Neil DeGrasse Tyson - Postanci

NEIL DEGRASSE TYSON & DONALD GOLDSMITH

POSTANCI

Milijarde godina evolucije svemira

Preveo

Damir Mikuli

Naslov izvornika

Neil deGrasse Tyson and Donald Goldsmith

ORIGINS

FOURTEEN BILLION YEARS OF COSMIC EVOLUTION

2004 by Neil deGrasse Tyson and Donald Goldsmith

hrvatskoga izdanja IZVORI, 2007.

Nakladnik

IZVORI

Lektura i korektura

Jasna Paunovi

Grafika priprema

Stanislav Vidmar

ISBN 978-953-203-309-0

CIP zapis dostupan u raunalnom katalogu

Nacionalne Sveuiline knjinice u Zagrebu

Tiskano u Hrvatskoj / Presita en Kroatio

Zagreb, travanj 2008.

Svima onima koji podiu pogled u nebo,

kao i svima koji jo ne znaju

zato bi trebali

SADRAJ

ZAHVALE

PREDGOVOR RAZMILJANJA O POSTANKU ZNANOSTI I ZNANOSTI O POSTANKU

DIZANJE ZASTORA

NAJVEA IKAD ISPRIANA PRIA

PRVI DIO POSTANAK SVEMIRA

1. U POETKU

2. ANTIMATERIJA JE BITNA

3. NEKA BUDE SVJETLOST

4. NEKA BUDE TAMA

5. NEKA BUDE JO TAME

6. JEDAN SVEMIR ILI MNOTVO NJIH?

DRUGI DIO POSTANAK GALAKTIKA I SKLOP SVEMIRA

7. OTKRIE GALAKTIKA

8. POSTANAK STRUKTURE

TREI DIO POSTANK ZVIJEZDA

9. PRAH PRAHU

10. ZOOLOKI VRT ELEMENATA

ETVRTI DIO POSTANK PLANETA

11. KAD SU SVJETOVI BILI MLADI

12. IZMEU PLANETA

13. BEZBROJNI SVJETOVI

PETI DIO POSTANK IVOTA

14. IVOT U SVEMIRU

15. POSTANAK IVOTA NA ZEMLJI

16. POTRAGA ZA IVOTOM U SUNEVOM SUSTAVU

17. POTRAGA ZA IVOTOM U MLIJENOJ STAZI

KODA POTRAGA ZA NAMA SAMIMA U SVEMIRU

POJMOVNIK

KAZALO

ZAHVALE

Dugujemo zahvalu Robertu Laptonu na tome to je itao pa iznova itao rukopis, kako bismo bili sigurni da smo mislili ono to smo rekli, odnosno da smo rekli ono to smo mislili. Njegova dvostruka strunost, u astrofizici i engleskom jeziku, omoguila je da naa knjiga dosegne razinu koja bi joj inae bila nedostupna. Takoer smo zahvalni Seanu Carrollu s Instituta Fermi u Chicagu, Tobiasu Owenu s Havajskog sveuilita, Stevenu Soteru iz Amerikog prirodoslovnog muzeja, Larryju Squireu sa sveuilinog kampusa San Diego, Michaelu Straussu s Princentonskog sveuilita i producentu kue PBS NOVA Tomu Levensonu na dragocjenim primjedbama koje su znaajno poboljale knjigu.

Na povjerenju koje je od poetka imala u projekt zahvalni smo Betsy Lerner iz agencije Gernert, koja na rukopisu nije vidjela samo kao knjigu ve i kao izraz dubokog zanimanja za svemir, to zavreuje najiru moguu publiku s kojom bi se ova ljubav podijelila.

Glavnina drugog dijela, kao i pojedini dijelovi prvog i treeg dijela izvorno su se pojavili kao ogledi jednoga od nas (NDT-a) u asopisu Natural History. Na ovome smo zahvalni Peteru Brownu, glavnom uredniku asopisa, koji ve dugo herojski pazi kao literarni pas uvar nad spisateljskim naporima NDT-a.

Autori su vrlo zahvalni i na podrci koji su dobili od Fondacije Sloan u pisanju i pripremi ove knjige. Oduvijek smo se divili njihovoj spremnosti da podre projekte poput ovoga.

Neil deGrasse Tyson, New York City

Donald Goldsmith, Berkeley, Kalifornija

Lipanj 2004.

POSTANCI

PREDGOVOR

RAZMILJANJA O POSTANKU ZNANOSTI I ZNANOSTI O POSTANKU

Stasala je nova sinteza znanstvenog znanja i poela raati plodovima. Posljednjih godina, odgovori na pitanja o naem kozmikom porijeklu poeli su se pojavljivati ne vie samo na podruju astrofizike. Radei pod kiobranom novih disciplina kao to su astrokemija, astrobiologija i astrofizika estica, astrofiziari su shvatili da se mogu vrlo okoristiti suradnjom s ovim srodnim podrujima. Oslanjanje na interdisciplinarni pristup pri pokuajima da se prui odgovor na pitanja Odakle potjeemo? omoguilo je istraivaima ranije nezamislivu irinu i dubinu uvida u djelovanje svemira.

U knjizi Postanci: milijarde godina evolucije svemira upoznajemo itatelja s ovom novom sintezom znanja koje nam prua priliku da proniknemo ne samo u postanak svemira nego i u postanak najveih struktura koje je stvorila materija, postanak zvijezda koje osvjetljavaju svemir, postanak planeta koji su najvjerojatnija stanita ivota, kao i postanak samog ivota na jednom ili vie planeta.

Ljude ne prestaje oaravati pitanje porijekla, i to iz vie razloga, kako logikih tako i emotivnih. Teko moemo dokuiti bt bilo ega ako ne znamo odakle potjee. A od svih pria koje imamo priliku uti, one koje se odnose na nae porijeklo nailaze na najdublji odjek u nama.

Zaokupljenost sobom, koja nam je usaena evolucijom i iskustvima na Zemlji, prirodno nas je dovela do toga da budemo usredotoeni na lokalna zbivanja i pojave u stvaranju glavnine pria o porijeklu. No, sa svakim korakom u obogaivanju znanja o svemiru stalno smo iznova otkrivali da ivimo na svemirskom zrncu praine koje krui oko osrednje zvijezde na rubovima jedne obine galaktike, meu stotinama milijarda drugih galaktika. Ove vijesti o naoj svemirskoj beznaajnosti aktivirale su snane obrambene mehanizme u ljudskoj psihi. Mnogi od nas i nesvjesno nalikuju na onog junaka crtanih filmova koji pogleda zvjezdano nebo i kae prijatelju: Kad vidim sve ove zvijezde, shvatim koliko smo beznaajni.

Tijekom cijele povijesti, razne kulture stvarale su mitove o postanku koji objanjavaju na nastanak kao rezultat djelovanja svemirskih sila to oblikuju nau sudbinu. Ove prie pomogle su nam da ublaimo osjeaje beznaajnosti. Iako prie o postanku obino poinju najirom slikom, vrlo brzo se sputaju na Zemlju, saimajui nastanak svemira, svih kontinenata i ivota na Zemlji, da bi prele na opirno objanjavanje mnotva pojedinosti iz ljudske povijesti i ljudske sukobe, kao da se mi na neki nain nalazimo u samom sreditu postanka.

