Među vijestima dana 11. veljače, u kojima su dominirale one o nestašlucima i ustašlucima mladosti ministra Hasanbegovića, kao i o njegovoj javnoj apologiji, pa i o estradnom internetskom izboru Zadra da turističko odredište godine izmjereno klikanjem na određenu stranicu na webu, u svim je dnevnim medijima objavljena i vijest iz znanosti. Djelovala je kao da je nevoljko prošvercana, samo zato jer svi o tome javljaju.

Oni koji su prenosili presicu Davida Reitzea, glavnog izvršnog direktora Opservatorija za lasersko interferometričko mjerenje (LIGO), iz Nacionalnog press centra u Washintonu ozbiljno su se mučili da razaberu tko je tu što otkrio. Malo im je »jestivije« zazvučala tvrdnja da je time dokazano ono što je prije ravno sto godina proizlazilo iz Opće teorije relativnosti Alberta Einsteina, »jedva nešto što se može citirati«. I onda su na te izvještaje nakalemljeni prizori s kratkim izjavama znanstvenika, euforičnih kao rijetko kad, koji su naglašavali epohalnost toga otkrića. Najšira je javnost uglavnom ostala prikraćena barem za ozbiljniji pokušaj da se time i podupre to opće oduševljenje i razjasni se o čemu se tu radi.

Upozorenje: Nastavite čitati samo želite li doista pokušati razabrati o čemu se radi oslanjajući se na namjeru autora da čitatelju pruži čim zabavnije štivo i ne zatupi ga s previše zakučastog znanstvenog jezika. Međutim, opsežnije putovanje na koje vas pozivam ovim tekstom puno je uzbudljivih pojedinosti, pa oni koje to zanima neka se vežu – jer polijećemo!

NAJZANIMLJIVIJA SILA SLABE INTERAKCIJE

Od Isaaca Newtona znamo za gravitaciju i kako ona djeluje. Čim je veća masa nekog objekta njegova je gravitacija snažnija. Čim je masa manja gravitacija je također manja. I pojedinačni atom pojedinačnog elementa, poput vodika – elementa s najmanjom masom – pokazuje da ima gravitaciju. Majušnu, ali je ima.

Upravo ta, majušna privlačna sila, učinila je da u milijuntinki prve milijuntinke sekunde nakon velikog praska – iako se materija zajedno sa svemirom »napuhivala«, što se i danas nastavlja – gravitacija je učinila da se unatoč tome prvi atomi vodika međusobno privuku, a potom se oni nastave zgušnjavati u zvijezde, a zvijezde u galaksije. Znamo da su svi ostali kemijski elementi nastali ili fuzijom vodika u jezgrama zvijezda, ili u njihovim eksplozijama, kada bi se zbog svoje prevelike mase i potrošenog »fuzijskog goriva« u svojim jezgrama jezgre pod svojom gravitacijom urušile, a potom eksplodirale. Iz materijala umrlih zvijezda sva je ostala materija, pa i mi sami.

Kod nebeskih tijela čija je gravitacija naglo postala toliko velika da bi ona presrela i spriječila unutrašnju težnju zvijezde da eksplodira – govorimo o crnoj rupi. To su svemirska tijela goleme mase čija gravitacija sprečava da iz njih pobjegne čak i svjetlost.

Do ovoga si trenutka sve možemo donekle logično i intuitivno predočiti, ali sve što se dalje događa –  kao da nam izmiče.

O karakteristikama gravitacije znade toliko da su nam Newtonovi zakoni više nego dovoljni da tijelom lansiranim sa Zemlje precizno pogodimo Pluton, pa čak i sitnija i mnogo udaljenija tijela u Sunčevom sustavu, ali ti nam zakoni nisu dovoljni da točno razumijemo njenu prirodu. No, s Einsteinovom Općom teorijom relativnosti prije točno jednoga stoljeća, gravitacija je stavljena u skladan teorijski okvir koji je još tada o karakteristikama tog fenomena zajedničkom za cijeli svemir matematički iščeprkao neke osobine koje mora da funkcioniraju.

SVEMIRSKA GEOMETRIJA I ČOVJEKOVO VRIJEME

Formula po kojoj je s jedne strane jednadžbe energija, a s druge strane znaka jednakosti masa pomnožena s kvadratom brzine svjetlosti nikako ne odgovara našim intuitivnim predodžbama. Osim jednoj, ali znakovitoj: da u isto vrijeme na istom mjestu ne mogu biti dva objekta. A tako propleteno vrijeme s prostorom nije nam problem razumjeti!

