Pola veka kosmičke mikrotalasne pozadine

Podeli :
  •  
  •  
  •  
  •  

cosmic-microwave-backgroundKada se u budućnosti bude pisala istorija nauke 20. veka, makar poput ovog teksta bila ograničena brojem karaktera, jedan iskaz će u njoj neminovno naći mesto: onaj o početku čitavog vidljivog materijalnog sveta, ali i prostora i vremena u Velikom prasku pre oko 14 milijardi godina. Ukoliko ograničenje na obim bude nešto manje restriktivno, biće objašnjeno kako ova temeljna kosmološka istina počiva na dva ključna otkrića: širenja svemira koje je 1929. godine učinio Edvin Habl i mikrotalasnog pozadinskog zračenja koje su 1965. učinili Arno Penzias i Robert Vilson. Pošto ove godine obeležavamo i vek od objavljivanja Ajnštajnove opšte teorije relativnosti čija rešenja sadrže Veliki prasak (o čemu više u sledećem broju), kao i tačno pola veka od otkrića mikrotalasne kosmološke pozadine, ovo je dobar povod da se o ključnom prozoru koji nam je Priroda otvorila kaže nešto detaljnije.

(Odmah na početku valja razjasniti jednu zabludu koja se u novije vreme probija iz uzvišenih sfera kosmološke teorije sve do popularnih prikaza i programa: ako su neke teorijske ideje koje predstavljaju predmet strastvenih debata poslednjih godina o postojanju jedne šire celine, multiverzuma, čega je naš univerzum samo majušni delić, to neće nimalo umanjiti značaj i veličinu postignuća klasične kosmologije. Naš kosmološki domen, “univerzum”, i dalje će imati za nas posebnu važnost i njegovom nastanku i evoluciji biće i dalje posvećena glavnina kosmološke nauke. Postojanje dodatnih kosmoloških domena sa kojima nikada nećemo biti u direktnom, empirijskom kontaktu neće tu ništa promeniti.)

Sredinom 20. veka vodila se ogorčena bitka između pristalica dve sukobljene teorije o istorijatu i evoluciji svemira, “relativističke kosmologije” kako se tada najčešće nazivala, a koju je njen protivnik ser Fred Hojl podrugljivo krstio teorijom “nekakvog Velikog praska” (očigledno, naziv je ostao, a pežorativna konotacije se izgubila!) i alternativne teorije Večnog stanja koja je sugerisala, pojednostavljeno, da je svemir oduvek izgledao isto i da će oduvek izgledati isto. U to vreme većina naučnika, uključujući gotovo sve astronome, smatrala je kosmologijom zaludnom matematičkom i filozofskom igrarijom, ne sasvim bez razloga, obzirom da je broj posmatračkih i eksperimentalnih nalaza koji su mogli da odluče pobednika ove velike debate bio zanemarljivo mali. (Ovo ignorisanje je bilo još i dobro u poređenju sa sudbinom kosmologije u totalitarnim zemljama “realnog socijalizma”, na čelu sa Sovjetskim savezom, gde je ona smatrana ideološki sumnjivom i gde su neki kosmolozi, poput perspektivnog Matveja Bronštajna, bili bez ikakvog stvarnog razloga osuđeni i streljani kao “neprijatelji naroda”.)

Penzias-Vilson4Sve se to odjednom promenilo kada su dvojica u to vreme veoma mladih radioastronoma (Penzias je imao 31 godinu, a Vilson svega 28 u trenutku otkrića) iz Belovih laboratorija počeli da koriste slavnu “rog antenu” u Holmdelu, Nju Džersi, originalno sagrađenu 1959. godine da bi detektovala slabe odjeke radio-talasa odbijenih od veštačkih satelita iz serije Eho. Uzgred, čitava priča o otkriću kosmološke mikrotalasne pozadine nije samo još jedna od “priča sa srećnim krajem” koje su se odigrale u Belovim laboratorijama, od 19. veka kada je ova institucija osnovana – to je istovremeno i svedočanstvo koliko spektakularno uspešna mogu biti privatna i korporativna ulaganja u nauku i kako se to može manifestovati i u sasvim “neprofitabilnim” oblastima kakva je kosmologija. Penzias i Vilson, u dramatičnom otkriću ostatka iz doba Nastanka, nisu, kako bi se to danas popularno reklo, potrošili nijedan cent iz džepa poreskih obveznika!