Gotovo svi raznovrsni odgovori na pitanje o postanku prihvaaju kao temeljnu pretpostavku da se svemir ponaa u suglasju s opim pravilima koja se otkrivaju, barem u naelu, ako paljivo ispitamo svijet koji nas okruuje. Antiki filozofi uzdigli su ovu pretpostavku do zavidnih visina, tvrdei da mi, ljudi, imamo sposobnost pronicanja u to kako priroda djeluje, kao i u stvarnost koja postoji ispod onoga to opaamo: u temeljne istine koje upravljaju svime ostalim. Sasvim razumljivo, oni su smatrali da e otkrivanje ovih istina biti teko. Prije dvije tisue tri stotine godina, u svom najznamenitijem razmatranju naeg neznanja, grki filozof Platon usporedio je ljude koji streme znanju sa zatoenicima okovanim lancima u pilji, koji nisu u stanju vidjeti predmete iza sebe, te tako do tonog opisa stvarnosti moraju doi samo promatranjem sjena koje ti objekti bacaju.

Ovom slikom Platon je ne samo iskazao bt ovjekovih napora da razumije svemir nego je i naglasio da prirodno teimo prema vjerovanju u to da tajanstveni, teko dokuivi entiteti upravljaju svemirom, raspolaui znanjem koje je nama, u najboljem sluaju, dostupno samo djelomino i nakratko. Od Platona do Bude, od Mojsija do Muhameda, od pretpostavljenog tvorca svijeta do modernih filmova o matrici, ljudi su u svim kulturama dolazili do zakljuka da neke vie sile, obdarene razumijevanjem jaza izmeu stvarnosti i povrnog privida, upravljaju svemirom.

Prije pola tisuljea poelo je izranjati novo razumijevanje prirode. Ovo vienje, koje danas nazivamo znanou, niklo je iz spoja novih tehnologija i otkria koja su one omoguile. irenje tiskanih knjiga Europom, udrueno s istovremenim poboljanjem prijevoza kopnom i vodom, omoguilo je ljudima da komuniciraju bre i djelotvornije, tako da su sada mogli doznati to drugi imaju rei i na to reagirati znatno bre nego u prolosti. Tijekom esnaestoga i sedamnaestoga stoljea ovo je dovelo do znatno ivlje razmjene zamisli, odnosno do novog naina stjecanja znanja, utemeljenog na naelu da se najbolji naini razumijevanja svemira temelje

na paljivim promatranjima, kao i na kasnijim nastojanjima da se otkriju ira i temeljnija naela koja pruaju objanjenja za rezultate tih promatranja.

Jo je neto utjecalo na roenje znanosti. Znanost se temelji na sustavnoj skeptinosti, odnosno na neprekidnom, metodinom dovoenju svega u sumnju. Rijetki meu nama dovode u sumnju vlastite zakljuke, te je zato znanost stekla svoj skeptiki pristup tako to je favorizirala one koji dovode u sumnju tue zakljuke. Ovaj pristup s pravom bi se mogao nazvati neprirodnim; ne toliko zato to potie nepovjerenje u tue razmiljanje nego zato to znanost nadahnjuje i nagrauje one koji mogu pokazati da su zakljuci nekog drugog znanstvenika nesumnjivo pogreni. Znanstvenici koji ispravljaju pogreke kolega ili navode valjane razloge koji dovode u sumnju njihove zakljuke nalikuju na uitelja zena koji pljuskom kanjava uenika zato to je zastranio s dobrog puta, s tom razlikom to se znanstvenici meusobno ispravljaju kao ravnopravni, a ne kao uitelji i uenici. Nagraujui znanstvenika koji uoi pogreku kod kolege to je za ljudsku prirodu znatno lake nego uoiti vlastitu pogreku znanstvenici kao skupina ugradili su u svoju djelatnost sustav samoispravljanja. Kolektivno su izgradili dosad najdjelotvornije sredstvo za analiziranje prirode upravo time to su nastojali oslabiti teorije svojih kolega ak i kada su vrlo uvaavali njihova iskrena nastojanja da obogate ljudsko znanje. Znanost je tako postala kolektivna potraga, ali nikada nije bila, niti je trebala biti, drutvo u kojem lanovi jedan drugome izraavaju meusobno divljenje.

Kao i sve ostalo u napretku ovjeanstva, znanost takoer djeluje bolje u teoriji nego u praksi. Ne dovode svi znanstvenici u sumnju rezultate svojih kolega onako rigorozno kao to bi trebalo. Potreba da se ostavi dojam na znanstvenike koji se nalaze na vanim mjestima, i koji su ponekad pod djelovanjem imbenika izvan njihovog svjesnog znanja, moe loe utjecati na mehanizam samoispravljanja znanosti. Na duge staze, meutim, pogreke ne mogu prevagnuti zato to e ih uoiti drugi znanstvenici i pridonijeti vlastitoj karijeri time to e ukazati na njih. Oni zakljuci koji preive napade drugih znanstvenika konano e dostii status znanstvenih zakona i bit e prihvaeni kao valjani opisi stvarnosti, iako je znanstvenicima jasno da e se za svaki zakon jednoga dana moda ustanoviti da je samo dio neke ire i dublje istine.

No, znanstvenici ne provode cijelo vrijeme u nastojanjima da ukau na pogreke kolega. Uglavnom se bave provjeravanjem jo nedokazanih

hipoteza, koristei pritom neto bolje promatrake rezultate od ranijih. Svaki tren, meutim, pojavljuju se novi elementi u nekoj vanoj teoriji ili (ee u doba velikog tehnolokog napretka) itava nova klasa promatrakih rezultata trasira put prema novom skupu hipoteza koje objanjavaju te rezultate. Do najveih trenutaka u povijesti znanosti dolazi i uvijek e dolaziti kada neko novo objanjenje, moda u sudjelovanju s novim promatrakim rezultatima, izazove seizmiki potres u dotadanjem vienju naina na koji priroda djeluje. Znanstveni napredak ovisi o pojedincima iz oba tabora: onih koji sakupljaju bolje podatke i na temelju njih oprezno zakljuuju; i onih koji mnogo riskiraju ali i mogu mnogo dobiti uspiju li dovodei u pitanje iroko prihvaene zakljuke.

Skeptino srce znanosti ne ini je osobito privlanom ljudskim srcima i umovima kojima se ne sviaju neprekidne proturjenosti to u njoj vladaju, pa zaklon od njih trae u sigurnosti prividno vjenih istina. Da je znanstveni pristup bio samo jedan u nizu tumaenja svemira, on nikada ne bi bio uspjean; uspjenost znanosti poiva na injenici da ona funkcionira! Ako se ukrcate na zrakoplov sagraen po naelima znanosti naelima koja su proivjela mnogobrojna nastojanja da budu opovrgnuta imate znatno bolje izglede da stignete na odredite nego ako biste putovali zrakoplovom sagraenim po pravilima vedske astrologije.

