Voyager-nova generacija
nedjelja, 15.11.2009.
Teorija relativnosti, Big Bang i putovanje kroz vrijeme
Danas se mnogi vole praviti pametni pozivanjem na Alberta Einsteina jednog od najvećih umova 20 stoljeća. Ljudi će tvrditi sve je relativno i još se pozvati na velikog Alberta. Einstein to nikada nije rekao! Einstein je bio jako precizan i jasan, ali je tada bilo malo ljudi, a nažalost i danas ih malo ima, koji doista shvaćaju što je on zapravo govorio. Lakše je biti površan nego ulaziti u bit onoga o čemu priča Einstein u svojim teorijama. Relativnost je samo riječ kojom fizičari opisuju jednu novu, savršeniju sliku o ovom svemiru koju je uobličio Einstein.
Einstein je izjavio:
“Sva su (inercijalna) gibanja relativna!”
Dakle lijepo bi bilo da oni koji pričaju da je sve relativno ne pozivaju se na Einsteina. On je čak otkrio u svojoj teoriji relativnosti i takve apsolutne stvari o kojima se do tada nije ni sanjalo. Jedna od tih apsolutnih stvari je i brzina svjetlosti. Ona je uvijek ista, ona je apsolutna.
Je li Zagreb na sjeveru, zapadu, jugu ili istoku? To pitanje nije precizno. Morate reći gdje se nalazite. To je pitanje da skužite bit teorije relativnosti. Vaš opis položaja Zagreba preko strana svijeta ima smisla ako definirate gdje se nalazite, ako precizirate vaš sustav. To ipak ne znači da je položaj Zagreba relativan. Zagreb ima svoj apsolutni položaj na površini Zemlje, a relativan je jedino naš opis njegovog položaja korištenjem strana svijeta. Ovaj primjer je bit teorije relativnosti. Relativan je samo naš opis stvarnosti koja je apsolutna i to četverodimenzionalna (prostor plus vrijeme). Ista stvar izgledat će različito iz različitih sustava, ali neke stvari, kao na primjer brzina svjetlosti, bit će iste u svim sustavima, bit će apsolutne.
Da sad probam što je kraće moguće pojasniti situaciju oko TR. Godina je 1900 Dvije godine prije Becquerel otkriva radioaktivno zračenje. Planck iz rukava izvlači hipotezu da zračenje ide u kvantima i objašnjava (ispravno) zračenje crnog tijela. Nema više besmislenih beskonačnih vrijednosti (divergencije), ali se u fiziku "ušuljao" kvant, diskretnost u energiji. S druge strane Einstein objašnjava paradoks "mirovanja" Zemlje u odnosu na eter.
Einstein je krenuo od "zdrave pameti" i upitao se što je to zapravo apsolutna brzina? Shvatio je kako je to samo jedna od naših mnogobrojnih koncepcija, ali ima li ta koncepcija bilo kakvu eksperimentalnu podlogu? Iz klasične mehanike je jasno da nikakvim mehaničkim putem nije moguće utvrditi u vagonu bez prozora kreće li se vagon ili ne. Mjerljiva su samo relativna kretanja. Zašto bi optičkim mjerenjem bilo moguće utvrditi kretanje? U načelu, možda bi to tako moglo i biti, ali zašto bi svjetlost bila u prednosti pred mehaničkim mjerenjima? To je očito estetski argument, a ne fizikalni. Negativni rezultat mjerenja apsolutne brzine Zemlje (pomoću svjetlosti) daje tome i eksperimentalnu težinu.
Priroda je dakle takva da se nikakvim mehaničkim, optičkim, kemijskim, biološkim ili kojim god pokusom ne može utvrditi apsolutno kretanje. To pak znači da koncept apsolutnog kretanja treba odbaciti kao nefizikalni koncept. S druge strane treba onda prihvatiti jako lijepu estetsku ideju kako su fizikalni zakoni isti u svim inercijalnim sustavima (sustavima koji se jedan u odnosu na drugog kreću stalnom brzinom) i rezultati mjerenja bilo čega ne mogu ovisiti o relativnom kretanju. To znači da i mjerenje brzine svjetlosti u svim sustavima mora dati isti rezultat i time je objašnjen onaj pokus sa svjetlosti, a za eter uglavnom nema više nikakve potrebe. I to je sve o specijalnoj relativnosti! Sve dalje samo je matematizacija tih navedenih ideja!