Problem su ljudske geometrijske predodžbe. U njima možemo zamisliti savršenu kružnicu, pravce koji se protežu u beskraj, prostor koji shvaćamo kao dužinu, visinu i dubinu, na koji je kao nejasna četvrta dimenzija nakalemljeno vrijeme kao dimenzija koja ravnomjerno putuje u samo jednom pravcu.

Mi si i danas školski posve geometrijski statično predočujemo Sunčev sustav kao statično Sunce u sredini i planete koji oko Sunca orbitiraju eliptičnim stazama držeći se, manje ili više precizno, ravnine koju znamo kao ekliptiku. Ta je predodžba gotovo dovoljna čak da se sondom kao što je New Horizons s velikom točnošću pogodi Pluton, koji se ekliptike – ne drži. Uostalom, jedan Zemljin krug oko Sunca, jedna ljudska godina, za čovjeka je ozbiljan »komad« vremena.

A naš je planet tek u užem krugu oko Sunca oko kojega unutrašnji planeti zuje kao mušice. Promijenimo li malo perspektivu i udaljimo li se u mislima od Sunčeva sustava vidjet ćemo, u puno većoj vremenskoj skali, da i Sunce zajedno s pratećim planetima putuje oko nekog svojeg gravitacijskog sidra unutar jednog od sporednih krakova naše galaksije Mliječne staze! A i da je praktično sve što golim okom možemo vidjeti za vedre zvjezdane noći tek naše najbliže susjedstvo.

U tim je razmjerima pojam vremena nešto posve drugo. Neki posve drugi fenomeni događaju se na granici brzine svjetlosti. Dovoljno je zamisliti okolnost da smo poput baruna Münchhausena »uzjašili« foton koji juri kroz svemir i s njega odskočili u pravcu kretanja. Bismo li u jednom trenutku bili brži od svjetlosti? Ne, ali bismo posvjedočili ludim i većim dijelom nepoznatim fenomenima! Jedan je svakako eksperimentalno potvrđen: onom tko je kreće brzinom blizu brzine svjetlosti vrijeme teče sporije nego onom tko leti upola sporije. To znači da i u razmjerima ljudskoga života dok se krećemo nitko nije u »živom prijenosu«. Nitko nije u doslovno istom prostorno-vremenskom kontinuitetu. Ono za prostor je razumljivo, a ono za vrijeme je toliko sićušna razlika da nam je ona praktično beznačajna.

Da bi definicija energije – kao mase koja ubrzava do krajnjeg neprobojnog zida, tj. brzine svjetlosti – bila točna, mora se uzeti u obzir jedinica koju dobro poznajemo: prevaljeni kilometri u jednom satu, minuti, sekundi… Vrijeme. Ta je inspiracija dala mnogo znanstvenofantastičnih priča o postizanju brzina koje omogućuju (i) putovanje kroz vrijeme, ili barem suočavanje sa svojim ostarjelim vršnjacima po povratku s takvih putovanja.

PARADOKSI KAO POTICAJ OTKRIĆIMA

Za razliku od zabavnih fabula u čijoj je zanimljivosti kao rekvizit ključan neki oblik vremenskog stroja, kod Einsteina govorimo o samoj osobini medija putovanja; ne kao o prostoru i nakalemljenom vremenu, nego o entitetu prostor/vrijeme koji je jedinstveno tkivo. Doima se teškim za razumjeti, ali bi se taj paradoks mnogo lakše mogao razumjeti ako bismo npr. gledali zvijezdu koja je udaljena milijun svjetlosnih godina. Nekako je i jasno da se svjetlost te zapravo nedaleke zvijezde, koju upravo gledamo, prema nama uputila prije milijun godina. Međutim, što za tu zvijezdu znači naša predodžba o pojmu sada? Je li ona možda već davno eksplodirala i nestala? I što je s najdaljim zvijezdama i galaksijama za koje znamo, one koje smo registrirali kao najdalje i čija slabašna svjetlost do nas dopire iz dalekog vremena kad se svemir tek počeo napuhavati, a materija se tek počela razbježavati iz ishodišne točke velikog praska?

Einsteinovim je odgovorom čovjekova predodžba o pojmovima sada, prije i poslije »preseljena« na subjektivnu razinu. To je vrijeme u našoj glavi. Ono vrijeme koje kao živa bića percipiramo povezano je s kratkoćom ljudskoga života, ritmičkim smjenjivanjem svemirskih pojava kao što su dan i noć, godišnja doba… Napokon i u svemirskim razmjerima neveliko trajanje pojedinačnog ljudskog života, pogotovo beznačajnim položaju našega planeta gravitacijom vezano uz jednu omanju zvijezdu na rubnom kraku naše lokalne galaksije koja se sastoje od barem sto milijardi zvijezda jest nešto što nam je praktično korisno, ali ne odgovara fizikalnim zakonima u kozmičkim razmjerima.

