar. Tačno je da vam je za razumevanje osnovnih jednačina specijalne teorije dovoljno solidno srednjoškolsko znanje matematike. Nažalost, za razumevanje opšte teorije relativiteta najčešće vam neće biti dovoljan ni jak doktorat, a doktorate naših vrlih ministara i gradonačelnika da i ne pominjem.

Umesto toga, zamislite idealno ravan meki dušek i kliker koji se kotrlja po njemu. U idealnom slučaju kliker će se po dušeku kretati po pravoj liniji. Ali ako u sredinu dušeka postavite nešto masivno (košarkašku loptu, na primer), dušek će se deformisati i putanja klikera koji se kreće po njemu više neće biti prava već kriva linija koja se savija ka lopti u sredini, kao da lopta deluje na kliker nekom misterioznom silom (vidi ilustraciju ispod, „prostor od gume“).

Pomenuti dušek je, zapravo, prostor u kome se nalazimo a ta misteriozna sila je gravitacija. Taj prostor više nije statičan i nepromenljiv, on ima svoju strukturu i dinamiku. Što je telo masivnije i zakrivljenost prostora u njegovoj okolini je veća, samim tim raste i njegov uticaj na okolna tela. Celu priču najbolje je sumirao poznati teorijski fizičar Džon Arčibala Viler u svega dva stiha:

Matter tells space how to curve.
Space tells matter how to move.

Šta su onda gravitacioni talasi? Kada bacite kamen u vodu, nastaje poremećaj koji se u obliku koncentričnih krugova širi po površini vode. Ako posmatrate čamac koji plovi, videćete sličan fenomen, talase koji se šire u svim pravcima čija veličina lagano opada sa rastojanjem od mesta nastanka. Slično je i sa prostorom: njegova zakrivljenost menja se u zavisnosti od tela koja se kroz njega kreću. Svaka promena zakrivljenosti prostora prostire se u svim okolnim pravcima u vidu gravitacionih talasa. Gravitacioni talasi putuju brzinom svetlosti koja je konačna, tako kaže opšta teorija relativiteta.

Kad je već tako, i kad zahvaljujući Ajnštajnu već sto godina znamo da ovi talasi postoje, zašto smo ih otkrili tek sada? Gravitaciona sila je, od svih poznatih sila u prirodi, daleko najslabija, toliko slaba da je njen uticaj značajan samo kada je uticaj svih ostalih zanemarljiv. Dovoljno je da podignete jednu jabuku pa da shvatite da vaša ruka s lakoćom pobeđuju gravitacionu silu čitave Zemljine kugle. A to znači da su i gravitacioni talasi izuzetno slabi i da je potrebna vrhunska oprema kako bi se oni detektovali.

ZAGRLJAJ CRNIH RUPA: LIGO je najprecizniji merni instrument koji je ikad napravljen. Zasnovan je na laserskoj interferometriji, tj. na kombinovanju dva laserska snopa koji imaju isti izvor ali prelaze različite puteve pod različitim uslovima. Sitne perturbacije prostora izazvane gravitacionim talasima mogu da dovedu do toga da ova dva svetlosna snopa više nisu „u fazi“ što dovodi do naizmeničnog slabljenja ili pojačanja svetlosnog signala odnosno „interferencije“. Koristeći interferenciju, LIGO može da izmeri poremećaje veličine hiljaditog dela prečnika jednog protona, što je manje od bilo čega što možete da zamislite a da nije apsolutna nula.

S obzirom na svoju osetljivost, LIGO može da detektuje svašta, čak i minimalna pomeranja Zemljine kore, tako da je najveća pažnja poklonjena eliminaciji uticaja koji se mogu protumačiti kao gravitacioni talasi, iako to zapravo nisu. U tu svrhu, LIGO je repliciran na dve lokacije, u Livingstonu (Lujzijana) na jugozapadu SAD i Hanfordu (država Vašington), na krajnjem severozapadu. Oba instrumenta moraju da detektuju istovetnu pojavu u približno istom ali ne i potpuno identičnom trenutku, s obzirom da je rastojanje između dve lokacije oko 3000 kilometara i da gravitacioni talasi putuju konačnom brzinom.