Dakle dalje pomoću matematike imamo opis funkcioniranja svijeta oko nas. Može se netko pitati kako to nema veće brzine od brzine svjetlosti.
Dvije rakete kreću svaka s pola brzine svjetlosti, svaka na svoju stranu. Tada će se jedna u odnosu na drugu gibati brzinom svjetlosti. Ukoliko se poveća njihova brzina onda će njihova relativna brzina biti veća od brzine svjetlosti. To u relativnosti nije tako. U teoriji relativnosti je 0.5c+0.5c=0.8c gdje je c brzina svjetlosti!
O vremenu malo kasnije sad ću dati jednu napomenu, kako su matamatičke jednažbe davale neke čudne rezultate Einstein je uveo novi član tkz kozmološku konstantu, nije vjerovao svojim jednažbama i njihovim rezultatima. Navodno je izjavio kako je njegova najveća pogreška u životu bila "uvođenje" kozmološke konstante. Ovo ima veze s Darwinom. Ne znam koliko se Einstein zanimao za biologiju, ovdje to nije važno. U svakom slučaju pretpostavljam da je Einstein znao za teoriju evolucije, ali nije shvatio kako ona prelazi okvire biologije. Teorija evolucije bila je napad na naivnu religioznost onih koji su biblijsku priču o stvaranju shvaćali doslovno. Kod Einsteina je stvar bila suprotna. Svoje kozmološko rješenje on je odbacio kao nefizikalno. Zašto? Dobio je da se svemir širi i da ima svoj početak! Možda se i bojao "religioznih" konotacija takvog "nefizikalnog" rješenja. Nije shvatio da se teorija evolucije treba proširiti i na svemir.
Da spasi stvar uveo je kozmološku konstantu, onako iz rukava (paf!). kako bi umjesto svemira koji se širi dobio rješenje u kojem je ovaj svemir statičan, vječan, nema svog početka pa tako nema ni potrebe za Tvorcem.
O teoriji relativnosti bi se moglo pisati danima, ali sada da napišem i neke dokaze koji potvrđuju istinitost matematičkih jednažbi iz teorije relativnosti.
Najupečatljiviji primjeri istinitosti teorije relativnosti su u današnjim akceleratorima gdje se čestice ubrzavaju do golemih energija da bi se zatim ta energija u sudaru čestica pretvorila u novonastale čestice (njihovu masu). Drugi primjer su čestice koje žive tako kratko (mioni) da za svog života mogu proći put od oko jednog metra ukoliko se kreću brzinom svjetlosti. Te čestice nastaju u visokim slojevima atmosfere i ipak dolaze do površine Zemlje. Kako to? Iz naše perspektive vrijeme tih čestica se “razvlači”, žive usporeno pa stignu do Zemlje prije svoje smrti. Iz perspektive tih čestica, njihova udaljenost od Zemlje nije desetak kilometara već jedan metar.
Elipsa po kojoj se kreću planete nije “zamrznuta” u vremenu nego se i ona polako vrti oko Sunca. Ovo kretanje izmjereno je za Merkur i u skladu je s predviđanjem tog učinka u općoj teoriji relativnosti.
Teorije relativnosti (specijalna i opća) su pokazale da je ovaj svijet puno bogatiji i jedinstveniji nego što se prije mislilo, da su prostor i vrijeme povezani s materijom i energijom, i da je naš opis prirode preko prostora i vremena relativan. Tako su te teorije pokazale postojanje dublje realnosti od one koju mi zapažamo, realnosti četverodimenzionalnog prostor-vremena kojega bi neko biće iz viših dimenzija moglo obuhvatiti jednim pogledom, svu našu prošlost, sadašnjost i budućnost.
