Od Velikog praska do svetskog bestselera

U sredu, 14. marta, na dan kada je širom sveta obeležavan dan broja π i rođendan Alberta Ajnštajna (Albert Einstein), svet je izgubio Stivena Hokinga (Stephen Hawking), jednog od najpoznatijih teorijskih fizičara i popularizatora fizike. Generacije budućih teorijskih fizičara upoznavale su prve pojmove o kosmologiji iz jasne i zanimljive Hokingove “Kratke povesti vremena“, istraživanja mnogih teorijskih fizičara inspirisana su mnogobrojnim revolucionarnim Hokingovim idejama o crnim rupama i nastanku svemira.

Međutim, kao što to često biva sa pojedinim poznatim i važnim naučnicima, njihovi „obožavaoci“ često i ne znaju zašto su njihovi „idoli“ stvarno važni. Setimo se samo Alberta Ajnštajna, Nikole Tesle i mnogih drugih… svi znamo da je njihov doprinos savremenoj civilizaciji od neprocenjivog značaja, ali mnogi se dobro zamisle, a često i daju pogrešne odgovore, ako ih pitate koji je njihov doprinos nauci. Stiven Hoking je još drugačiji od njih, tokom prethodnih decenija postao je idol mnogih, omiljeni teorijski fizičar i naučnik širom planete, a tek retki uspeli su da razumeju njegove ideje i njihov značaj.

Najveći deo naučnog rada Stivena Hokinga bio je u „oblastima“ u kojima se spajaju teorija gravitacije i kvantna teorija. Njegovi radovi i teorijski modeli opisivali su fizičke sisteme na granici našeg znanja, sisteme ogromne mase i malih dimenzija – crne rupe i svemir u vreme njegovog nastanka.

Šezdesetih godina prošlog veka, zajedno sa Rodžerom Penrouzom (Roger Penrose) Hoking je radio na objašnjavanju crnih rupa. Tada su njih dvojica istraživanje usmerila na granicu primenljivosti opšte teorije relativnosti (OTR).

Poznato je da se OTR u dva slučaja susreće sa jednim, istim, velikim problemom. U završnoj fazi evolucije masivnih zvezda, onda kada je svo „gorivo“ potrošeno, kao i u najranijoj fazi života svemira, u vreme kada su gustine i temperature bile ogromne, OTR ne može da nam pomogne u opisivanju prostor-vremena. Rezultat Ajnštajnovih jednačina, koje su osnova OTR, u ovim slučajevima daje singularitet (beskonačnosti).

U popularnoj nauci o singularitetu govorimo kao o tački sa beskonačnom masom, beskonačnoj gustini, beskonačnoj zakrivljenosti prostor-vremena, ali u fizici je (malo) drugačije. Tačka singulariteta nastaje tokom gravitacionog kolapsa masivne zvezde. Ogromna masa zvezde stvara vrlo jako gravitaciono polje koje „drobi“ i sabija svu materiju od koje je zvezda izgrađena. Čak ni sile unutar atoma i atomskih jezgara nisu dovoljno snažne da se suprotstave gravitaciji. Tokom kolapsa zvezde gravitacija sabija svu materiju, sve čestice, elektrone, protone, neutrone, u jednu tačku – tačku singulariteta. Tokom ovog procesa materija prelazi u energiju a prostor-vreme menja svoju strukturu i postaje mnogo drugačije od ovog koje poznajemo.

OTR predviđa dve vrste singulariteta. Prvi singularitet nastaje kod crnih rupa i karakteriše ga beskonačna vrednost zakrivljenosti prostor-vremena. Druga vrsta singulariteta je tačka na vrhu kupe (konusa) – tačka iz koje je moguće ići samo nazad po površini konusa. Ovaj singularitet se pojavljuje u velikom prasku.

Penrouz je 1965. godine definisao teoremu kojom je objasnio singularitet crnih rupa kojom je pokazao da svaki gravitacioni kolaps mora da dovede do formiranja singulariteta. Proširivanjem ove teoreme na ceo svemir Hoking je 1970. godine formulisao prvu u nizu teorema kojom je objasnio nastanak svemira iz singulariteta – Veliki prasak. Takođe, Hoking je pokazao i da za opisivanje singulariteta nije dovoljna samo OTR, već je zbog velike gustine neophodno uključivanje i kvantnih efekata. Ovom teoremom Hoking je takođe pokazao da je nemoguće definisati šta je bilo pre Velikog praska (a to je slikovito opisao rečima „ne može se ići na sever sa Severnog pola“).

Sledeće veliki doprinos Stivena Hokinga bilo je otkriće da „crne rupe nisu tako crne“, tj. otkriće isparavanja crnih rupa, poznatog kao Hokingovo zračanje (ili Hawking–Zel’dovich zračenje).

Prema ovoj teoriji crne rupe emituju energiju kao crno telo zbog kvantnih efekata koji se odigravaju u blizini horizonta događaja. Godine 1973. Hoking je boravio u Moskvi i tamo su mu Jakov Zeldovič (Yakov Zel’dovich) i Aleksej Starobinski (Alexei Starobinsky) pokazali da prema Hajzenbergovom principu neodređenosti neke crne rupe mogu da emituju zračenje.