U razmjerno novijoj povijesti, ljudi suoeni s uspjehom znanosti u tumaenju prirodnih pojava reagirali su na jedan od etiri sljedea naina. Prvo, manjina je prihvatila znanstvenu metodu kao najbolju nadu za razumijevanje prirode i nije traila nikakve dodatne naine. Drugo, znatno vei broj ljudi zanemarivao je znanost, ocijenivi je kao nezanimljivu, mranu ili protivnu ljudskom duhu. (Oni koji nezasitno gledaju televiziju, nikad se ne zapitavi kako se to pojavljuju zvuk i slika pred njima, podsjeaju nas na injenicu da rijei magija i stroj (maina, op. prev.) imaju zajednike etimoloke korijene.) Tree, takoer manjina, svjesna da znanost ugroava vjerovanja do kojih oni dre, aktivno se trudi opovrgnuti znanstvene rezultate koji im smetaju ili ih ljute. To, meutim, ine sasvim izvan okvira znanstvenog skepticizma, kao to se lako moete uvjeriti ako upitate nekog od njih: Koji bi vas dokazi uvjerili da niste u pravu? Ovi protivnici znanosti jo osjeaju ok koji je John Don opisao u pjesmi Anatomija svijeta: prva godinjica, napisanoj 1661. kada su se poeli javljati prvi plodovi suvremene znanosti:

Nova filozofija sve sa sumnjom mete, element vatra stavljen je u stranu. Sunce daleko, ni Zemlje vie nema, Tko zna to se tu jo dui sprema. Ne ustee se nitko rei: nebeski je svod More po kom plovi taj zemaljski brod, a tu je jo mnogih novih; a ovaj na, kau Razmrvio se sve do svojih atoma, Sad u komadima, bez kue i doma.

etvrto, veliki broj ljudi prihvaa znanstveno vienje prirode, ali se ne odrie vjerovanja u to da postoje natprirodni entiteti, nedostupni naem shvaanju, koji upravljaju svemirom. Baruch Spinoza, filozof koji je izgradio najpostojaniji most izmeu prirodnog i natprirodnog, odbijao je svako razlikovanje prirode i Boga, smatrajui da je svijet istodobno i priroda i Bog. Pristalice konvencionalnijih religija, koji obino dre do ovog razlikovanja, esto pomiruju prirodno i natprirodno tako to mentalno razdvajaju podruja u kojima prirodno i natprirodno djeluje.

Bez obzira na to kojem od ovih tabora pripadate, nema sumnje da su ovo vrlo povoljna vremena da se dozna to je novo u svemiru. Otisnimo se zato u pustolovnu potragu za naim svemirskim porijeklom poput detektiva koji izvode zakljuke o zloinu na temelju ostavljenih tragova. Pozivamo vas u ovu potragu za svemirskim postancima i nainima da se oni protumae kako bismo zajedno moda doli do istine o tome kako se dio svemira pretvorio u nas.

Dizanje zastora

NAJVEA IKAD ISPRIANA PRIA

Kad je jednom uspjeno pokrenut, svijet je uporno u gibanju ve dugi niz godina. Iz tog poetka sve je proizalo.

Lukrecije

Prije nekih etrnaest milijarda godina, na poetku vremena, sveukupni prostor, materija i energija poznatog svijeta bili su zbijeni u obujam veliine glavice pribadae. Svemir je tada bio toliko topao da su sve osnovne sile prirode, koje zajedno opisuju svijet, bile stopljene u jednu jedinstvenu silu. Kad je svemir bio star samo 1043 sekunde, a temperatura mu bila 1030 stupnjeva prije toga nijedna naa teorija o materiji i prostoru nema smisla crne jame su spontano nastajale, nestajale, pa ponovo nastajale iz energija sadranih u jedinstvenom polju sile. U tim konanim uvjetima, kojima se bavi spekulativna fizika, struktura prostora i vremena bila je izrazito zakrivljena, dok je klokotala unutar spuvasto-pjenastog ustroja. Tijekom tog razdoblja, nisu se mogle razlikovati pojave koje opisuje Einsteinova opa teorija relativnosti (suvremena teorija gravitacije) od onih koje opisuje kvantna mehanika (opis materije u najmanjim veliinama).

Kako se svemir irio i hladio, gravitacija se odvojila od ostalih sila. Ubrzo zatim, razdvojile su se jedna od druge jaka nuklearna sila i elektroslaba sila, a taj je dogaaj pratilo ogromno oslobaanje uskladitene energije. Ovo oslobaanje dovelo je do brzog poveanja veliine svemira, za faktor 1050. Brzo irenje, poznato kao razdoblje inflacije, rasprilo je i ujednailo materiju i energiju tako da su varijacije gustoe u raznim dijelovima postale manje od jednog stotisuitog dijela.

Od ove toke moemo nastaviti dalje, oslanjajui se na fiziku potvrenu u laboratorijskim prouavanjima. Svemir je bio dovoljno vru da fotoni spontano pretvaraju svoju energiju u parove estica materije i antimaterije, koje su se odmah nakon nastajanja meusobno ponitavale (anihilirale), vraajui se energetski oblik fotona. Zbog nepoznatih nam jo razloga, pod djelovanjem sile koja je razdvajala estice od antiestica naruena je u jednom trenutku simetrija izmeu materije i antimaterije, to je dovelo do neznatnog pretika materije nad antimaterijom. Iako neznatna, ova asimetrinost imala je kljunu vanost za kasniji razvoj svemira: na

svakih milijardu estica antimaterije nastajala je milijarda plus jedna estica materije.

Kako se svemir dalje hladio, elektroslaba sila rastoila se u elektromagnetnu silu i slabu nuklearnu silu, ime je bio upotpunjen dananji skup etiri zasebne sile prirode. Kako je energija fotonske kupke i dalje opadala, iz raspoloivih fotona se vie nisu mogli stvarati parovi estica i antiestica. Svi preostali parovi estica materije i antimaterije brzo su se meusobno ponitili, tako da je u svemiru preostala samo po jedna estica materije na svakih milijardu fotona dok antimaterije uope nije bilo. Da nije dolo do ove asimetrinosti izmeu materije i antimaterije, irei svemir zauvijek bi se sastojao jedino od svjetlosti. U njemu ne bi bilo nieg drugog, ak ni astrofiziara. Tijekom razdoblja od priblino tri minute, dobili smo materiju u obliku protona i neutrona, od kojih su se mnogi povezali, postajui najjednostavnije atomske jezgre. U meuvremenu, slobodni elektroni rasprivali su fotone, tvorei neprozirnu juhu materije i energije.

Kada je temperatura svemira pala na nekoliko tisua kelvina to je neto vie od temperature visoke pei gibanje slobodnih elektrona dovoljno se usporilo da ih jezgre privuku iz juhe i tako sagrade atome vodika, helija i litija, tri najlaka elementa. Svemir je tada postao proziran (prvi put) za vidljivu svjetlost, a ti slobodni prafotoni vidljivi su danas kao svemirska mikrovalna pozadina. Tijekom svoje prve milijarde godina svemir se nastavio iriti i hladiti, a materija se pod djelovanjem gravitacije okupljala u masivna zborita koja nazivamo galaktike. Samo u granicama svemira koji moemo vidjeti, nastalo je stotinu milijarda galaktika, od kojih svaka sadri na stotine milijarda zvijezda u ijim se jezgrama odigrava termonuklearna fuzija. U unutranjosti ovih zvijezda, s masom priblino deset puta veom od Suneve, postojali su dovoljno visoki tlakovi i temperature da procesom nukleosinteze nastanu elementi teih od vodika, raunajui tu i one od kojih su izgraeni planeti i ivot na njima. Ti elementi bili bi za nas beskorisni da su ostali u unutranjosti zvijezda. Ali zvijezde velike mase zavravaju svoj ivotni vijek u eksplozijama, rasipajui galaktikom svoju kemijski bogatu unutranjost.

Poslije 7 ili 8 milijarda godina ovakvog rasipanja nastala je i jedna neuoljiva zvijezda (Sunce) u jednom ni po emu naroitom podruju (Orionov krak) jedne ni po emu posebne galaktike (Mlijene staze) u ni po emu posebnom dijelu svemira (na rubovima superjata u zvijeu Djevica). Oblak plina iz kojeg se Sunce oblikovalo sadravao je dovoljan

pretiak teih elemenata da iznjedri i nekoliko planeta, na tisue asteroida i na milijarde kometa. Tijekom nastajanja zvjezdanog sustava, materija se kondenzirala i skupljala u vee grude na nekim mjestima u roditeljskom oblaku plina koji se vrtloio oko Sunca. Od tih su gruda nastali planeti. Tijekom stotina milijuna godina neprekidni su udari vrlo brzih kometa i drugih ostataka oblaka odravali povrine planeta u tekuem stanju, onemoguujui nastanak sloenih molekula na njima. No kako je u Sunevom sustavu ostajalo sve manje nesakupljenog interplanetnog materijala, povrine planeta poele su se hladiti. Planet koji zovemo Zemljom stvoren je na stazi toliko udaljenoj od Sunca da atmosfera Zemlje moe odravati oceane u tekuem stanju. Da je Zemlja nastala blie Suncu, oceani bi isparili. Da je stvorena na veoj udaljenosti od zvijezde, oceani bi se zaledili. U oba sluaja, ivot kakav mi poznajemo ne bi se razvio.