Nažalost, ni hipersenzitivan instrument kao što je LIGO ne može da otkrije gravitacione talase koje, na primer, stvara Zemlja koja se kreće oko Sunca. Proračun pokazuje da je ukupna snaga gravitacionih talasa koje emituje naša planeta manja od 200 W što je na nivou jače sijalice. Takvi talasi su, jednostavno, suviše rasuti i slabi da bi proizveli bilo kakvo merljivo dejstvo. Mogli bismo da pokušamo da ih veštački proizvedemo u laboratoriji superbrzim obrtanjem jedne masivne avionske elise, ali takav eksperiment ne bi mogao da izdrži nijedan danas poznat materijal. Ostaje nam samo da osluškujemo kolosalne kosmičke događaje u kojima učestvuju masivna tela koja se kreću ogromnim brzinama.

Takav jedan događaj detektovao je LIGO u septembru prošle godine: dve crne rupe, jedna 29 a druga 36 puta masivnija od Sunca, odigrale su svoj poslednji „kosmički valcer“ pre nego što su zagrlile i stopile u jedno. Događaj je bio sve, samo ne romantičan: u trenutku kolizije obe crne rupe imale su brzinu koja dostiže polovinu brzine svetlosti, a u trenutku sudara emitovale su gravitacione talase čija kolosalna energija nije iščezla čak ni nakon puta kroz svemir dugačkog milijardu i po svetlosnih godina.

Šta je crna rupa

FILMSKA CRNA RUPA: Gargantua iz Interstellara

U jezgru svake zvezde odvija se termonuklearna fuzija koja generiše energiju koju zvezda emituje u kosmos. Fuzija istovremeno stvara unutrašnji pritisak koji održava ravnotežu sa spoljnim slojevima koje gravitacija vuče ka centru zvezde. Dužina trajanja ove stabilne faze života zvezde tipično se meri milionima i milijardama godina.

Kada veoma masivna zvezda, mnogo puta veća od našeg Sunca, istroši svoje nuklearno gorivo nastupaju dramatične promene: pritisak u jezgru zvezde više nije dovoljan da održava ravnotežu sa težinom spoljnih slojeva i zvezda počinje da se „urušava“. Tokom kolapsa materija zvezde dostiže kolosalne brzine (preko 20 odsto brzine svetlosti) što rezultuje munjevitim porastom pritiska i temperature. Spoljašnji slojevi zvezde bivaju odbačeni u gigantskoj eksploziji koju nazivamo „supernova“. Oslobođena energija u trenutku eksplozije toliko je velika da jedna supernova može svojim sjajem da zaseni čitavu matičnu galaksiju.

U slučaju najmasovnijih zvezda, čak ni eksplozija supernove ne može da zaustavi kolaps samog jezgra. Opšta teorija relativiteta kaže da će se njegova kompresija nastaviti sve dok celokupna raspoloživa materija pod dejstvom sopstvene gravitacije ne bude smeštena u matematičku tačke beskonačne gustine. To je tačka beskonačne zakrivljenosti prostor-vremena, tačka u kojoj naš matematički aparat (a bogami i glava) prestaje da funkcioniše. To je mesto gde je, kako neko reče, „bog delio s nulom“, nešto što naučnici u svojim teorijama zovu „singularitet“.

Na crtežima umetnika (jer direktne snimke nemamo) crna rupa izgleda kao uglancana crna lopta okružena vrtlogom materije koja upada u nju (setite se Gargantue iz Interstellara). Ta slika često odaje utisak da crne rupe imaju nekakvu čvrstu površinu i da su u pitanju kompaktna tela što je sasvim pogrešno. To što vidite na crtežima je, zapravo, „horizont događaja“, nematerijalna granica koju možete da pređete samo u jednom pravcu. Što je masa crne rupe veća, veća je i sfera „horizonta događaja“. Radoznali putnik koji bi zakoračio samo pola koraka preko tog horizonta nikad ne bi mogao da javi ili ispriča šta mu se desilo sa one strane, baš kao da ga je „pojeo mrak“. Iza te granice više ne postoji mogućnost bekstva, unutar nje čak je i svetlost zarobljena i sve putanje vode u centar crne rupe. Zato je crna rupa – crna.

Jednom formirana crna rupa može da nastavi da raste usisavanjem okolne materije. Gornja granica ne postoji. Danas znamo da se u centrima većine galaksija nalaze gigantske crne rupe pri čemu ni naš Mlečni put nije izuzetak. Na oko 26.000 svetlosnih godina od nas nalazi se Sagitaurus A*, crna rupa koja je najmanje milion puta masivnija od našeg Sunca.

