Kvantna Fizika

KVANTNA FIZIKA


Zašto je uopšte potrebna Opšta teorija relativnosti? Zašto se muèiti složenim raèunima u èetvorodimenzionalnom prostor-vremenu kada na i staromodna shvatanja Isaka Njutna ("gravitacija je sila") daju odliènu taènost svakoj prilici. A matematika Njutnove gravitacije je mnogo jednostavnija od Ajnštajnove. Èak i kad i za slanje ljudi na Mesec, lansiranje svemirskih brodova ka planetama, stara Njutnova teorija izvanredno funkcioniše pri izraèunavanju orbita i trajektorija.

Sve doskora, niko nije sigurno verovao da bi u Univerzumu mogla da postoje mesta gde je prostor-vreme ozbiljno zakrivljeno. U blizini Sunca, oko zvezda i galaksija, gravitacija je prilièno slaba i prostor-vreme je neznatno zakrivljeno. Zato i staromodna njutnovska shvatanja funkcionišu tako dobro u mnogim prilikama. U slabim gravitacionim poljima, razumno je zameniti efekte zakrivljenog prostor-vremena efektima sile.

Tokom 60-tih godina XX veka astronomi su najzad poèeli da ozbiljnije napreduju u razumevanju životnih ciklusa zvezda. Oni su shvatili da se masivne zvezde katastrofalno sažimaju pod nesavladivim uticajem gravitacije. Gravitacija oko neke takve masivne zvezde, koja umire, nije više slaba. I zaista, zakrivljenost prostor-vremena postaje tako velika da zvezda osuðena na porast nestaje iz naše vasione, ostavljajuæi iza sebe rupu u kosmosu.

Zamislimo masivnu zvezdu na kraju njenog života. Sve unutrašnje termonuklearno gorivo je potrošeno. Eksplozija supernove upravo je rastrgla zvezdu, ali u njenom sagorelom jezgru ostalo je još mnogo mase, više od 2,5 solarnih masa. Nema te sile u prirodi koja može da zadrži takvu mrtvu zvezdu: ona je osuðena da postane crna rupa.

Pre poèetka gravitacionog kolapsa gravitacija na površini zvezde je relativno slaba, prostor-vreme je još uvek samo neznatno zakrivljeno.

Do kolapsa dolazi naglo, èim gravitacija poène da savlaðuje sile izmeðu èestica unutar sagorele zvezde. U nekoliko sekundi zvezda se strahovito skuplja dok njene èestice (protoni, elektroni, neutroni) bivaju zgnjeèeni jedni u druge. Dok gravitacija sabija zvezdu na sve manju i manju zapreminu, zakrivljenost prostor vremena oko zvezde postaje sve izraženija, a svetlosni zraci koji napuštaju zvezdu skreæu pod sve veæim uglovima.

Kako se zvezda sve više približava svojoj neizbežnoj sudbini, sve više svetlosnih zraka savija prema njenoj površini. Zakrivljenost prostor-vremena dalje raste, tako da još samo zraci koji skoro vertikalno napuštaju zvezdu uspevaju da odu. Kako se sve više i više svetlosti vraæa na zvezdu, nekom udaljenom posmatraèu izgleda da zvezda postaje naglo gubi svoj sjaj.

Na kraju, u kritiènoj fazi kolapsa, zakrivljenost prostor-vremena postaje tako velika da svi zraci savijaju prema sve manjoj površini zvezde. Zvezda prestaje da emituje bilo kakvu svetlost u okolan prostor, postaje skroz crna. A kako se ništa ne može kretati brže od svetlosti, ništa ne uspeva da pobegne sa zvezde u spoljnu vasionu. Gravitacija je postala tako jaka da zvezda bukvalno nestaje iz naše vasione.

Kada se kolapsirajuæa zvezda skupi do tog stepena da ništa, èak ni svetlost, ne može da je napusti, kaže se da je zvezda upala unutar svog horizonta dogaðaja. Termin "horizont dogaðaja" je veoma pogodan. To je doslovno horizont u geometriji prostora i vremena iza kojeg se ne može videti nijedan dogaðaj. Ne postoji nikakav naèin da se sazna šta se dešava unutar horizonta dogaðaja. To je mesto koje je odvojeno od našeg prostora i vremena, to više nije deo naše vasione.

Na zvezdinu nesreæu, gravitacija nije zadovoljena time što je sabila zvezdu unutar horizonta dogaðaja. Kako i dalje nema nikakvih sila u prirodi koje i mogle da održe zvezdu ona se dalje skuplja pod uticajem sve veæe gravitacije. Jaèina gravitacije i zakrivljenost prostor-vremena raste sve više dok na kraju èitava zvezda ne bude sabijena u jednu taèku. U toj taèki pritisak i gustina su beskonaèni, i što je još važnije zakrivljenost prostor vremena je beskonaèna. To je taèka u koju ide zvezda. Svaki atom i svaka èestica zvezde potpuno su smrvljeni i uništeni na tom mestu beskonaène zakrivljenosti prostora i vremena. To je samo srce crne rupe, koje se zove singularitet.