U tome svijetu sasvim dobro funkcioniraju naše »savršene« geometrijske predodžbe o idealnim geometrijskim likovima i tijelima, o tome koliko je čovjeku potrebno vremena da bi pješice prevalio pet kilometara, ili autom sto. Za praktičan nam je život nevažna pomisao da je prizor izlazećeg punog mjeseca zapravo samo slika koja je u odnosu na stvarnost, to naše sada, već »zastarjela« nešto više od jedne sekunde. Toliko, naime, treba svjetlosti i radiovalovima da prevale najbliskiju nam prirodnu svemirsku razdaljinu.

Pa ipak, čovjek je od Galileja do danas uočio da je naša »geometrijska« predodžba u svojim rubnim dijelovima prepuna paradoksa, a svaki je takav uočeni paradoks znanstvenicima postao nova inspiracija da pokušaju pouzdano razumjeti nešto više, nešto bolje i nešto dalje od onoga što se čovjeku prirodno čini samorazumljivim. Na temelju onoga što je dotad neporecivo utvrđeno kao znanje, još je 1783. godine engleski crkvenjak i filozof prirode John Mitchell u pismu Henryju Cavendishu iz engleske akademije Royal Society opisao je zamisao o tijelu koje se iz beskrajne udaljenosti stalno sve većom brzinom približava nekakvom vrlo masivnom suncu. Takvo bi tijelo, kaže on, u jednom trenutku moralo preteći brzinu svjetlosti koje samo odašilje, pa bi i sama njegova svjetlost morala uroniti u to privlačno tijelo. Sličnu je zamisao o »tamnim zvijezdama« imao 1796. godine slavni matematičar Pierre-Simon Laplace te ju je opisao u prvom izdanju knjige Exposition du sustème du Monde, ali je je zbog »ludosti« iz kasnijih izdanja izostavio, da bi ta zamisao bila posve zaboravljena u XIX. stoljeću.

Tek je u Einsteinovoj Općoj teoriji relativnosti geometrijska predodžba beskraja stavljena na »dno« nebeskih tijela goleme mase, crne rupe, u singularitet, točku u kojoj se zahvaljujući gravitaciji sažima sve što crna rupa »pojede«. Kasnija su astronomska opažanja, najprije posredno, a potom i izravno, izvedena raznim tehnikama dokazala koliko su ti izvodi bili točni. Jedna od posljedica Einsteinovih koncepata koja se smatrala točnom, ali nije bila dokazana opažanjem, jesu i gravitacijski valovi. To je, zapravo, posljednja reperkusija Einsteinove Opće teorije relativnosti koja nije bila »uhvaćena na djelu«.

Pa, što su zapravo oni, gravitacijski valovi?

SVEMIR KAO VODENI MJEHUR

Meni se osobno nimalo ne dopadaju pokušaji da ih se grafički ili animacijom pokaže nebeskim tijelima u obliku kugla raznih veličina koji napinju nekakvu mrežu u kojoj su se te sfere upecale. Neke veće mase više, drugi manje. Ne dopadaju mi se ni prikazi spirala koje se šire oko dviju loptica u sredini. Gravitacija, jednostavno, nema dvodimenzionalni karakter, nego se on na slici mora prispodobiti u tri dimenzije. Jer, zemlja je također loptasto (nesavršeno) tijelo koje svoju gravitacijsku silu oko sebe širi manje ili više ravnomjerno u svim smjerovima. Eto, gravitacija prikazana na ovoj slici, i na ovom i ovom videu, uz pretjerivanja koja pridonose zornosti, sve je ne samo dvodimenzionalna i ravnomjerna. Nemamo pojma zašto, ali smo je barem kontinuirano mjerili i vidimo da je živahna.

Ovaj put nas ne zanimaju dinamičke gravitacijske osobine Zemlje, nego svemira. Način na koji se gravitacija svih tijela mijenja, ne mijenja se zapravo ta osobina na njihovoj površini, kako je ilustrativno prikazano, nego gravitacija parametre samog prostora. Neće Zemljina gravitacija jednakom snagom privlačiti dvije jednake metalne kugle postavljene na visinu od 35.786 kilometara. Usporedivo s tim statičkim anomalijama gravitacije našega planeta jest zapravo gravitacijsko polje oko Zemlje koje je – ovako, radi zornosti – projicirano na Zemljinu površinu.