U kemijski bogatim tekuim oceanima, pod djelovanjem nekog kemizma koji nam nije poznat, nastale su jednostavne anaerobne bakterije koje su nehotice pretvorile Zemljinu atmosferu punu ugljinog dioksida u atmosferu koja je sadrala dovoljno kisika da doe do pojave aerobnih organizama koji su se poeli razvijati, postupno postajui prevladavajui ivot u oceanima i na kopnu. Ti isti atomi kisika, koji se obino javljaju u parovima (O2), mogu se takoer povezivati u trojke (O3) u viim dijelovima atmosfere. Ovako povezan, kisik zatitio je povrinu Zemlje od glavnine ultraljubiastih fotona sa Sunca, koji vrlo nepovoljno djeluju na molekule.

Izuzetna raznovrsnost ivota na Zemlji, kao i (moe se pretpostaviti) drugdje u svemiru, temelji se na obilju ugljika u svemiru, a ugljik je kemijska okosnica bezbrojnih molekula (i jednostavnih i sloenih); postoji vie vrsta molekula zasnovanih na ugljiku nego svih drugih molekula zajedno. Ali ivot je krhak. Zemlja se sudara s velikim tijelima, zaostalim iz razdoblja nastanka Sunevog sustava; takvi sudari svojevremeno su bili uobiajena pojava, jo uvijek izazivaju prave katastrofe u Zemljinim ekosustavima. Prije samo 65 milijuna godina (to je manje od 2 posto Zemljine starosti) asteroid mase deset bilijuna tona udario je u podruje koje je danas poznato kao poluotok Yucatan, zbrisavi preko 70 posto kopnene flore i faune naeg planeta, ukljuujui i sve dinosauruse, glavne kopnene ivotinje iz te epohe. Ova ekoloka tragedija pruila je priliku da mali preivjeli sisavci zauzmu upravo ispranjene nie. Iz grane tih sisavaca, koja se razvila u ivotinje s velikim mozgovima i koje nazivamo primati, izdvojio se rod i vrsta Homo sapiens s takvom inteligencijom

koja njenim pripadnicima omoguila osmisliti metode i orua znanosti; utemeljiti astrofiziku; dokuiti nastanak i razvoj svemira.

Da, svemir je imao poetak. Da, svemir se i dalje razvija. I da, moe se pratiti porijeklo svakog atoma naih tijela do Velikog praska, odnosno do termonuklearne pei u unutranjosti masivnih zvijezda. Mi nismo sluajno u svemiru, mi smo dio njega. Roeni smo iz njega. Moglo bi se ak rei da preko nas, ovdje u ovom zabitom kutku, svemir osmiljava samoga sebe. A tek smo na poetku toga puta.

PRVI DIO

Postanak svemira

1.

U POETKU

Upoetku bijae fizika. Fizika opisuje kako se materija, energija, prostor i vrijeme ponaaju i u kakva meudjelovanja stupaju. Igra ovih likova u naoj svemirskoj drami stoji u temelju svih biolokih i kemijskih pojava. Sve to je od temeljne vanosti i to je blisko nama Zemljanima poinje zakonima fizike i temelji se na njima. Kada primijenimo te zakone na astronomska zbivanja, tada imamo posla s fizikom u velikim razmjerima koju nazivamo astrofizika.

Na gotovo svakom podruju znanstvenog istraivanja, ali osobito u fizici, do novih otkria dolazi se na konanim granicama naih sposobnosti mjerenja dogaaja i situacija. U ekstremnim uvjetima materije, kao to je okolina crnih jama, gravitacija snano savija kontinuum prostorvremena. U ekstremnim uvjetima energije, termonuklearna fuzija odrava samu sebe na temperaturi od 15 milijuna stupnjeva u jezgrama zvijezda. A krajnje nezamislive uvjete sreemo u nepojmljivo toploj i gustoj sredini koja je postojala u prvim trenucima svemira. Da bi se razumjelo to se zbiva na svim ovim mjestima bili su neophodni zakoni fizike koji su otkriveni poslije 1900. godine, tijekom razdoblja koje fiziari sada nazivaju suvremeno doba, za razliku od klasinog doba u kojeg spada cjelokupna prethodna klasina fizika.

Jedno od glavnih svojstava klasine fizike je da dogaaji, zakoni i predvianja imaju smisla, da izgledaju logino. Svi su oni otkriveni i provjereni u obinim laboratorijima smjetenim u obinim zgradama. Zakoni gravitacije i zakoni gibanja, elektriciteta i magnetizma, kao i oni o prirodi i ponaanju toplinske energije i dalje se predaju na satovima srednjokolske fizike. Ova otkria o svijetu prirode pokrenula su industrijsku revoluciju koja je preobrazila kulturu i drutvo na naine nezamislive prolim generacijama; takoer su zadrala sredinju ulogu u tumaenju onoga to se dogaa i zato se dogaa u svijetu svakodnevnog iskustva.

Za razliku od toga, u suvremenoj fizici kao da nita nema smisla zato to se sve zbiva na podrujima koja se nalaze daleko izvan onih dostupnih

ljudskim osjetima. To i nije tako loe. Moemo sretno zakljuiti da su nai svakodnevni ivoti poteeni krajnje fizike. Jednog normalnog jutra vi ustajete iz postelje, odlazite u kupaonicu, ruate, pa kreete na posao. Na kraju dana, vai ukuani oekuju da ne izgledate drukije nego onda kada ste poli, odnosno da se vratite kui u jednom komadu. Ali zamislite da stiete u ured, ulazite u pregrijanu dvoranu za sastanke u 10:00 i odjednom gubite sve elektrone ili, jo gore, atomi vaeg tijela razlijeu se na sve strane. To bi ba bilo loe. Ili zamislite da sjedite u uredu i pokuavate raditi uz stolnu svjetiljku od 75 vata, kad netko ukljui rasvjetu od 500 kilovata na stropu, to dovodi do toga da vae tijelo poinje letjeti po prostoriji, odbijajui se o zidove, sve dok ne proleti kroz prozor. Ili, recimo, odete poslije posla na natjecanje u sumo hrvanju, gdje s nevjericom gledate kako se dva gotovo okrugla borca sudaraju, nestaju, a zatim spontano postaju dvije zrake svjetlosti koje naputaju dvoranu u suprotnim smjerovima. Ili na povratku kui poete nekim putem kojim inae ne idete, a kad se naete u blizini neke mrane zgrade ona vas usisa u sebe, poevi od stopala, isteui vam tijelo od nonih prstiju do tjemena, dok vas sabija po irini kako bi vas provukla kroz jamu iz koje vam nema povratka.

Da se ovakvi dogaaji odigravaju u naem svakodnevnom ivotu, suvremena fizika izgledala bi nam znatno manje udna; nae poznavanje temelja teorije relativnosti i kvantne mehanike prirodno bi proizlazilo iz ivotnoga iskustva i sve bi to imalo smisla; a nai ukuani vjerojatno nas uope ne bi ni putali da idemo na posao. Ali u prvim minutama svemira ovakve stvari neprekidno su se zbivale. Da bismo ih predoili sebi i razumjeli, nema nam druge ve utemeljiti novu vrstu zdravoga razuma, drukiju intuiciju o tome kako se materija ponaa i kako fiziki zakoni opisuju njezino ponaanje pri ekstremnim temperaturama, gustoi i tlaku.

