Nobelova nagrada za fiziku – ili, KAKO SE SVEMIR ŠIRI ?

 “Ni u šta se tako čvrsto ne veruje kao u ono o čemu se najmanje zna!“

Š. de Monteskje

BORBA IDEJA (ŠMIT levo, i PERLMUTER desno - razmenjuju svoje argumente)

Juče je osvanuo još jedan važan dan za kosmologiju – dobitnici ovogodišnje Nobelove nagrade su trojica astrofizičara koji su proučavanjem supernova otkrili ubrzano širenje Svemira. Imena ovih genijalnih tipova su Sol Perlmuter, Brajan Šmit i Adam Rajs, a mediji nisu propustili da naglase kako novčanu svotu od 1.5 miliona dolara dele tako da Rajs dobije polovinu, dok drugu polovinu dele Perlmuter i Šmit.

Međutim, za one koji bi da više saznaju o značaju samog otkrića, evo jednog pokušaja sažetog u nekoliko pasusa.

Tokom devedesetih godina XX veka posmatranja Ia Supernovih od strane dva tima naučnika (Supernova Cosmology Project koji su vodili naučnici iz Lawrence Barkley National Laboratory i High-z Supernova Team, na kojem su radili ovogodišnji laureati) dovela su do saznanja o ubrazavajućem širenju Univerzuma, i pružila jedan od najdirektnijih dokaza za postojanje tamne energije. Supernove tipa Ia su najkorisnije za kosmologe, zbog činjenice da sve imaju približno isti sjaj. Prividni sjaj supernove odaje koliko je domicilna galaksija udaljena, pa astronomi koriste Ia supernove da utvrde vrednosti Hubble-ove konstante, kosmološku konstatnu i gustinu. Za razliku od ovih, supernove nastale od masivnih zvezda vode poreklo od raznolikih zvezda, pa imaju različitu sjajnost, tako da nisu pogodne za kosmološka istraživanja.

Šta je tamna energija?

Tamna energija predstavlja hipotetički oblik energije koja prožima ceo Univerzum i odlikuje se snažnim negativnim pritiskom. Saglasno Opštoj teoriji relativnosti ovaj negativni pritisak je, na velikoj skali, kvalitativno jednak sili koja deluje nasuprot gravitaciji. Termin “tamna energija“ (eng. Dark Energy) prvi put je pomenut 1998. godine u radu "Prospects for Probing the Dark Energy via Supernova Distance Measurements" čiji su autori Huterer (inače naučnik poreklom iz Jugoslavije) i Turner. Tačna priroda tamne energije je predmet mnogih naučnih špekulacija.

Neutrini u akciji

Jedna od novijih ideja je ona koja povezuje tamnu energiju sa neutrinima, subatomskim česticama koje retko stupaju u interakciju sa drugom materijom, ali koje imaju određenu masu. Neutrini se generišu na Suncu i na drugim zvezdama, i smatra se da su produkt Velikog Praska. Konvencionalna teorija smatra da se masa neutrina ne menja tokom vremena, dok u najnovijoj teoriji neutrini dobijaju u masi sa povećanjem prostora koji se nalazi između njih. U vreme ranog Univerzuma, neutrini su bili upakovani relativno zgusnuto. Danas su oni dosta razdvojeni, udaljeni jedni od drugih, tako da je svaki neutrino dobio dosta na masi, kako sugeriše nova teorija. Kako se sve više udaljavaju, tako se povećava i sila zatezanja između njih. Neutrini stvaraju polje ubrzanja, kao što na primer čestice pod nabojem stvaraju električno polje (sa izuzetkom što je ova sila kod neutrina uvek privlačna sila). Neutrini koji su preostali od momenta Velikog Praska su stvorili jedno ravnomerno polje ubrzanja kroz ceo Univerzum, a energija toga polja daje "silu ubrzanja" koja bi mogla da doprinosi širenju Univerzuma. Opšta teorija relativnosti predviđa da je jačina-koncentracija energije u Univerzumu u direktnoj relaciji sa stopom ekspanzije. Kako se Univerzum širi, snaga energije opada, i Univerzum bi trebalo da usporava širenje, međutim, pošto se širenje ubrzava, verovatno onda neka druga forma energije i njena snaga vrše uticaj na ubrzano širenje Univerzuma. Ekspanzijom Univerzuma, masa neutrina takođe raste. Teorija takođe predviđa da će neutrini promeniti masu u zavisnosti u kakvoj zbijenoj okolini obične materije se nalaze, slično tome kako svetlost izgleda drugačije ako prolazi kroz vazduh, vodu ili kroz prizmu.

Postoje dva osnovna predložena oblika tamne energije:

·        Kosmološka konstanta (eng. Cosmological Constant)

Ona predstavlja konstantnu gustinu energije koja homogeno ispunjava prostor

·        Kvintesencija (eng. Quintessence)

Dinamičko polje čija se gustina energije može menjati tokom vremena

Naravno, izbor između ove dve mogućnosti nameće i potrebu za što preciznijim merenjima ekspanzije Univerzuma, kako bi bilo potpunije i razumevanje načina na koji se Univezum širi tokom vremena. Vrednost te ekspanzije je data kosmološkom jednačinom stanja, a određivanje jednačina stanja tamne energije predstavlja jedno od najvećih kosmoloških dostignuća današnjice. Dodavanjem kosmološke konstante standardnim kosmološkim teorijama (poput FRLW metrike)  došlo je do nastanka kosmološkog modela koji je poznat kao L-CDM model. Taj model se, skoro u potpunosti, slaže sa obavljenim kosmološkim posmatranjima.