Teorija relativnosti je jedan od dva stupa na kojima stoji suvremena zgrada fizike. Drugi stup je kvantna teorija. Za nju objasniti i shvatiti je puno teže i potrebno je vrijeme a opet je ne bi shvatili ali zahvaljujući njoj mi danas imamo i mobitele i kompjutere i mnogo toga ;)
Ona nam govori i o Tkz Planckovom vremenu, tj Einsteinova opća teorija relativnosti, ne funkcionira za sustave manje od tzv. Planckove udaljenosti (koja iznosi 10-35 metara) i za događaje koji traju kraće od tzv. Planckovog vremena (koje iznosi 10-44 sekundi).
Već sam spominjao kozmološku konstatnu koju je uveo Einstein, ali su ipak mjerenja i promatranja pokazala da su jednažbe ipak točne, teorija Velikog praska koja proizlazi iz tih jednažbi zaista točna. Veliki prasak je događaj stvaranja svemira, dakle prostora, vremena, materije i energije.
Nakon Velikog praska, prostor se počeo širiti, noseći sa sobom svemirsku materiju i to širenje se nastavlja sve do danas. Sa širenjem prostora materija se razrijeđivala i temperatura je padala, a sukladno tome se mijenjao i sastav svemira: od homogene vruće plazme danas potpuno nepoznatih čestica do današnjeg nehomogenog hladnog svemira nastanjenog galaktikama i živim bićima.
Epoha untar spomenute Planckove udaljenosti i Planckovog vremena, epoha kvantne gravitacije, je meta istraživanja kvantne teorije. Tako pitanje "Što je bilo prije Velikog praska?" gubi svoj smisao jer kako se primičemo Velikom prasku pojmovi "prije" i "poslije" više nemaju nikakvo značenje. Ali je vrlo zanimljiva pojava asimetrija u raspadu nekih teoretskih mezona u kojima se pri raspadu pojavljuje višak materije nad antimaterijom. To je jako važno jer kada pričamo o ovim najranijim danima svemira i nastajanju sila moramo znati da u epohi velikog ujedinjenja, na temperaturi od 1029 kelvina, kad je svemir bio star svega 10-38 sekundi temeljna međudjelovanja (jako, slabo i elektromagnetsko) mogla bi biti ujedinjena u jedinstvenu silu. Točna svojstva jedinstvene sile velikog ujedinjenja još nisu sasvim poznata, ali iz onog što znamo izlazi na primjer da je u tom periodu u svemiru bilo obilje tzv. magnetskih monopola tj. čestica s magnetskim svojstvima jednakim magnetu s jednim polom. Svi danas poznati magnetični objekti imaju obavezno oba pola i to današnje neopažanje monopola objašnjivo je inflacijom koja ih je razrijedila na neopazivu mjeru.
Kao zamisao, veliko ujedinjenje je privlačno i stoga jer bi u ovoj epohi omogućavalo stvaranje male asimetrije između materije i antimaterije. U kasnijim epohama će se najveći dio materije i antimaterije međusobno poništiti (anihilirati), a ova mala asimetrija će uzrokovati da nešto materije preostane i izgradi danas poznati svemir. Taj proces u kojem iz prvotne simetrične situacije nastaje asimetrični, materijski svemir stručno se naziva bariogenezom. Dakle da nije postojao taj višak materije nad antimaterijom ništa od ovoga i ovakvoga svemira u kojem bi bilo moguće da se ljudi uopće pojave. A zašto je to tako? Višak materije nad antimaterijom objašnjava se različitim teorijama i modelima od kojih još ni jedan nije prihvaćen tj. još uvijek ne znamo pravi odgovor kako je do tog viška došlo. Taj problem, tzv. problem bariogeneze, predstavlja jedan od najaktualnijih problema u današnjoj znanosti. Prema nekim teorijama u ranom svemiru je vladala jedinstvena sila koja nije poštovala tu simetriju između materije i antimaterije i koja je mogla proizvesti višak materije. Konkretno, prema tim teorijama u ranom svemiru su postojali specijalni teški bozoni (ne mezoni!), koji su bili prijenosnici te jedinstvene sile i koji su se asimetrično raspadali na lakše čestice i, ako su se poklopili još neki uvjeti, mogli su svojim raspadima proizvesti traženi višak.