Moramo zakoraiti u svijet jednadbe E = mc2.

Albert Einstein objavio je prvu verziju ove slavne jednadbe 1905. godine, iste one kada se u uvaenom njemakom asopisu za fiziku Annalen der Physik pojavio njegov kapitalan rad pod naslovom Zur Elektrodynamik der bewegter Krper. U prijevodu ovaj naslov glasi O elektrodinamici tijela u gibanju, ali je znatno poznatiji kao Einsteinova specijalna teorija relativnosti koja je uvela novi pogled na prirodu i to tako da je zauvijek promijenila nae predodbe o prostoru i vremenu. Einsteinu je tada bilo samo dvadeset est godina i radio je kao slubenik vicarskog patentnog zavoda u Bernu. Neto kasnije iste godine Einstein je prvi put

naveo gornju slavnu jednadbu u sasvim kratkom radu (dvije i pol stranice) objavljenom u istom glasilu: Ist die Trgheit eines Krpers von seinem Energieinhalt abhngig? (Ovisi li inercija tijela o njegovom energetskom sadraju?) Da bismo vas potedjeli truda potrage za izvornim tekstom, odnosno izvoenja eksperimenta kojim biste provjerili Einsteinovu teoriju, rei emo vam da je odgovor na pitanje postavljeno u naslovu potvrdan. Da, ovisi. Evo Einsteinovih rijei:

Ako tijelo emitira energiju E u obliku zraenja, masa mu se smanjuje za E/c2... Masa nekog tijela je mjera njegovog energetskog sadraja; ako se energija mijenja za iznos E, masa se mijenja za isti iznos.

Kao putokaz u ispravnost ovog iskaza, Einstein dodaje:

Nije nemogue da se kod tijela iji je energetski sadraj u visokoj mjeri promjenjiv (soli radija, na primjer) ova teorija moe uspjeno provjeriti.

Evo, sad imate algebarski naputak za sve prilike kada elite pretvarati materiju u energiju ili energiju u materiju. E = mc2 energija sadrana u nekoj masi jednaka je umnoku te mase i kvadrata brzine svjetlosti prua nam izuzetno snani raunsko orue koje nam proiruje sposobnost spoznaje i razumijevanja svemira od toga kakav je sada pa sve do infinitezimalnih djelia sekunde nakon roenja naeg svijeta. Ovom jednadbom moete ustanoviti koliko energije neka zvijezda moe proizvesti ili koliko moete dobiti pretvaranjem novia koje imate u depu u korisne oblike energije.

Najpoznatiji oblik energije koji blista svuda oko nas, premda ga uglavnom ne prepoznajemo niti znamo za njega je foton, nedjeljiva estica vidljive svjetlosti ili bilo kojeg drugog oblika elektromagnetnoga zraenja. Mi svi ivimo pod neprekidnim pljuskom fotona: sa Sunca, Mjeseca i zvijezda; iz vae penice, lustera i none svjetiljke; iz stotina radio i televizijskih stanica; iz bezbroj mobilnih telefona i radarskih odailjaa. Zato onda ne vidimo svakodnevno pretvaranje energije u materiju ili materije u energiju? Energija obinih fotona daleko je ispod mase ak i najmanje masivnih subatomskih estica, tako da ne moe biti pretvorena prema jednadbi E = mc2. Budui da fotoni sadre premalo energije da bi postali bilo to drugo, oni vode jednostavne, rekli bismo neuzbudljive ivote.

eznete li za malo akcije s E = mc2? Dajte se u potragu za fotonima gama zraenja koji nipoto ne oskudijevaju u energiji imaju je barem

200.000 puta vie nego vidljivi fotoni. No od njih ete se ubrzo razboljeti i umrijeti od raka, ali prije no to se to dogodi ukazat e vam se prilika da vidite parove elektrona, jedan napravljen od materije, a drugi od antimaterije, kako se pojavljuju tamo gdje su prethodno bili fotoni. Moi ete takoer vidjeti kako se sudaraju parovi elektrona materije i antimaterije, meusobno se ponitavajui i opet stvarajui fotone gama zraenja. Podignite energiju fotona jo 2000 puta i sada imate gama zraenje dovoljne energije da, po jednadbi E = mc2, stvore estice kao to su neutroni, protoni i njihovi antimaterijski parnjaci, s masom koja je gotovo 2000 puta vea od mase elektrona. Visokoenergetski fotoni ne nalaze se na svakom mjestu, ali ih ima u mnogim svemirskim topionicama. Za gama zraenje gotovo bilo koja sredina toplija od nekoliko milijarda stupnjeva sasvim je odgovarajua.

Ogroman je kozmoloki znaaj estica i energetskih paketa koji se pretvaraju jedni u druge. Trenutno, temperatura naeg svemira koji se iri, ustanovljena mjerenjem mikrovalnih fotona koji ispunjavaju svekoliki prostor, iznosi samo 2,73 kelvina. (Na Kelvinovoj ljestvici sve temperature imaju pozitivnu vrijednost; estice imaju najmanju moguu energiju na 0 kelvina; sobna temperatura iznosi 295 kelvina, dok voda vrije na 373 kelvina.) Poput fotona vidljive svjetlosti, mikrovalni fotoni prehladni su da bi se smjeli nadati pretvaranju u estice po jednadbi E = mc2. Drugim rijeima, nijedna poznata estica nema tako malu masu da moe nastati od oskudne energije jednog mikrovalnog fotona. Isto vrijedi za fotone radiovalova, infracrvene i vidljive svjetlost, kao i za ultraljubiasto i rendgensko zraenje. Jednostavnije govorei, za sva pretvaranja estica potrebno je gama zraenje. Juer je, meutim, svemir bio neto manji i neto topliji nego danas. A prekjuer jo manji i jo topliji. Vratite satove jo unatrag recimo za 13,7 milijarda godina i nai ete se u praiskonskoj juhi, u razdoblju kada je temperatura svemira bila dovoljno visoka da bude astrofiziki zanimljiva. Svijet je, naime, tada bio ispunjen gama zraenjem.

Razumijevanje ponaanja prostora, vremena, materije i energije od Velikog praska do danas jedan je od najveih uspjeha ljudske misli. Ako tragate za potpunim objanjenjem dogaaja u najranijim trenucima, kada je svemir bio manji i topliji nego ikada poslije, morate otkriti nain kako se etiri poznate sile prirode gravitacija, elektromagnetizam, jaka i slaba nuklearna sila meusobno odnose, kako se objedinjuju i postaju jedinstvena meta-sila. Takoer, morate nekako i pomiriti dvije trenutno

neusklaene grane fizike: kvantnu mehaniku (znanost o malom) i opu relativnost (znanost o velikom).

Potaknuti uspjenim povezivanjem kvantne mehanike i elektromagnetizma sredinom dvadesetoga stoljea, fiziari su pohitali da spoje kvantnu mehaniku i opu relativnost u jedinstvenu i usklaenu teoriju kvantne gravitacije. Iako su svi dosadanji pokuaji u ovom smislu zakazali, barem smo ustanovili gdje se nalazi glavna prepreka: u Planckovoj eri. Rije je o svemirskoj eri koja je trajala do 10-43 sekunde (jedan deset milijunti bilijunti bilijunti bilijunti dio sekunde) poslije poetka. Kako se informacije ne mogu kretati bre od svjetlosti, a to je okruglo 3 108 metara u sekundi, neki hipotetski promatra smjeten bilo gdje u svemiru za vrijeme Planckove ere ne bi mogao vidjeti dalje od 3 1035 metara (tri stotine milijarditi bilijunti bilijunti dio metra). Njemaki fiziar Max Planck, po kojem su ovo nepojmljivo malo vrijeme i udaljenost dobili naziv, doao je na zamisao o kvantiziranju energije 1900. godine i danas se smatra utemeljiteljem kvantne mehanike.