Ostavimo, na trenutak, po strani predodžbu u gravitacijskom polju, i vratimo se konceptu o česticama materije kojima barata kvantna teorija. Za česticu kao što je foton izračunata je i masa i energija koja mu pripada. Tako je u kvantnoj teoriji pretpostavljeno postojanje Higgsova bozona, njegova energija i karakteristika da materijalnim česticama daje masu. Higgs je ne samo dokazan, nego mu je i prilično precizno izmjerena i energija. Na sličan se način matematički predviđa i postojanje čestice graviton. On bi, kao što foton nosi elektromagnetsku prirodnu silu, bio nositelj druge svemirske slabe interakcijske sile, gravitacije. Gravitacija je, iako najslabija od spomenutih, ključna u oblikovanju svemira!

Prema osnovnim izračunima u kojima bi graviton mogao postojati, dokazivanje njegova postojanje moglo bi voditi u pravcu nekih drugih spekulativnih teorija s kojima ga teorijski fizičari već dočekuju.

S druge strane, fizičarima je posve jasna i valna osobina svjetla čiju osnovu čine fotoni. Upravo različite frekvencije valne osobine svjetlosti su ono što čovjek doživljava kao – boje!

Vratimo se, dakle, valnom fenomenu gravitacije. Oslanjajući se na valnu karakteristiku elektromagnetizma je, uostalom, i Tesla bio mnogo uspješniji od mnogih drugih.

Geometrijski ukočeno gledajući, svemir bi morao biti savršeni kuglasti prostor s dodatnom osobinom da se stalno širi. I mjehur od sapunice bi, na primjer, u uvjetima mikrogravitacije Međunarodne svemirske stanice, morao biti savršena kugla. Na zemlji, jasno, mjehuru od sapunice je nemoguće da stalno zadržava savršen oblik. Čim je veći to na njegov oblik jače djeluju mnoge vanjske sile. Štoviše na divovskim mjehurima od sapunice jasno se vidi kako se ono što bi trebao biti idealan sferični oblik uvija poput valova. Na Međunarodnoj svemirskoj stanici izveden je sličan zorni pokus s lebdećim, gotovo idealnom sferom vode. Pogledajte! S vodom nam je posebno lako razabrati kako valovu djeluju kroz prostor, a tako si možemo predočiti mnogo jednostavnije nego na bilo koji drugi način zamisliti da se uvija i cijeli svemir, sav sadržaj prostor/vremena.

IMENA KOJA ZVUČE POZNATO

Fascinantna je pomisao da i na površini kratkoživućeg mjehura od sapunice, puštenoga na nekoj livadi, posve sigurno postoji neki oblik života, a čovjekovo mjesto u svemiru je ništa veće od bakterije ili virusa na takvom mjehuru. Pa ipak, čovjek generacijama pokušava, i sve mu to bolje uspijeva, razumjeti kakav je i kako djeluje taj njegov svijet!

Poremećaji kao što su kolebanja vrijeme-prostora, karakteristični za cijeli materijalni svijet, pokušavali su se uloviti različitim instrumentima još od šezdesetih i sedamdesetih godina prošloga stoljeća. Fizičar Joseph Weber sa Sveučilišta Maryland gradio je uređaje za koje je tvrdio da je njima dokazao postojanje gravitacijskih valova, ali te njegove tvrdnje nisu izdržale akademsku kritiku da bi ih se prihvatilo kao dokaz, a metoda da bi se ocijenila perspektivnom za unapređivanje istraživanja. Posredno su gravitacijski valovi otkriveni 1974. godine na temelju smanjenja orbitalnoga perioda dvojnog sustava neutronskih zvijezda.

Iza uspjeha objavljenog 11. veljače pak ističe se Weberov bivši student Kip Thorne s Caltecha (isti onaj lik koji je za film »Interstellar« dao napraviti realistični računalni model crne rupe), koji nije zaboravio ni hommage svom nepriznatom profesoru. Istina, Ameri uvijek moraju za medije izvući i nekog superjunaka, a među potpisnicima članka Thorne je samo jedan od više stotina autora, među kojima je npr. i mnoštvo Indijaca i Kineza. Ima i prezimena koja zvuče poznato: D. Buškulić, G. Dojčinoski, I. Maksimović, V. Mandić, M. Prijatelj… tko bi ih sve nanjušio. U kolaboraciji LIGO i Virgo sudjelovalo je devet istraživačkih i akademskih institucija i SAD-a, Italije, Njemačke, Francuske i Nizozemske, pa je ispravno zaključiti da otkriće pripada cijelom čovječanstvu.

Pogrešan je i dojam iz medija da je otkriće ekskluzivno američko maslo, ali da nije instituta iz Europe koji su fenomen usporedno promatrali, uopće ne bi bilo moguće govoriti o otkriću. No, s potvrdama veličine sigma 5.5 više nema dvojbi. Higgsov bozon potvrđen je sa izvjesnošću sigma 6. No, to je za ovu zgodu više nego dovoljno da se otkriće nedvojbeno smatra potvrđenim!

Drugi dio možete pročitati ovdje.