Ali to su spekulacije sada se možemo vratiti na vrijeme koje je nastalo u Velikom Prasku. Mjerna jedinica za vrijeme je sekunda. Sekunda je trajanje od 9 192 631 770 perioda zračenja koje odgovara prijelazu između dviju hiperfinih razina osnovnog stanja atoma cezija 133 na temperaturi od 0 K.
' trajanje perioda zračenja' je sporije kada taj atom cezija ide brže. Dakle, sekunda je sporija kad taj atom ide brže. Zato je veća brzina vrijeme sporije. Ljudi nerijetko krivo shvate paradoks blizanaca, onaj primjer u kojem jedan blizanac putuje brzinom bliskoj svjetlosnoj, a drugi putuje sporo, tj živi na Zemlji. Kad se svemirski putnik vrati kod kuće, njegov brat bit će mnogo stariji od njega. Ali to ne znači da je svemirski putnik-blizanac godinama putovao i uživao u sporom tijeku vremena - u njegovom referentnom sustavu prošlo je svega par sati i on se upravo vraća na ručak, a svi stariji 10 godina! I kome je vrijeme 'teklo sporije'? Pa nikome. Ovaj koji je otišao na put, ne može vjerovati da se za tih 'par sati' dogodilo takvo čudo da svi ostare, a Zemljani imaju dojam da vrijeme svemirskog putnika uopće nije ni teklo...ali, što ako se taj susret uopće ne dogodi - ni jedni ni drugi ne bi imali pojma o tome kako u različitim referentnim sustavima vrijeme teče različito..
Dakle, ništa bez *usporedbe*. Vrijeme će dakle teći sporije (u odnosu na drugog) onom subjektu koji se više približio brzini svjetlosti. Apsolutna veličina u relativnosti jest c.
Naravno, sve je ovo mnogo lakše vizualizirati kad se shvate lorentzove transformacije i savlada pojam mjerenja, ali ovdje da ne zamaramo matematikom nećemo o tome. Ovo je još bio i jednostavan i školski primjer situacije u relativnosti.
Ali ovdje ću spomenuti putovanje kroz vrijeme i vremeplov jer današnje ideje o putovanju kroz vrijeme proizašle su iz pojedinih tumačenja specifičnih rješenja sustava Einsteinovih jednadžbi. Neki misle da je to samo matematički kuriozitet, a drugi ne misle tako, jer je Einstein napravio dvije-tri krupne pogreške, sva tri puta u slučajevima kada nije povjerovao svojim jednadžbama, tj. njihovoj realnosti u prirodi.
I putovanje kroz vrijeme i kretanje brzinama većima od svjetlosne teorijski su moguće u okviru opće relativnosti samo kao specijalni slučajevi manipuliranja geometrijom prostor-vremena. Fora je u tome što takva teorija zahtjeva nešto što baš nije realistično, kao što su space-tome 'warpovi' i postojanje egzotične materije..Fizičari vjeruju kako je putovanje kroz vrijeme načelno moguće, ali nije izvedivo. Subatomske čestice bi dosta lako mogle putovati kroz vrijeme, ali ne i čovjek ili bilo koji drugi makroskopski objekt. Hawking to zove slutnjom o zaštiti kronološkog poretka i smatra to svojevrsnim prirodnim zakonom. Drugi misle da je to samo stvar tehnike, izvedbe. Ja bih rekao, teoretski moguće, praktično vrlo teško izvedivo i to sve u okviru teorije relativnosti i načina na koji ona gleda vrijeme.
Ali moramo znati da putovanje kroz vrijeme koje načelno dopušta teorija relativnosti ne odnosi se na ono putovanje kroz vrijeme iz filmova, gdje junaci vrte bickl u podrumu i samo odaberu godinu u koju žele ići i još se pritom i pomlade..Fizikalno gledajući, subjekt može završiti u vlastitoj prošlosti gibajući se po zatvorenim vremenolikim petljama i pritom nema mnogo biranja, a nema ni pomlađivanja. Ali fluktuacije prostor-vremena ne samo da su moguće, nego su i činjenica, ali na mikroskopskim skalama najmanjih razmjera, koje ne mogu utjecati ni na kakav makroskopski objekt, pa tako ni na čovjeka.