Svakodnevni ivot nije, meutim, nimalo ugroen svime ovime. Sukob kvantne mehanike i gravitacije ne suoava suvremeni svemir ni s kakvim potekoama. Astrofiziari primjenjuju pravila i sredstva ope teorije relativnosti i kvantne mehanike na potpuno razliite klase problema. Ali u poetku, za vrijeme Planckove ere, veliko je bilo malo, tako da je moralo postojati neko prisilno vjenanje izmeu dva podruja. Naalost, i dalje nam je nepoznato na to su se mladenci tom prigodom zavjetovali, odnosno nikakvi (poznati) zakoni fizike sa sigurnou ne opisuju kako se svemir ponaao tijekom kratkog medenog mjeseca, prije no to je irenje svemira prisililo vrlo veliko i vrlo malo da se trajno razdvoje.

Na kraju Planckove ere, gravitacija se oslobodila od ostalih, jo ujedinjenih sila prirode, stekavi nezavisan identitet koji nae sadanje teorije sasvim dobro opisuju. Kada je svemir preao starost od 10-35 sekundi, nastavio se i dalje iriti i hladiti, a ostatak nekada ujedinjenih sila razdvojio se na elektroslabu silu i jaku nuklearnu silu. Jo kasnije, elektroslaba sila rascijepila se na elektromagnetnu silu i slabu nuklearnu silu, ime su konano nastale etiri samostalne sile za koje danas znamo pri emu slaba sila upravlja radioaktivnim raspadom, jaka sila povezuje estice u atomskoj jezgri, elektromagnetna sila dri na okupu atome u molekulama, dok gravitacija dri na okupu vee koliine materije. U vrijeme kada je svemir dostigao starost od jednog bilijuntog dijela sekunde, njegove prestrukturirane sile, uz jo nekoliko kljunih dogaaja,

ve su odredile temeljna svojstva naeg svijeta, od kojih svako zavreuje da se o njemu napie posebna knjiga.

Kako je prolazio prvi bilijunti dio sekunde svemira, ve je dolo do meudjelovanja materije i energije. Neposredno prije, za vrijeme i nakon to su se jaka i elektroslaba sila razdvojile, svemir bijae uskomeani ocean kvarkova, leptona i njihovih antimaterijskih parnjaka, uz bozone koji su omoguavali ovim esticama da stupaju u meudjelovanja. Nijedna od tih estica, barem koliko nam je poznato, ne moe se podijeliti na manje i osnovnije sastojke. Fotoni, ukljuujui i one koji stvaraju vidljivu svjetlost, pripadaju obitelji bozona. U leptone, od kojih su laicima najpoznatiji elektroni i (moda) neutrini; a najpoznatiji kvarkovi su... e, nema najpoznatijih kvarkova zato to u obinom ivotu uvijek imamo kvarkove vezane u esticama kao to su protoni i neutroni. Svakoj vrsti kvarkova dodijeljen je apstraktan naziv koji nema nikakav filoloki, filozofski ili pedagoki smisao. Nazivi su tu jedino zato da bismo kvarkove razlikovali u govoru/ pisanju: gore i dolje, udan i armantan, vrh i dno.

Usput budi reeno, bozoni su nazvani po indijskom fiziaru Satyendranathu Boseu. Rije lepton potjee od grkog leptos, to znai lak ili mali. Kvarkovi, meutim, imaju knjievno i znatno matovitije porijeklo. Ameriki fiziar Murray Gell-Mann, koji je 1964. predloio teoriju o postojanju kvarkova i koji je u to vrijeme smatrao da obitelj kvarkova ima samo tri lana, preuzeo je naziv za njih iz jednog tipino sloenog ulomka iz romana Jamesa Jojcea Finnegansovo bdijenje: Three quarks for Muster Mark! Nazivi kvarkova imaju jednu nesumnjivu vrlinu: svi su jednostavni. Ovom se vrlinom ba ne mogu uvijek podiiti kemiari, biolozi i geolozi pri izboru naziva u svojim podrujima.

Kvarkovi su neobini. Za razliku od protona, iji elektrini naboj iznosi +1, i elektrona, iji naboj iznosi 1, kvarkovi imaju iznose naboja 1/3 ili 2/3, s pozitivnom ili negativnim predznakom. Osim u najekstremnijim uvjetima, jedan kvark nikada neete zatei u obliku samostalnog entiteta; uvijek e se javljati zajedno s jo jednim ili s jo dva kvarka. tovie, sila koja dri na okupu dva ili vie kvarka postaje snanija to ih vie razdvajate kao da su povezani nekom subnuklearnom gumenom vrpcom. Ako ipak uspijete dovoljno razdvojiti kvarkove, gumena vrpca meu njima e pui. Energija uskladitena u napetoj vrpci tada priziva E = mc2 i stvara nove kvarkove na dva kraja te vas tako vraa na poetak.

Tijekom ere kvarkova i leptona u prvom bilijuntom dijelu sekunde svemira, njegova gustoa bila je tolika da se prosjeni razmak izmeu nepovezanih kvarkova nije razlikovao od razmaka izmeu povezanih kvarkova. U tim uvjetima, meusobna privrenost meu oblinjim kvarkovima nije mogla biti jednoznano odreena te su se oni slobodno kretali. Do eksperimentalne potvrde ovog stanja materije, koje je sasvim prikladno nazvano kvarkovska juha, dola je 2002. godine jedna ekipa fiziara iz Nacionalnog laboratorija Brookhaven na Long Islandu.

Kombinacija promatrakih rezultata i teorije navodi nas na zakljuak da je neka epizoda u vrlo ranom svemiru, moda prilikom nekog od dijeljenja sila na dvije podvrste, imala za posljedicu nastanak vane asimetrije pri kojoj su estice materije postale brojnije od estica antimaterije za otprilike jednu na milijardu to se pokazalo kao dovoljna razlika da mi danas postojimo. Ovo malo nepodudaranje teko da je uope moglo biti zapaeno usred neprekidnog stvaranja, anihiliranja i ponovnog stvaranja kvarkova i antikvarkova, elektrona i antielektrona (poznatijih kao pozitroni) i neutrina i antineutrina. Tijekom te ere, maleni pretiak materije nad antimaterijom imao je bezbroj prilika da nae estice s kojima bi se ponitio, kao to su to uinile i sve ostale estice.

Ali takve prilike nisu jo dugo potrajale. Kako se svemir nastavio iriti i hladiti, temperatura mu je brzo pala ispod bilijun kelvina. Od poetka je protekao milijunti dio sekunde, ali sad ve mlaki svemir vie nije imao dovoljnu ni temperaturu ni gustou da kuha kvarkove. Svi kvarkovi brzo su se doepali partnera za ples, stvorivi postojanu novu obitelj tekih estica nazvanih hadroni (od grke rijei hadros, to znai gust). Udruivanje kvarkova u hadrone brzo je dovelo do nastanka protona i neutrona, kao i drugih, manje poznatih vrsta tekih estica koje se sve sastoje od neke kombinacije kvarkova. Mala asimetrija izmeu materije i antimaterije u juhi kvarkova i leptona sada se prenijela na hadrone, to je imalo izuzetne posljedice.