Hoking je pokazao da se na horizontu događaja rotirajućih crnih rupa odigravaju procesi koji dovode do emitovanja energije i njihovog isparavanja. U ravnom prostoru fluktuacije vakuuma, kao posledica Hajzenbergovog principa neodređenosti, omogućavaju kreiranje virtuelnih parova čestice/antičestice koje se ubrzo ponovo anihiliraju. Hokingovo zračenje nastaje kad se proces kreiranja jednog ovakvog para odigra blizu granice crne rupe, a jedan član virtuelnog para biva zarobljen iza horizonta crne rupe, dok drugi ostaje kao nova čestica (ili antičestica). Jako gravitaciono polje crne rupe utiče na odigravanje ovog procesa u blizini horizonta i na taj način gubi energiju. Hoking je pokazao da u ovom procesu crne rupe isparavaju i na kraju nestaju, ako na neki drugi način ne sakupljaju novu masu. Prema ovom predviđanju što je crna rupa manja ona više zrači, pa je tako predviđeno da mikro crne rupe emituju najviše zračenja i najbrže isparavaju. U slučaju da su postojeće teorije o ekstradimenzijama tačne, ovakve mikro crne rupe mogu da nastanu u LHC-u (CERN). Međutim, ako bi nastale one ne bi, kao što su neki predviđali, progutale Zemlju, već bi usled Hokingovog zračenja nestale (isparile) emitujući veliku količinu zračenja pre nego što uspeju da „progutaju“ novu materiju.

Posledica Hokingovog zračenja je i poznati paradoks gubljenja informacija u crnoj rupi (no hair teorema). Prema ovom paradoksu, koji je Hoking formulisao, sve informacije o materiji koja upadne u crnu rupu nestaju, a ostaje samo masa. Energija, koja se kroz kreiranje virtuelnih parova, materijalizuje, stvara potpuno novu materiju čije osobine nisu povezane sa materijom koja je upala u crnu rupu.

Dalja Hokingova istraživanja išla su u pravcu traganja za odgovorima o nastanku velikih struktura u svemiru. Prema teoriji Velikog praska osnova velikih struktura nastala je u fazi razvoja ranog svemira koja je poznata kao inflacija. Inflacija je period u kome su se za vrlo kratko vreme (10^-34 sekunde) dimenzije svemira višestruko (eksponencijalno) povećale (10²⁶ puta).

Ubrzo nakon uspešnog objavljivanja teorije inflacije (1981) primećeno je da ta teorija, osim što rešava poznate probleme standardnog kosmološkog modela, može da objasni i nastanak fluktuacija u ranom svemiru, od kojih su kasnije nastale velike strukture. Do ovog otkrića, nezavisno jedan od drugog, došli su Hoking, Starobinski i Alan Gut (Allan Guth).

Mehanizam nastaka fluktuacija najjednostavnije se može objasniti na osnovu analogije sa Hokingovim zračenjem crnih rupa. Sličan proces odigrava se tokom inflacije – širenje svemira je toliko brzo da nastali virtuelni parovi čestica i antičestica bivaju međusobno razdvojeni u (kauzalno) nepovezane delove svemira. Kao posledica virtuelne čestice ne mogu ponovo da se anihiliraju, tj. kvantne fluktuacije prelaze u klasične osobine svemira.

Hokingove teorije otvorile su drugačiji pogled na gravitaciju, crne rupe i rani svemir. Dale su mnogo odgovora ali i postavile mnoga pitanja sadašnjim i budućim generacijama teorijskih fizičara. Nažalost, Hoking nikada nije dobio Nobelovu nagradu. Razlog za to nije je to što su njegove teorije još uvek daleko od naših eksperimenata, daleko u prostoru i daleko u vremenu. Međutim, istraživanja i tehnologija polako napreduju u pravcu kada će i mnoge od njegovih teorija postati dostupne eksperimentalnom testiranju.

Teško je ispričati priču o Hokingovom radu a ne pomenuti njegov rad oblasti naučne komunikacije i promocije teorijske fizike i fizike i nauke uopšte. Mnogo nas je čitajući njegovu „Kratku povest vremena“ krenulo putem upoznavanja i istraživanja svemira, crnih rupa i Velikog praska. Nasuprot njegovim radovima koje teško čitaju i razumeju mnogi teorijski fizičari ovu Hokingovu knjigu, koja je 100 nedelja bila na prvom mestu bestselera prema listi Njujork Tajmsa, pročitali su i razumeli milioni ljudi. Kroz nju, kao i mnoge druge knjige i naučno-popularne tekstove koji su došli kasnije Hoking je širio znanje o verovatno najkomplikovanijim oblastima ljudskog znanja, na zanimljiv, jednostavan i razumljiv način.

Na kraju, uz sve ovo, Stiven Hoking ostavio je puno inspiracije i zadataka budućim generacijama fizičara, i još jedan razlog da 14. mart u svetu postane još poznatiji „dan nauke“.

Objavljeno: Novi magazin 360, 22. mart 2018.