Svemir i crne rupe:
Kako je tišina dokazala njihovo postojanje
Teorijski fizičar Rodžer Penrouz imao je
trenutnu inspiraciju koja je okrenula naglavačke naše shvatanje Univerzuma,
piše njegov biograf Pečen Bars.
IZVOR: BBC SREDA, 28.10.2020. |
18:37
Gravitacija crne rupe je tolko jaka da ništa, pa ni svetlost, ne pože Jednog svežeg septembarskog dana 1964. godine, Rodžera Penrouza posetio je njegov stari prijatelj.
Britanski kosmolog Ajvor Robinson vratio se u Englesku iz Dalasa, u Teksasu,
gde je živeo i radio.
Kad god su se njih dvojica srela, nikad im ne bi ponestajalo tema za priču, a
njihov razgovor ovog puta nije imao kraja i dotakao se širokog raspona tema.
Dok su njih dvojica prolazila pored Penrouzove kancelarije na koledžu Birkbek u
Londonu, zastali su nakratko uz ivičnjak, čekajući da se raščisti saobraćaj.
Njihov zastoj u hodu poklopio se stankom u razgovoru i oni su ućutali dok su
prelazili put. U tom trenutku, Penrouzu su odlutale misli. Otputovale su 2,5 milijardi svetlosnih godina kroz
vakuum u spoljnom svemiru do uzavrele mase uskovitlanog kvazara.
Zamislio je kako se odigrava gravitacioni
kolaps, koji uvlači čitavu galaksiju dublje i bliže centru. Kao umetnički
klizač koji se obrće oko svoje ose i približava ruke uz telo, masa se okretala
sve brže i brže kako se skupljala.
Ovaj kratki mentalni bljesak doveo ga je do
prosvetljenja - koje će mu 56 godina kasnije doneti Nobelovu nagradu za fiziku.
Kao i mnogi relativisti — teorijski fizičari
koji rade na testiranju, istraživanju i proširivanju Opšte teorije relativnosti
Alberta Ajnštajna — Penrouz je proveo rane šezdesete proučavajući neobičnu, ali
prilično zamršenu kontradikciju poznatu kao "problem singulariteta".
Ajnštajn je objavio svoju Opštu teoriju 1915.
godine, napravivši revoluciju u naučnom razumevanju prostora, vremena,
gravitacije, materije i energije.
Do pedesetih godina prošlog veka, Ajnštajnova
teorija bila je izuzetno uspešna, ali su se mnoga njena predviđanja i dalje
smatrala malo verovatnim ili nemogućim za dokazivanje.
Njegove jednačine su pokazivale, na primer, da
je teorijski moguće da gravitacioni kolaps sabije dovoljno materije u dovoljno
mali prostor da postane beskrajno gust, formirajući "singularitet" od
kog ni svetlo ne može da pobegne. To je postalo poznato kao crna rupa.
Ali u okviru takvog singulariteta, poznati
zakoni fizike — uključujući Ajnštajnovu vlastitu teoriju relativnosti koja ga
je predvidela — više ne važe.
Singulariteti su bili fascinantni za matematičke
relativiste upravo iz tog razloga. Većina fizičara, međutim, slagala se da je
naš Univerzum suviše uređen da bi sadržao takve oblasti.
A čak i ako singulariteti postoje, ne postoji
način da se oni vide.
"Dugo je vladao ogromna skepticizam",
kaže Penrouz. "Ljudi su očekivali da dođe do povratka: da objekat
kolabira, krene da se obrće na neki komplikovani način i da se uz fijuk vrati u
pređašnje stanje."
Teorijski fizičar Rodžer Penrouz dobio je Nobelovu nagradu/Getty Krajem pedesetih, opservacije sa novog polja radio astronomije učinile su ove ideje još uzbudljivijim.
Radio astronomi otkrili su nove kosmičke objekte koji su delovali kao veoma
jarki, veoma daleki i veoma mali.
Prvo poznati "kao kvazi-zvezdani objekti" - kasnije skraćeni na
"kvazari" - ovi objekti izgledali su kao da emituje previše energije
u premalom prostoru.
Iako je delovalo nemoguće, svaka nova opservacija ukazivala je na ideju da se
kvazari drevne galaksije nalaze u procesu kolapsa u singularitet.
Naučnici su bili prisiljeni da se zapitaju da li su singulariteti zaista toliko
malo verovatni kao što su svi verovali?
Teorijski fizičar Rodžer Penrouz imao je trenutnu inspiraciju koja je okrenula
naglavačke naše shvatanje Univerzuma. Da li je to predviđanje iz teorije
relativnosti više od puke matematičke maštarije?
U Ostinu, Prinstonu, Moskvi, na Kembridžu i Oksfordu, u Južnoj Africi, na Novom
Zelandu, u Indiji i na drugim mestima, kosmolozi, astronomi i matematičari
upeli su se da otkriju konačnu teoriju koja bi mogla da objasni prirodu
kvazara.
Većina naučnika pristupila je ovom izazovu pokušavši da pronađe visoko
specijalizovane okolnosti u kojima može da dođe do singulariteta.
