Zašto je potrebno narušiti simetriju? Epizoda: SIMETRIJA U PET SLIKA

Pogledajte noćno nebo. Da li vam se čini da su zvezde sasvim ravnomerno raspoređene po njemu? 

Od Rajta, preko Imanuela Kanta (o Kantu, posebno, nekom drugom prilikom) pa sve do Heršela, pokazalo se da je raspodela zvezda izotropna. U svakom pravcu vidimo isti broj zvezda. U proseku. Ukoliko pokušamo da isti recept primenimo i na galaksije, učiniće nam se da se slika i ne menja previše. Orijentisani duž raznih vidnih linija, steći ćemo utisak da je broj galaksija (pa i jata galaksija, itd) podjednak. Ali... (uvek to „ALI“ koje pokvari idilu prostih odgovora): PRIVIDNA JEDNOSTAVNOST ZVANA SIMETRIJA KRIJE U SEBI NEKE OD NAJVEĆIH ZAGONETKI PRIRODE.

Kosmološki princip omogućava nam da predvidimo prostornu raspodelu objekata u Svemiru

·        Zašto?

Zato što Kosmos takav kakav je može da nam pruži simetriju i homogenost (uobličene u izraz KOSMOLOŠKI PRINCIP) samo na velikim skalama. Odnosno, ako bismo parafrazirali stih naše velike pesnikinje Desanke Maksimović: 

Svemir je jednostavan samo izdaleka...

 

I opet: zašto si tako komplikovan (a zaista, da li si) O, SVEMIRE?

·  Kako nismo u mogućnosti da putujemo na drugi kraj Univerzuma da proverimo ovaj multifunkcionalni kosmološki princip, neko će reći da ne možemo ni baš sa 100% sigurnosti tvrditi da svuda važe isti zakoni.

Priroda nam lepo servira prikladnu simetriju – fizički zakoni ne zavise od toga kada i gde se primenjuju. Ajnštajn je bio dosta oštrouman tip, pa je u svojoj Opštoj teoriji relativnosti proširio taj pojam simetrije na nešto što je nazvao PRINCIP EKVIVALENTNOSTI. Grubo rečeno: čak iako se posmatrači ubrzano kreću, fizički zakoni biće identični za sve.

·   Ovde sam do sada naveo samo primer simetrije koja je usko povezana sa prostorom, vremenom, kretanjem...

Jesenje veče, kasno je, i neke simetrije se mogu ljutiti ako ih ne pomenem. Odlučujem da gravitacionim pridružim i one simetrije koje su povezane sa negravitacionim silama. Jesu nešto teže shvatljive (još se zovu i KALIBRACIONE), ali su sasvim ravnopravne. Najprostije rečeno – za simetriju koju čine posmatračka opažanja potrebno je da postoji gravitaciona sila. Za kalibracionu simetriju potrebne su negravitacione sile. Vejl, Mils, Jang i drugi, pokazali su da su to jake sile. Sreća, pa se priroda može opisati sa svega ... hm, ČETIRI (premalo ili previše, pitam vas?)  fundamentalne sile: gravitacionom, elektromagnetnom, slabom i jakom nuklearnom silom.

·    Da bi se formirala bilo kakva struktura u Svemiru, potrebne su lokalne nehomogenosti, tj. odstupanja od simetričnog ustrojstva. 

Meru te neuređenosti odražava još jedna važna veličina koja se zove entropija. Nadmetanje gravitacije i entropije predstavlja suštinu nastanka svih astronomskih struktura – planeta, zvezda, galaksija... Kako je lepo primetio poznati američki astrofizičar Fred C. Adams u svom radu o dalekoj budućnosti Univerzuma, neumorna borba između gravitacije i entropije pobedu čini vrlo izvesnom samo u nekim kratkim vremenskim trenucima. Jer, ako bismo dobili neku strukturu, to bi značilo da je pobedu odnela gravitacija. Sa druge strane, ako se ne bi uspešno završilo stvaranje neke astrofizičke strukture, pobedu bi slavila entropija. I tako sve u krug! Dokle? Videćemo!

E, to je to što muči najveće mozgalice fizike 21. veka! Kako uklopiti teoriju relativnosti i kvantnu gravitaciju?

Da bismo znali šta spajamo, moramo neprekidno uvećavati posmatranu oblast prostora kako bi ispitali njegova mikro-mikro-mikro-mikroskopska svojstva. Na prvi pogled ne izgleda da postoje neke značajne promene, ali (eto ga opet): simetriju narušavaju mali buntovnici zvani kvantne fluktuacije. Šta još kaže kvantna mehanika? Kaže da te fluktuacije kod grvitacije postaju veće što je prostor manji.

Gravitaciona polja = zakrivljenost prostora

Dakle, kvantnre fluktuacije= poremećaj prostora

Naravno, ako se pitate gde da primenimo ove razlike koje se odnose na različitost prostornih osobina, odgovor je : CRNE RUPE (niste ni sumnjali, zar ne?).

Primer detektovanja izvora za koje se smatra da su crne rupe

Naime, postavljeno je pitanje: Da li temperatura različita od nule znači da crna rupa emituje zračenje kao crno telo iste temperature? Hoking je prvobitno pokazao da se može potvrdno odgovoriti. Iako prema klasičnoj opštoj teoriji relativnosti crna rupa ne može da emituje čestice, to je moguće zavaljujući kvantnim efektima u blizini horizonta. Prema kvantnoj teoriji polja, u vakuumu neprestano dolazi do stvaranja virtuelnih parova čestica-antičestica, usled principa neodređenosti. Ovi parovi obično imaju kratko vreme života pre rekombinovanja. Ukoliko se jedan ovakav par obrazuje u blizini horizonta, jedna čestica iz para može da prođe kroz horizont i uđe u crnu rupu. Stanja neposredno unutar horizonta su stanja sa negativnom energijom, stoga, čestica koja je upala predstavlja fluks negativne energije u crnu rupu. Druga čestica, koja je ostala izvan horizonta, na taj način je stekla pozitivnu energiju i može da ode u beskonačnost. Negativan fluks energije kroz površinu horizonta znači da se energija (masa) crne rupe smanjuje. Prema tome, čestice koje odlaze u beskonačnost predstavljaju zračenje koje smanjuje energiju crne rupe u skladu sa zakonom održanja energije.

Kvantne fluktuacije

Takođe, prema klasičnoj teoriji, crna rupa se ne može raspasti na dve crne rupe, jer bi, u tom slučaju, zbir površina njihovih horizonata događaja bio manji od površine horizonta događaja početne crne rupe, što je u suprotnosti sa klasičnim drugim zakonom mehanike crnih rupa. Prema kvantnoj teoriji, u zračenju emitovanom od strane crne rupe mogu se nalaziti i druge crne rupe. Verovatnoća ove emisije eksponencijalno opada sa porastom mase emitovane crne rupe. Zanimljivo je da se posmatrač, koji slobodno pada u crnu rupu (kreće se po geodeziku), nalazi u lokalno inercijalnom sistemu reference, pa gravitaciono polje za njega odsustvuje. Dakle, on neće registrovati fluks energije emitovan od strane crne rupe!

Priču o simetriji nastavićemo u narednih nekoliko članaka na SAPIENS blogu, iako znam da ni to neće biti dovoljno da pokaže svu lepotu koju donosi sposobnost da predvidimo i opišemo ponašanje prirode u sredinama koje su daleko od one na koju smo navikli.