Crne rupe su veoma jednostavne. One imaju samo dva dela: singularitet i horizont dogaðaja koji ga okružuje. Crna rupa je prazna. Tu apsolutno nema nièega. Nema atoma, nikakvih stena, ni gasova ni prašine. Nièega! Èesto se o horizontu dogaðaja govori kao o površini crne rupe, na njemu nema nièega opipljivog. Sva zvezdana materija je potpuno smrvljena i sabijena u singulartitet u centru crne rupe. Sve što postoji u crnoj rupi je oblast beskonaèno zakrivljenog prostora i vremena.

Mnogi èudni efekti OTR - isti oni koji su tako zanemarljivo mali ovde na Zemlji, ili u blizini Sunca, uveæani su preko svake mere u blizini crne rupe. Usporavanje vremena, na primer, je na Zemlji potpuno zanemarljivo, ali na horizontu dogaðaja koji okružuje crnu rupu vreme se potpuno zaustavlja. Unutar horizonta dogaðaja pravci prostora i vremena su izmenjeni! Ovde na Zemlji postoji sloboda kretanja kroz prostor, u bilo kom od tri pravca: gore-dole, levo-desno, napred-nazad. Ali, voleli mi to ili ne kroz vremenski pravac idemo samo u jednom smeru. Unutar crne rupe postoji sloboda kretanja kroz vreme, ali od toga nema nikakve koristi. Koliko se slobode dobije na kretanju kroz vreme, toliko se gubi u jednom od pravaca kretanja kroz prostor. Kroz prostor crne rupe moguæe je iæi samo u jednom smeru, a taj smer vodi pravo u singularitet.

Crne rupe spadaju u najjednostavnije objekte u vasioni, ali to su najverovatnije i najèudniji objekti u našoj vasioni. Posmatranjem dijagrama uronjavanja, o kojima je veæ bilo reèi, i primenom OTR može se doæi do nekih vrlo egzotiènih svojstva crnih rupa.

Zamislimo jednu masivnu zvezdu pred kraj njenog života. Pred poèetak kolapsa dijagram uronjavanja oko zvezde izgleda kao preterana verzija dijagrama uronjavanja oko našeg Sunca. Sa napredovanjem kolapsa gravitacija unutar zvezde postaje sve jaèa i jaèa. Zakrivljenost prostor-vreme postaje sve naglašenija, a depresija u dijagramu uronjavanja postaje sve dublja i dublja. Konaèni oblik dijagrama uronjavanja koji prati stvaranje crne rupe, prvi su ispitali Ajnštajn i Rozen 30-tih godina ovog veka. Na njihovo iznenaðenje našli su da se dijagram otvara i povezuje sa drugom vasionom! Ovo neobièno svojstvo crne rupe nazvano je Ajnštajn-Rozenov most. Ali to nije bilo sve. Kasnije se došlo do zakljuèka da je samo jedna od moguænosti da most spaja našu vasionu sa nekom zasebnom oblašæu prostor-vremena, koja je potpuno odvojena i nema nikakve veze sa našom vasionom. Ali jednako je bila prihvatljiva i zamisao da je to deo naše vasione. Ovakvi "tuneli" izmeðu paralelnih vasiona ili izmeðu udaljenih delova jedne iste vasione nazivaju se crvotoèine. Treba napomenuti i to da crvotoèine mogu da spajaju našu vasionu samu sa sobom na mnogo mesta, ali to bi bila razlièita mesta u prostor-vremenu. Drugim reèima, ulaskom u jednu od tih "drugih vasiona" mogli bismo ponovo uæi u našu vasionu, na istom mestu, ali u nekom drugom vremenu. To je mašina za putovanje kroz vreme. Teorijski, kad bi smo zaronili u rotirajuæi crvotoèinu i pažljivo pilotirali našim vasionskim brodom mogli bi smo se ponovo pojaviti u našoj vasioni pre milijardu godina i posetiti Zemlju pre nego što su se na njoj pojavili dinosaurusi.

Da li je to zaista moguæe? Da li su neka od ovih fantastiènih predviðanja zaista istinita? Na kraju krajeva sva ova predviðanja su direktna, logièna posledica naše najbolje teorije gravitacije: opšte teorije relativnosti. Ipak, da li treba verovati u sve ovo?

Tu ima nekoliko problema. Na primer, ako bi smo koristili crvotoèinu kao vremensku mašinu i vratiti se u vreme pre milijardu godina, onda bi svakako mogli da se vratimo na Zemlju jedan sat pre nego što smo je napustili. Mogli bismo da sretnemo sami sebe i isprièati samom sebi kako je putovanje bilo lepo i zanimljivo. Zatim bi smo obojica mogli uæi u raketu i kruniti opet! I opet! I opet!

Oèigledno, ovo bi bilo veoma èudno stanje stvari. Ipak, da bi smo prošli kroz crvotoèinu trebali bi da se kreæemo sasvim blizu beskonaèno zakrivljenog prostor-vremena ne upadajuæi u njega. Šta znaèi stajati blizu singulariteta? Kakvi se procesi dešavaju u blizini beskonaèno zakrivljenog prostor-vremena? Odgovore na ova pitanja ne znamo, ali teško da bi èovek mogao da preživi ono što se tamo dešava pa prema tome od naših putovanja kroz crvotoèine najverovatnije nema ništa.