Penrouz, tada predavač na koledžu Birkberk u Londonu, odlučio se za drugačiji
pristup. Njegov prirodni instinkt oduvek je bio da traži opšta rešenja,
suštinske principe i osnovne matematičke strukture.
Provodio je duge sate u Birkbeku, radeći na ogromnoj tabli sa kredom ispisanim
krivama i uvrnutim dijagramima koje je sam osmislio.
Tim ruskih teoretičara predvođenih Isakom Kalatnikovim objavio je 1963. godine
cenjenu studiju koja je potvrdila ono u šta je većina naučnika i dalje verovala
- singulariteti nisu deo našeg fizičkog Univerzuma. U Univerzumu, tvrdili su
oni, kolabirajući oblaci prašine ili zvezde zapravo bi se raširili nazad pre
nego što bi stigli do tačke singulariteta. Mora da je postojalo nego drugo
objašnjenje za kvazare.
Penrouz je bio skeptičan.
"Imao sam snažan osećaj da je prema metodama koje su oni koristili malo verovatno da bi mogli da izvedu čvrste zaključke o tome", kaže on. "Izgledalo mi je da problemu mora da se pristupi na opštiji način od onoga što su oni radili, sa donekle ograničenim fokusom."
Iako je odbacio njihove argumente, i dalje nije mogao da dođe do opšteg rešenja
za problem singulariteta.
I tako je bilo sve do Robinsonove posete. Iako je i Robinson istraživao problem
singulariteta, njih dvojica se nisu dotakli ove teme u njihovom razgovoru tog
jesenjeg dana 1964. godine u Londonu.
U kratkoj tišini koja je usledila tokom tog sudbonosnog prelaska ulice,
međutim, Penrouz je shvatio da Rusi greše.
Sva ta energija, pokret i masa koji kolabiraju zajedno bi stvorili toliko jaku
toplotu da bi radijacija izbila u svim pravcima na svakoj talasnoj dužini. Što
bi bili manji i brži, to bi ona bila jarkija.
On je mentalno izmapirao svoje crteže kredom sa table i skice iz dnevnika na
taj udaljeni predmet, tražeći u glavi tačku koju se Rusi predvideli, kada bi
taj oblak eksplodirao nazad u svoj prethodni oblik.
Takva tačka nije postojala. U svojoj glavi, Penrouz je konačno video da bi se kolaps neometano nastavio. Izvan centra zgušnjavanja, objekat bi sijao sa više svetla od svih zvezda u našoj galaksiji. I duboko u sebi, svetlo bi se krivilo pod dramatičnim uglovima, prostor-vreme bi se izobličavao, sve dok se svi pravci ne bi preklopili sa svima drugima.
Stiglo bi se do tačke bez povratka. Svetlost, prostor i vreme bi došli do
potpune tačke prekida. Do crne rupe. U tom trenutku, Penrzouz je znao da
singularitet ne zahteva nikakve posebne okolnosti. U našem Univerzitetu,
singulariteti nisu nemogući. Oni su neizbežni.
Prešavši na drugu stranu ulice, nastavio je razgovor sa Robinsonom i smesta
zaboravio o čemu je razmišljao. Njih dvojica su se rastali, a Penrouz se vratio
oblacima prašine od krede i hrpama papira u svojoj kancelariji.
Ostatak poslepodneva nastavio se normalno, sem što je Penrouz bio neobično
dobro raspoložen. Nije mogao da shvati zašto. Počeo je da vrti film od toga
dana unazad, pokušavši da otkrije uzrok svoje euforije.
Njegov um vratio se na taj momenat tišine tokom prelaženja ulice. I sve mu je
nahrupilo nazad. Bio je rešio problem singulariteta. Počeo je da zapisuje jednačine, testirajući ih, prepravljajući, preoblikujući.
Argument je i dalje bio sirov, ali je funkcionisao. Gravitacioni kolaps je zahtevao samo neke veoma opšte,
lako ostvarive energetske uslove, da bi propao u beskrajnu gustinu.
Penrouz je u tom trenutku znao da širom kosmosa
sigurno postoji milijardu singulariteta. Bila
je to ideja koja će obrnuti naglavačke naše razumevanje Univerzuma i oblikovati
sve što znamo o njemu danas. U roku od
dva meseca, Penrouz je počeo da drži predavanje o svojoj teoremi.
Sredinom decembra, predao je studiju akademskom
časopisu Fizikal rivju leters, koja je objavljena 18. januara 1965. godine -
samo četiri meseca nakon što je prešao ulicu sa Ajvorom Robinsonom.
Reakcija nije baš bila onakva kakvoj se nadao.
Penrouzova teorema singulariteta je bila dovođena u pitanje. Odbacivana.
Osporavana.
Rasprava je dostigla vrhunac na Međunarodnom
kongresu opšte relativnosti i gravitacije u Londonu kasnije iste godine.
"Nije bila previše prijateljska atmosfera.
Rusi su bili prilično iznervirani, a ljudi nisu bili spremni da priznaju da su
pogrešili", kaže Penrouz. Konferencija se završila bez konačnog zaključka.