Kako se svemir hladio, koliina raspoloive energije za spontano stvaranje estica postojano je opadala. U eri hadrona, fotoni vie nisu mogli raunati na E = mc2 za pravljenje parova kvarkova i antikvarkova: njihovo E vie nije bilo dovoljno za nastanak mc2 parova. Osim toga, fotoni koji su nastajali iz svih preostalih anihilacija nastavili su gubiti energiju u procesu irenja svemira, sve dok ona konano nije pala ispod praga neophodnog za stvaranje parova hadrona i antihadrona. Svakih milijardu anihilacija ostavljalo je za sobom milijardu fotona dok je

preivljavao samo jedan hadron, nijemi svjedok maloga pretika materije nad antimaterijom u ranom svemiru. Ti samotni hadroni, ta milijardinka energetske juhe, na kraju e stvoriti sveukupnu materiju: iz njih e nastati galaktike, zvijezde, planeti i ljudi.

Da nije bilo te neravnotee od milijardu prema milijardu i jedan izmeu materije i antimaterije, sveukupna masa u svemiru (s izuzetkom tamne materije iji je oblik i dalje nepoznat) ponitila bi se prije no to bi svemir navrio jednu sekundu postojanja, ostavivi za sobom svijet u kojem bismo vidjeli (kada bi nas bilo) fotone i nita drugo konani scenarij po modelu Neka bude svjetlost.

Ali sada je protekla prva sekunda.

Na temperaturi od milijardu kelvina svemir je i dalje vru jo moe kuhati elektrone koji se, zajedno sa svojim antimaterijskim parnjacima pozitronima sad pojavljuju, a sad nestaju. Ali kako se nastavlja irenje i hlaenje svemira, njihovi dani (tonije, sekunde) bivaju odbrojani. Ono to se prethodno dogodilo s hadronima sada se zbilo i s elektronima i pozitronima: meusobno su se ponitili, a samo je jedan na milijardu preivio samoubilaki pakt materije i antimaterije. Ostali elektroni i pozitroni stradali su i preplavili svemir pravim morem fotona.

Kada se okonala era meusobnog ponitavanja elektrona i pozitrona, u svemiru je na svaki proton dolazio po jedan elektron. S nastavkom hlaenja, odnosno kako je temperatura pala ispod 100 milijuna stupnjeva, protoni su se dijelom povezivali s drugim protonima i neutronima, stvarajui atomske jezgre i pripremajui teren za jedan budui svemir u kojem e 90 posto ovih jezgri otpadati na vodik, a 10 posto na helij, uz tek male dodatke u obliku jezgara deuterija, tricija i litija.

Protekle su dvije minute od poetka.

Sljedeih 380.000 godina nita se znaajno nije dogodilo u naoj juhi vodikovih i helijevih jezgri, elektrona i fotona. Tijekom tih stotina milenija temperatura svemira bila je dovoljno visoka da se elektroni slobodno kreu meu fotonima.

Kao to emo uskoro vidjeti u treem poglavlju, ova sloboda naglo se zavrila kada se temperatura svemira spustila ispod 3000 kelvina (to je priblino polovica temperature na povrini Sunca). Tek tada su elektroni zauzeli mjesta na stazama oko jezgri, stvarajui atome. Vjenanjem elektrona i jezgri, novonastali atomi nali su se usred fotona vidljive svjetlosti, ime je zavrena pria o nastanku estica i atoma u

praiskonskom svemiru.

Nastavak irenja svemira doveo je do novog slabljenja energije fotona. Danas, u kojem god pravcu astrofiziari pogledali, svuda nailaze na trag mikrovalnih fotona na temperaturi od 2,73 kelvina, to je samo tisuiti dio vrijednosti temperature kojom su oni raspolagali u doba nastanka atoma. Raspodjela ovog zraenja na nebu ista koliina energije stie iz svih pravaca uva sjeanje na raspodjelu materije u svemiru neposredno prije no to su atomi stvoreni. Iz ove raspodjele astrofiziari mogu stei mnotvo podataka, meu kojima su starost i oblik svemira. Iako su atomi danas dio svakodnevnog ivota svemira, Einsteinovu jednadbu eka jo puno posla u akceleratorima, gdje se parovi estica materije i antimaterije rutinski stvaraju iz energetskih polja; u jezgri Sunca, gdje 4,4 milijuna tona materije biva pretvoreno u energiju svake sekunde; i u sreditima svih drugih zvijezda.

E = mc2 nalazi primjenu i u blizini crnih jama, tik izvan njihovog dogaajnog obzora, gdje mogu nastajati parovi estica i antiestica nautrb silne gravitacijske energije crne jame. Britanski kozmolog Stephen Hawking prvi je opisao ovu pojavu 1975., pokazavi da cjelokupna masa crne jame moe polako ispariti pod djelovanjem ovog procesa. Drugim rijeima, crne jame nisu sasvim crne. Pojava je poznata kao Hawkingovo zraenje i slui kao podsjetnik na stalnu upotrebljivost Einsteinove najpoznatije jednadbe.

Ali to se dogaalo prije sve ove svemirske strke. to je bilo prije poetka?

Astrofiziari ne znaju nita o tome. Odnosno, nae najmatovitije zamisli su nita ili vrlo malo utemeljene na eksperimentalnoj znanosti. Ipak, ljudi skloni religijskom pogledu na svijet tvrde, esto uz prizvuk samouvjerenosti, da je neto moralo pokrenuti cijelu stvar: neka sila vea od svih ostalih, izvor iz kojeg je sve proizalo. Prapokreta. Za ove ljude to neto je, naravno, Bog, ija se priroda mijenja od vjernika do vjernika, ali i koji je uvijek odgovoran za poetak kotrljanja lopte.

Ali to ako je svemir oduvijek postojao, u stanju koje tek trebamo odrediti kao multiverzum, na primjer, u okviru kojega je ono to mi nazivamo svemirom samo mjehuri u zapjenuanom oceanu? Ili to ako je svemir, poput njegovih estica, odjednom iskoio ni iz ega to bismo mogli vidjeti?

Ovakvi odgovori obino ne zadovoljavaju nikoga. No, oni nas

podsjeaju na to da je ueno neznanje prirodno stanje uma istraivakih znanstvenika na stalno promjenjivoj granici znanja. Ljudi koji su za sebe smatrali da ne znaju nita nikada se nisu dali u potragu za granicom niti su na nju naletjeli izmeu onoga to je poznato i to je nepoznato u svemiru. A tu poiva oaravajua dihotomija: Svemir je oduvijek postojao ne prihvaa se kao dobar odgovor na pitanje to je bilo prije poetka? Ali za mnoge religiozne ljude Bog je oduvijek postojao prihvaa se kao oit i sasvim zadovoljavajui odgovor na pitanje to je bilo prije Boga?

Kojem god taboru pripadali, kada se upustite u pokuaje davanja odgovora na pitanje kako je sve poelo, obino se javlja emocionalno uzbuenje kao da ete postati sudionikom u onome to je uslijedilo ili ak odgovorni za to. No, ono to vrijedi za ivot, vrijedi i za svemir: znati odakle potjeete nije manje vano nego znati kamo idete.

2.

ANTIMATERIJA JE BITNA

Fiziari estica pobijedili su u natjecanju za najneobiniji, ali i najljupkiji argon u okviru svoje discipline. Gdje jo moete nai neutralni vektorski bozon koji se razmjenjuje izmeu negativnog miona i mionskog neutrina? Ili gluonsku razmjenu pri kojoj se spajaju udni kvark i armantni kvark? Takoer, gdje jo moete sresti skvarkove, fotine i gravitine? Osim ovih prividno bezbrojnih estica neobinih naziva, fiziari estica moraju se jo nositi s paralelnim svemirom antiestica, zajedno poznatim kao antimaterija. Iako se moe uiniti da pripada carstvu znanstvene fantastike, antimaterija je stvarna. Uz to, kao to moete pretpostaviti, tei anihiliranju pri dodiru s obinom materijom.