Sedamdesetih godina XX veka Stiven Hoking, sa univerziteta u Kembridžu, je došao na ideju da na crne rupe "primeni" kvantnu teoriji, i to je dovelo do još èudnijih zakljuèaka. On je pokazao da crne rupe ustvari nisu tako crne.

Vratimo se Hajzenbergovom principu neodreðenosti koji predstavlja osnovu kvantne teorije. Veæ je reèeno da postoji neodreðenost izmeðu položaja i brzine, ali analogna neodreðenost postoji izmeðu energije i vremena. Ne možemo saznati taènu energiju sistema u svakom vremenskom trenutku. U kratkom vremenskom intervalu može postojati velika neizvesnost u pogledu kolièine energije u subatomskom svetu.

Jedan od najvažnijih zakljuèaka Ajnštajnove STR je ekvivalentnost mase i energije. Kako jedna verzija principa neodreðenosti objašnjava postojanje uzajamne neodreðenosti izmeðu energije i vremena, princip se može izraziti i drugaèije, kao uzajamna neodreðenost izmeðu mase i energije u kvantnom svetu. Dugim reèima, u veoma kratkom vremenskom intervalu ne možemo biti svesni koliko materije ima u nekom delu prostora. U kratkom trenutku treptaja prirode èestice i antièestice se mogu spontano pojaviti i nestati.

Jedna od osnovnih ideja subatomske fizike glasi "Ako nešto nije strogo zabranjeno, onda æe se to dogoditi". "Nešto" se ovde odnosi na bilo koji kvantni proces. Prema tome, parovi svih moguæih èestica i antièestica stalno se stvaraju i uništavaju svuda, na svakom mestu u našoj vasioni. Naravno, nema naèina za direktno posmatranje tih parova èestica i antièestica. To zabranjuje princip neodreðenosti: parovi jednostavno postoje samo u kratkim vremenskim intervalima da je bilo kakvo posmatranje nemoguæe. Zbog toga se oni nazivaju virtuelnim parovima.

Kako ovi virtuelni parovi nastaju svuda u vasioni, oni nastaju i u blizini horizonta dogaðaja. Zamislimo sada jedan takav par koji se pojavljuje pored crne rupe. U jednom trenu èestica i antièestica se razdvajaju, ali jedna od tih dveju èestica biva "progutana" od strane crne rupe. Njen partner ostaje napušten, i zbog toga ova èestica ne može više da nestane. Napuštena èestica tako je prinuðena da postane realna èestica u realnom svetu. Kad bi neko iz daljine posmatrao ovaj proces èinilo bi mu se da je èestica izašla iz crne rupe. Tako bi dio doveden do apsolutno zapanjujuæeg saznanja da crna rupa emituje èestice!

Hoking je došao do logièkog zakljuèka, istièuæi da energetski bilans prirode mora biti zadovoljen. Energija stvaranja ovih èestica mora doæi odnegde. Oèigledan izvor energije je energija gravitacionog polja crne rupe. Kako crna rupa emituje èestice, ona mora da gubi energiju i zbog toga njena masa mora da se smanjuje, odnosno crne rupe isparavaju!

Dok materija curi iz crne rupe, vasionu ulazi nova informacija. Materija koju neka od rupa izbacuje ima boju, strukturu, hemijski sastav - sve sveži, novi podaci koji nisu ranije postojali u vasioni. Crna rupa je jedan "izvor informacija".

Kvantni procesi koji leže u osnovi Hokingovog mehanizma isparavanja su potpuno sluèajni. Zbog principa neodreðenosti, ne može se predvideti gde i kada æe se pojaviti neka nova èestica. Zbog toga su i podaci koji se izbacuju u vasionu iz neke od crnih rupa sasvim sluèajni. To je suština skoro formulisanog Hokingovog principa sluèajnosti. Kao i Hajzenbergov princip neodreðenosti i on je iskaz o osnovnim ogranièenjima naše sposobnosti da spoznajemo realnost. Ako u vasioni ima crnih rupa koje stvaraju nove èestice, onda podaci i informacije ulaze u vasionu na potpuno sluèajan naèin.

Albert Ajnštajn nikada nije voleo kvantnu mehaniku, mada je i sam dao veliki doprinos njenom razvoju. Iako je sve do sada reèeno u osnovi bilo o Ajnštajnovom geniju, u jednoj stvari on nije bio u pravu. Kvantna mehanika funkcioniše. U kvantnom svetu postoji jedna neizvesnost. Ali, s obzirom na Hokingova otkriæa, možda postoji i neki nivo sluèajnosti koji se proteže preko cele vasione. O tome govori i Hokingov "odgovor" Ajnštajnu: "Bog ne samo da se igra kockicama, nego ponekad baci kockice tamo gde se one ne mogu videti."


izvor : http://www.ad-loznica.org.yu/planete/ajnstajn/ajnstajn7.htm