Eksperimenti koji su ostvareni potvrdili su, svojim rezultatima, da je geometrija našeg Univerzuma veoma bliska ravnoj, i da u njemu dominira upravo tamna energija i to nad celokupnom materijom koja uključuje tamnu materiju i barione. Kosmolozi su procenili da je ubrzanje Univerzuma počelo pre skoro pet milijardi godina, a pre toga je širenje bilo u fazi usporavanja zbog privlačnog uticaja tamne materije i bariona. Gustina tamne materije se mnogo brže smanjuje u ekspandujućem Univerzumu nego gustina tamne energije, koja bi trebalo da očuvava svoju vrednost. To ukazuje i na eventualnu buduću  dominaciju tamne energije.

Evolucija našeg Univerzuma prema modelu napravljenom nakon SN misije

Jedan predlog je da se tamna energija rasipa sa vremenom, i to je uslov koji se uzima pri tzv. Big-Crunch scenariju. Druga ideja je ona  koja je razmatrana u četvrtom poglavlju ovog rada, a to je divergentna ekspanzija Univerzuma uslovljena tzv. fantomskom energijom. Ona ukazuje na mogućnost rasta sile te energije sa vremenom sve do momenta dok ne nadvlada sve ostale sile u Univerzumu. To bi značilo da ovakav oblik tamne energije može usloviti rastavljanje gravitaciono spregnutih objekata poput galaksija, a kasnije nadvladati i elektrostatičke i nuklearne sile, cepajući i same atome.

Ajnštajnova kosmološka konstanta – uspela naučna „zabluda“

            Nekako najjednostavnije objašnjenje tamne energije može da se da ako je ona predstavljena kosmološkom konstantom. Ona je proizvod vakuumskih fluktuacija u ranom Univezumu, i ima negativan pritisak koji je jednak njenoj gustini energije, što je podatak kojim se može objasniti ubrzavanje širenja Univerzuma. Razlog zbog kojeg kosmološka konstanta ima negativan pritisak lako je shvatljiv ako se iskoristi klasična termodinamika. Razvoj fizike elementarnih čestica poslednjih decenija stvorio je uslov da se razume priroda interakcija čestica pri izuzetno visokim energijama, što je označilo i prodor u teoriji veoma guste materije. To omogućava stvaranje kvalitativne slike o ponašanju materije pri gustinama koje su bliske Planckovoj gustini  , pa samim tim i o procesima i evoluciji u najranijim stadijumima razvoja Univerzuma. Naročit značaj sa stanovišta kosmologije imaju rezultati velike teorije ujedinjenja (eng. Grand Unified Theory – GUT ). Prema toj teoriji, utvrđeno je da pri promeni temperature izuzetno guste materije dolazi do pojave spontanog narušavanja simetrije, odnosno faznih prelaza u kojima se svojstva materije bitno menjaju. Osnovna ideja je da u tako gustom stanju materije postoji potpuna simetrija između triju osnovnih sila, odnosno, da su one komponente jedne - ujedinjene sile. Snižavanjem temperature dolazi do spontanog narušavanja simetrije. To je pojava faznog prelaza posle kojeg pomenute sile postaju bitno različite po karakteru i jačini. Prema standardnom modelu, ovaj prelaz se dešava na nekoj kritičnoj temperaturi nakon Velikog praska. Ideje koje su razmatrale probleme standardnog modela, uobličene su u tzv. Inflatorni model Univerzuma, koji su postavili Guth i Linde.

Kako i gde dalje? (ili: DOKAZI, DOKAZI... DOKAZI)

Mada su dokazi koji se traže kod izvršenih posmatranja za standardni model kosmologije i dalje veoma strogi, sadašnji model Univerzuma sadrži i vrlo neprijatne aspekte. Ovo proizilazi prevashodno iz činjenice da se današnje teorije baziraju na dva elementa koja se smatraju kao neotkriveni deo fizike: hladnoj tamnoj materiji i tamnoj energiji koje do sada nisu bile otkrivene u laboratorijama. I zaista, uvođenjem ove dve nove komponente bi se prilično iskomplikovala dosadašnja uverenja o standardnom modelu širenja Univerzuma nakon Velikog praska.

Problem tamne energije doseže praktično duboko. Na primer, posmatrana gustina je toliko mala da bi mogla biti na nivou kvantne mehanike nestabilna. Ona takođe zadaje probleme i teoriji kvantne gravitacije, koja nam nameće razmišljanja da možda živimo u Univerzumu koji ima 10 ili 11 dimenzija, koje su sve skupljene u prostoru i vremenu. Mnogi teoretičari bi voleli da nauka nađe neki novi pristup objašnjenja modela Univerzuma, koji bi se razlikovao od dosadašnjeg standardnog modela poznatog u kosmologiji, i oni sa nestrpljenjem očekuju da vide u kom će pravcu dalje ići diskusija.