Na kvantnoj skali se redovno događaju i putovanja kroz vrijeme i spomenute fluktuacije prostor-vremena, ali koliko danas znamo fiziku, nemamo razloga vjerovati da je to moguće na makro skali. Što se tiče makroskopskih 'procjepa' u vremenu, ne vidim kako bi to bilo moguće. To što ja ne vidim, ne mora značiti ništa, ali sukladno teoriji relativnosti prostor i vrijeme čine jedinstven i neraskidiv kontinuum. Rupa u vremenu znači i rupu u prostoru. Takve 'rupe' u teoriji nazivaju se Einstein-Rosenov most, a predstavljaju rješenja sustava jednadžbi kojima baš nije lagano baratati, a u popularnu znanost i SF priče su ušle pod imenom crvotočine. To je jedini oblik procjepa u vremenu kojeg se trenutno mogu dosjetiti, ali koliko znamo, kad bi takve tvorevine postojale na makro razini bile bi pogubne po potencijalnog putnika , a i prepoznali bi užasno deformirano prostor vrijeme u okolini... To podsjeća na crne rupe, čak mnogi pričaju o crnim rupama kao tim mostovima, ali moramo znati nešto o crnim rupama. Crna rupa je u širem smislu regija izuzetno 'iskrivljenog' prostor-vremena. Kad prilaziš crnoj rupi ne primjećuješ ništa neobično, jer se i sam krećeš po zakrivljenim putanjama i ne osjećaš nikakvu gravitaciju. Tek kad se približiš sasvim blizu počneš osjećati plimne sile koje će te naposlijetku i rastrgati, prije nego li stigneš do singularnosti.
Kad pređeš horizont događaja, čudne stvari se počinju događati - prostor i vrijeme zamjenjuju mjesta. Ovaj fenomen nije lako objasniti, naime, u toj regiji prostor-vrijeme je toliko deformirano..Što to znači da prostor i vrijeme zamjenjuju mjesta?
Znači da se udaljenost do singularnosti ne mjeri više prostornim, nego vremenskim jedinicama - u tom smjeru leži tvoja budućnost. Budući da nitko nije u stanju izbjeći vlastitu budućnost, pad u singularnost nije moguće izbjeći ni na jedan način. Ovo je jedno mjesto u prirodi gdje doslovno vrijedi ona Danteova:'Ostavite svaku nadu vi koji ulazite..'. Naravno, naglašavam da ti kao astronaut koji upada nećeš zamijetiti ništa od toga osim plimnih sila koje će te i dokrajčiti..
Netko tko gleda sa strane taj događaj, vidjet će tebe kako polako padaš i naposlijetku se zaustavljaš na horizontu događaja,jer se zrake svjetlosti koje daju daljne informacije više ne mogu probiti..Naravno da se ti ne zaustavljaš na horizontu, to je samo slika koju vidi vanjski
promatrač. Ti, naprotiv, i kad pređeš horizont događaja sve vidiš dalje normalno, crna rupa je 'polupropusni ventil', ako oni ne vide unutra, bar ti možeš gledati van. sve što ćeš primjetiti je ponešto deformirana slika vanjskih objekata zbog iskrivljenih trajektorija svjetlonih zraka..
Dakle, 'unutar' crne rupe vrijeme i dalje teče, samo što ima ponešto bizarne odlike. U samoj singularnosti ne možemo govoriti ni o prostoru ni o vremenu, to je mjesto gdje ne vrijede prirodni zakoni kakve poznajemo.
Nedugo nakon što je 1914. Einstein postavio jednadžbe opće teorije relativnosti, koje opisuju kako se prostor zakrivljuje oko masivnih tijela, Karl Schwarzschild nalazi interesantno rješenje tih jednadžbi. Rješenje koje Schwarzschild upućuje Einsteinu odnosilo se na gibanje u okolini zvijezde koja ne rotira (ili rotira sporo) i ukazivalo je na postojanje takve udaljenosti, Schwarzschildova radijusa, u kojem je gravitacija tako jaka da čak ni svjetlost ne može napustiti to područje. Svemirski će navigatori strepiti od takvih ponora kao što pomorci zaziru od opasnih vrtloga na oceanu.