Crne rupe, međutim, nisu večne. Njihovo postojanje predvideo je Ajnštajn, a njihovu smrt Stiven Hoking, koji je pokazao da crne rupe, bez obzira na svoje „crnilo“, ipak zrače određenu količinu energije i tako gube svoju masu. Proces je ekstremno spor i potrebna je čitava večnost da jedna crna rupa „ispari“. Koliko je dugačka ta „večnost“? Mogli bismo da je napišemo koristeći jedinicu i gomilu nula, ali je mnogo bolju ilustraciju dao engleski pisac Dejvid Lodž: „Zamislite metalnu kuglu veličine Zemlje i zamislite jednu muvu koja na svakih milion godina nežno sleti i uzleti sa nje. Kad se ta kugla potpuno izliže do veličine zrna pirinča, e tad večnost još nije ni počela.“

ČEKAJUĆI „NOBELA„: Uspeh LIGO kooperacije samo će ubrzati planove da se opservatorijama u Americi pridruži još nekoliko međunarodnih. Treća opservatorija pod nazivom „Virgo“ već je sagrađena u Italiji, u blizni Pize, a na leto će se ovim naporima pridružiti Japan i Indija. Evropska svemirska agencija uz to ima i planove za lansiranje orbitalne gravitacione opservatorije. Interesantno je da je NASA ovoga puta odigrala na pogrešnu kartu i ostala po strani – projekat je inicijalno ocenjen kao skup i nedovoljno perspektivan pa za njega nisu ni obezbeđena sredstva u budžetu. Kako god, uho kojim osluškujemo gravitacione talase biće tokom narednih godina sve veće i osetljivije.

Sada kada je otkriće potvrđeno, ostaje još samo da se utvrdi ko treba da dobije Nobelovu nagradu, koja je već „kaparisana“. Za mnoge su to Kip Torn (SAD), Ron Drever (V. Britanija) i Rai Vajs (Nemačka), tri naučnika koja su tokom osamdesetih godina prošlog veka predložili koncept detekcije gravitacionih talasa koji je LIGO kasnije usvojio. Za Džima Hauga, jednog od pionira istraživanja na ovom polju, to bi bilo pošteno ali ne i najpoštenije: „Pogledajte odluku Nobelovog komiteta kada je Higsov bozon u pitanju. Niko ne spori da je Piter Higs zaslužio nagradu, ali je bio red da nagradu podele i naučnici i inženjeri koji su u CERN uložili čitave svoje karijere. Zato bih voleo i da ljudi koji su najzaslužniji za LIGO ovoga puta ne ostanu po strani, ali mi se čini da od toga opet neće biti ništa.“

Ako celu priču treba da sumiramo u samo jednoj rečenici, najjednostavnije je reći da je Ajnštajn opet bio u pravu. Posebno je impresivna činjenica da je Ajnštajn svoje životno delo napisao za manje od deset godina a da je od tada pa sve do danas teorija u svim svojim fundamentalnim postavkama ostala praktično neizmenjena. Njene osnovne jednačine i dalje mogu da stanu u svega nekoliko elegantnih redova.

U međuvremenu, opšta teorija relativiteta uspešno je položila svaki ispit koji se našao pred njom i stekla reputaciju praktično savršene teorije koju možete da istražujete, dopunjujete i proširujete, ali ne i da menjate. Sva njena ključna predviđanja, ponekad toliko neočekivana i dalekosežna da je i sam Ajnštajn tvrdoglavo odbijao da ih prihvati, više puta su potvrđena rigoroznim eksperimentima i posmatranjima a novi dokazi u prilog teorije otkrivaju se svakodnevno. To je teorija koja ima ozbiljna, dalekosežna i smela predviđanja, poput onog o postojanju crnih rupa, a ne diletantska predviđanja našeg lokalnog demagoga koji vidi „bolji život za dve godine“.

Pedro Fereira, profesor astrofizike sa Univerziteta u Oksfordu i jedan od vodećih eksperata za Ajnštajnovu teoriju relativiteta, u sjajnoj knjizi Savršena teorija kaže: „Tamna materija i energija, supernove, gravitacioni talasi, teorija struna, sudbina vaseljene, sva ta savremena istraživanja imaju koren u opštoj teoriji relativiteta. Zato Ajnštajnovo delo spada u sam vrh ljudske misli i predstavlja kolosalno dostignuće civilizacije koje stoji rame uz rame sa Sikstinskom kapelom, Bahovom muzikom ili Antonionijevim filmovima.“

NAJPRECIZNIJI INSTRUMENT NA SVETU: Postrojenje u Hanfordu