Ali nedugo zatim, ispostavilo se da ruska
studija sadrži greške u proračunima - njihova matematika imala je nepopravljive
greške, njihova teza više nije bila održiva.
Our own galaxy, the Milky Way has a supermassive black hole at its "Postojala je greška u načinu na koji su pristupili problemu", kaže Penrouz. Krajem 1965. godine, Penrouzova teorema singulariteta počela je da pravi odjeke širom sveta.
Njegov jedinstveni bljesak prosvetljenja postao je pokretačka snaga u
kosmologiji. Uradio je više nego samo objasnio šta je kvazar - razotkrio je
veliku istinu o suštinskoj realnosti našeg Univerzuma. Kakav god model
Univerzuma da su ljudi od tog trenutka smišljali, on je morao da uključi
singularitete, što je značilo naučne principe koji idu dalje od relativnosti.
Singulariteti su takođe počeli da su uvlače u javnu svest, delom zahvaljujući
tome što su upečatljivo postali poznati kao "crne rupe", a što je
izraz koji je prva skovala američka novinarka za nauku En Juing.
Stiven Hoking se slavno oslonio na Penrouzovu
teoremu da bi oborio teorije o poreklu Univerzuma, nakon što su njih dvojica
zajedno radili na singularitetima. Singulariteti su postali centralni za svaku
teoriju o prirodi, istoriji i budućnosti Univerzuma.
Eksperimentalisti su identifikovali druge
singularitete - uključujući onaj u središtu hipermasivne crne rupe u centru
naše vlastite galaksije koji su otkrili Rajnhard Genzel i Andrea Gez,
zajednički ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku sa Penrouzom.
Sam Penrouz razvio je alternativu Teoriji
Velikog praska kao Konformnu cikličnu kosmologoiju, za koju bi dokaz mogao da
potiče od zaostalih signala iz drevnih crnih rupa.
Inženjerka i kompjuterska naučnica Kejti Bouman
je 2013. godine predvodila grupu istraživača koji su izradili algoritam za koji
su se nadali da će omogućiti da crne rupe budu fotografisane.
U aprilu 2019. godine, teleskop Ivent horajzon
upotrebio je ovaj algoritam da načini prve snimke crne rupe, pruživši
dramatičnu vizuelnu potvrdu i Ajnšatajnove i Penrouzove nekad kontroverzne
teorije.
Iako je Penrouz, sada u 89. godini, zadovoljan
što je primio najveću počast iz fizike, Nobelovu nagradu, njega trenutno muči
nešto drugo.
"Deluje strašno neobično. Pokušavam da se
prilagodim. Veoma sam polaskan i počastvovan i strašno to cenim", kaže mi
on nekoliko sati nakon što je primio vest.
"Ali, s druge strane, pokušavam da napišem tri različita
naučna članka istovremeno i ovo mi to otežava više nego ikad pre."
Telefon, objašnjava on, ne prestaje da zvoni, dok ljudi pokušavaju da mu
čestitaju a novinari da mu zakažu intervjue. A sva ta halabuka odvlači mu
pažnju od koncentracije na njegovu najnoviju teoriju.
Penrouz zna najbolje od svih kolika je moć tišine i bljesak prosvetljenja koji
ona može da donese.
*Pečen Bars je naučni novinar iz Toronta i autor koji piše
biografiju Rodžera Penrouza.
***
Komentar
***
Odličan članak. Zahvalan sam Penrouzu, ne nečem za njega sporednom, njegovom učešću na "Three hundred years of gravitation", Cambridge, 1987, ed. Stephen Hawking and Werner Israel. Izdavači su sakupili radova najvećih svetskih istraživača na poljima kosmoloije, relativnosti i kvantne fizike. Na pr. S. Hawking, "Newton's Principia", R. Penrose, "Newton, Quantum Theory and Reality", S. Weinberg, "Newtonianism and Today's Physics" - Njihov ortodoksni prikaz Njutnove nauke me je "naterao" da se posvetim epistemologiji nauke. Proslava je bila prilika da se baci novo svetlo na Njutnovu fizičko-epistemološku revoluciju, i to uz pomoć najnovijih filozofskih, istorijskih i naučnih otkrića. Ta prilika je propuštena a dokaz za to se može naći u radovima u zborniku u kojima se nastavlja sa starom praksom prilaženja Njutnu isključivo kao fizičaru - "čudesno genijalnog u svom naučnom otkrivanju i formulisanju", s tim da je kao "filozof bio nekritičan, nedorečen, pa čak i drugorazredan" — i ta slika ne bledi, dakle ni u najnovije vreme. Takav način prikazivanja Njutna višestruko je štetan. S jedne strane, takav pristup nam ne može ni približiti — a kamoli objasniti — same korene nastanka Njutnove revolucije u fizici, koju je on izvršio u svojim "Principima"; s druge strane, takav pristup stvara lažnu sliku o standardnom naučnom metodu, što je štetno kako za one koji se bave naukom, tako i za one koji se bave istorijom i filozofijom prirodnih nauka, a, razume se, i za one koji se bave obrazovanjem.
Zoran Stokić
28. 10. 2020.