Kada je serija Eho zamenjena daleko modernijim komunikacionim satelitima serije Telstar, antena je prepuštena radio-astronomima i Penzias i Vilson su radili na merenju jačine najsnažnijeg izvora u sazvežđu Kasiopeje, ostatka supernove poznatog i kao Kasiopeja A, kada su otkrili da je šum koji detektuju u anteni otprilike dvostruko jači nego što bi trebalo da bude na osnovu svih poznatih izvora šuma. Delovao je kao da dolazi sa svih delova neba podjednakom jačinom. Oni su najpre pomislili da se radi o lokalnim izvorima, poput grada Njujorka na horizontu, ali to nije bio slučaj. Zatim su testirali strukturne probleme sa antenom, ali se šum nije promenio. Konačno, pomislili su da su za neobičan šum odgovorni golubovi koji su se naselili u anteni, a i pokrili jedan njen deo “beličastim dielektričnim materijalom” kako se delikatno izrazio Penzias u jednom intervjuu mnogo kasnije. Međutim, ni isterivanje golubova i čišćenje antene nije ništa promenilo – šum je dolazio sa svih delova, neprestano, nezavisno od položaja antene, doba dana i doba godine. Upravo za – slučajno! – otkriće ovog šuma, 13 godina kasnije (relativno kratak period u ovom kontekstu), Penzias i Vilson postaće dobitnici Nobelove nagrade za fiziku. Kako se jednostavno kaže u zvaničnom saopštenju, nagrada se dodeljuje “otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja”. Do tog trenutka, ovo zračenje je postalo već toliko poznata i razmatrana tema da više nije bilo potrebno išta detaljnije obrazlagati.

Otkriće je zapravo izvršeno u proleće 1964. godine, ali je prošlo izvesno vreme pre dok ono nije prepoznato kao otkriće. Za to su dobrim delom bili odgovorni teoretičari sa Prinstona, pre svega iskusni Robert Diki i u to vreme mladi i nepoznati kanadski student kosmologije, rodom iz daleko Vinipega, Džim Pibls. Oni su prepoznali da bi neobični šum mogao biti upravo ono što je prvi predvideo još 1940-tih godina veliki Džordž Gamov sa svojim studentima Alferom i Hermanom, naime svojevrstan eho Velikog praska, reliktno toplotno zračenje iz perioda kada je vasiona bila vruća i veoma blizu termodinamičke ravnoteže. Mnogi smatraju – za šta ima opravdanja – da Dikiju i Piblsu takođe pripadaju podjednake zasluge za ono što danas nazivamo detekcijom kosmičke mikrotalasne pozadine.

Fizički, stvar je vrlo brzo postala kristalno jasna: kako se primordijalna plazma iz Velikog praska širila i hladila, u jednom trenutku njena temperatura i gustina dovoljno su opale da su se elektroni vezali sa jonima (ponajviše protonima, jezgrima običnog vodonika) i formirali neutralne atome. Za razliku od jonizovane plazme, poput one u neonskoj cevi, neutralni gas je providan, kao što dokazuje iskustvo gledanja u okeanu vazduha koji nas stalno okružuje. To znači da su fotoni, čestice svetlosti, do tada zarobljeni u neprozračnoj plazmi, odjednom pojurili na sve strane bez ikakvog otpora i interakcije sa materijom. Kako se svemir širio, tako su i oni doživljavali crveni pomak, te su od početnih fotona vidljive svetlosti, postali infracrveni, pa konačno mikrotalasi, kakvi su najvećim delom ostali do danas. Epoha rekombinacije u kojoj je svemir postao prozračan, desila se oko 400 hiljada godina nakon samog Velikog praska, početnog trenutka vremena. Pošto je svemir prethodno bio samo usijana kaša čestica, on je emitovao samo termalno zračenje (ono koje opisuje Plankov spektar zračenja crnog tela) i nije nosio nikakvu dodatnu informaciju, sem temperature. Ta temperatura, koja je u vreme rekombinacije iznosila nekoliko hiljada stepeni, do danas je opala, zbog širenja svemira, na svega oko 3 stepena iznad apsolutne nule (3 kelvina). Iz ovog razloga se čitava kosmološka pozadina ponekad naziva i 3K-zračenjem. Neke od fotona koji su tada krenuli na put kroz odskora providni svemir, detektovali su, skoro 14 milijardi godina kasnije, Penzias i Vilson svojom antenom na Krauford Hilu.

Ovo je, naravno, bila potvrda predviđanja Velikog praska i označila je konačnu smrt ne samo teorije Večnog stanja, već i drugih rivalskih modela. Epoha rekombinacije bila je sada dokazano drugačija od svih drugih epoha u istoriji svemira, uključujući i današnju – to je bilo potpuno u suprotnosti sa ključnom postavkom Večnog stanja. Od tada pa do danas, standardni kosmološki model (“Veliki prasak”) nema ozbiljnije konkurencije. Jedna od ironija ovog grandioznog otkrića jeste ta da je Robert Vilson, jedan od otkrivača, zapravo intimno bio naklonjen Večnom stanju, između ostalog stoga što je imao čast i zadovoljstvo da mu na Kaltehu, u okviru jedne od svojih čestih poseta, predaje upravo ser Fred Hojl, jedan od tvoraca stacionarne alternative. Ali stvarnost je bila neumoljiva: poput geocentričnog univerzuma ili Šeplijevih spiralnih maglina unutar Mlečnog puta, teorija Večnog stanja otišla je u istoriju kao veoma važna, ali suštinski pogrešna i prevaziđena stranica priče o razumevanju sveta na najvećim skalama prostora i vremena.

istorija-CMB-aOtkriće kosmičke mikrotalasne pozadine nije, dakle, samo potvrda da se Veliki prasak »zaista desio«, kako se to često trivijalizuje u popularnim prikazima. Ne, u pitanju je čitava konceptualna revolucija, jedna od najvećih u istoriji nauke, u kojoj smo se po prvi put približili, onoliko koliko je to fizički moguće, samom početku materijalnog sveta, odnosno početnim uslovima iz kojih je nastalo sve ovo što vidimo danas oko nas. To je moćni nosilac informacija o za sve praktične potrebe početnim uslovima našeg svemira. To je vremenska mašina koja nas prenosi u nezamislivo daleku epohu, svega oko 400 hiljada godina nakon Velikog praska, kada je svemir i dalje bio samo usijana “kaša” jona i elektrona koja se širila i hladila. Ali već tada, kako su pokazale izuzetno uspešne misije COBE i WMAP otpočelo je pod dejstvom gravitacije lagano “zgrudvavanje” kosmičke materije koje je dovelo do stvaranja svekolike strukture u svemiru – koja uključuje džinovska supergalaktička jata, galatička jata, grupe poput Lokalne grupe, galaksije, a docnije i zvezde, planete, živa bića i čitaoce ovog časopisa. Sve je to u objedinjenu sliku istinske kosmičke evolucije postavilo upravo otkriće dvojice skromnih radioastronoma na anteni čudnog oblika na jednom brdu u Nju Džersiju, pre pola veka.

Piše: Milan M. Ćirković

Podeli :
Share on Facebook0Tweet about this on TwitterShare on Google+0Share on LinkedIn0Email this to someone

Podeli :
  •  
  •  
  •  
  •