Svemir otkriva udnu romansa izmeu antiestica i estica. One mogu nastati zajedno iz iste energije, kao to se mogu i meusobno unititi vraanjem udruene mase u energiju. Godine 1932. ameriki fiziar Carl David Anderson otkrio je antielektron, pozitivno nabijenog antimaterijskog parnjaka negativno nabijenog elektrona. Tijekom kasnijih godina, fiziari estica rutinski su pravili antiestice svih vrsta u akceleratorima diljem svijeta, ali tek nedavno su uspjeli dobiti cijeli atom sastavljen od antiestica. Poevi od 1996. godine, meunarodna skupina znanstvenika predvoena Walterom Oelertom s Istraivakog instituta za nuklearnu fiziku u Jlichu, u Njemakoj, pravi atome antivodika u kojima antielektroni sretno krue oko antiprotona. Ove prve antiatome fiziari su napravili u divovskom akceleratoru pri Europskom centru za nuklearna istraivanja (poznatijem po francuskom akronimu CERN) u enevi, gdje su ostvareni i mnogi drugi znaajni uspjesi u fizici estica.

Fiziari koriste jednostavnu metodu stvaranja: naprave mnotvo antielektrona i antiprotona, izmijeaju ih pri prikladnoj temperaturi i gustoi, a onda ekaju da se poveu i stvaraju atome. Tijekom prvih pokusa, Oelertova ekipa je izgradio devet atoma antivodika. Ali, u svijetu kojim prevladava obina materija, ivot jednog atoma antimaterije moe biti neizvjestan. Atomi antivodika opstali su neto manje od 40 nanosekundi (etrdeset milijarditih dijelova sekunde) prije no to su se ponitili s obinim atomima.

Eksperimentalno otkrie antielektrona bio je jedan od velikih uspjeha teorijske fizike; njegovo postojanje predvidio je samo nekoliko godina ranije britanski fiziar Paul A. M. Dirac.

Za opis materije u najmanjim veliinama veliinama atomskih i subatomskih estica fiziari su razvili novu granu fizike tijekom dvadesetih godina prolog stoljea. Svrha nove grane bila je objasniti rezultate eksperimenata s ovim esticama. Oslanjajui se na novopostavljena pravila, sada poznata pod imenom kvantna teorija, Dirac je zakljuio iz drugog rjeenja svoje jednadbe da bi se fantomski elektron s druge strane mogao povremeno pojaviti u svijetu kao obian elektron, ostavivi za sobom procijep ili jamu u moru negativnih energija. Iako se Dirac nadao da e na ovaj nain objasniti protone, drugi fiziari izloili su pretpostavku da e se ova jama eksperimentalno pokazati kao pozitivno nabijen antielektron koji je dobio naziv pozitron po svojoj pozitivnom naboju. Praktino otkrie pozitrona potvrdilo je Diracovu osnovnu zamisao i dalo antimateriji podjednako uvaavanje kao i materiji.

Jednadbe s dvostrukim rjeenjem nisu neuobiajene. Jedan od najjednostavnijih primjera je pitanje koji broj pomnoen samim sobom daje devet. Je li to 3 ili 3? Odgovor, naravno, glasi: i jedan i drugi, zato to je 3 3 = 9, kao to je i (3) (3) = 9. Fiziari ne mogu jamiti da e sva rjeenja neke jednadbe odgovarati dogaajima iz stvarnog svijeta, ali ako je ispravan matematiki model neke fizike pojave, manipuliranje njegovim jednadbama moe biti podjednako korisno kao i manipuliranje cijelim svemirom (a i neto lake od toga). Kao u sluaju Diraca i antimaterije, ovakvi postupci esto vode do provjerivih predvianja. Ako se predvianja pokau netona, onda se teorija odbacuje. Ali kakav god bio fiziki rezultat, matematiki model osigurava da su zakljuci koje ste iz njega izveli i logini i unutar sebe dosljedni.

Subatomske estice imaju mnoga mjerljiva svojstva, od koji se masa i naboj ubrajaju u najznaajnija. S izuzetkom mase, koja je uvijek ista kod estice i antiestice, posebna svojstva svake vrste antiestica uvijek su suprotna od odgovarajuih svojstava estica. Primjera radi, pozitron ima istu masu kao elektron, ali dok je naboj pozitrona +1, naboj elektrona iznosi 1. U istom smislu, antiproton je negativno nabijena antiestica protona.

Vjerovali ili ne, neutron, koji je bez naboja, takoer ima svoju antiesticu. Njezin naziv je nije teko pogoditi antineutron. Antineutron

ima suprotni nulti naboj u odnosu na obini neutron. Ova antimaterijska arolija proizlazi iz karakteristine trojke treinski nabijenih estica (kvarkova) koje stvaraju neutrone. Tri kvarka koja ulaze u sastav neutrona imaju naboje od 1/3, 1/3 i +2/3, dok kod kvarkova antineutrona naboji iznose 1/3, 1/3 i 2/3. Svaki od dva skupa od po tri kvarka ima ukupni nulti naboj ali su zato njihovi odgovarajui sastavni dijelovi suprotno nabijeni.

Antimaterija moe nastati ni iz ega. Ako fotoni gama zraenja imaju dovoljno visoku energiju, u stanju su pretvoriti se u parove elektrona i pozitrona, ime pretvaraju svoju veliku energiju u malu koliinu materije tijekom procesa u kojem se iznosi energije i materije ravnaju prema Einsteinovoj jednadbi E = mc2.

Na jeziku Diracovoga prvobitnoga tumaenja, foton gama zraenja izbacuje elektron iz podruja negativnih energija, stvarajui obian elektron i elektronsku jamu. Moe se dogoditi i obrnuti proces. Ako se estica i antiestica sudare, one e se meusobno ponititi tako to e ispuniti jamu i emitirati gama zraenje. Gama zraenje svakako je neto to treba izbjegavati.

Ako nekako uspijete stvoriti grudu antiestica kod kue, do grla ste u nevoljama. Prije svega, suoit ete se s problem skladitenja zato to e se vae antiestice ponititi s bilo kojom uobiajenom vreicom iz samoposluge (papirnom ili plastinom, svejedno) u koju biste najprije mogli pomisliti spremiti grudu. Mudriji nain skladitenja bio bi smjetaj antiestica u jako magnetno polje u kojem bi ih zadrali nevidljivi, ali vrlo djelotvorni magnetni zidovi. Ako ovo magnetno polje postavite u vakuum, osigurali biste da ne doe do dodira antiestica s obinom materijom. Ovaj magnetni ekvivalent boce mogao bi posluiti i kao vrea koja vam stoji na raspolaganju kad god imate posla s materijalima koji ne trpe uobiajena skladitenja, kao to je, na primjer, plin na temperaturi od 100 milijuna stupnjeva s kakvim se barata u eksperimentima s (kontroliranom) nuklearnom fuzijom. Najvei skladini problem javio bi se kada biste stvorili cijele antiatome, zato to se antiatomi, kao ni atomi, ne odbijaju od magnetnih zidova. Mudro biste postupili kada biste drali protone i antiprotone u zasebnim magnetnim bocama sve do trenutka kada ih morate dovesti u vezu.

Da bi se stvorila antimaterija, potrebno je u najmanju ruku isto onoliko energije koliko se dobije kada se ona poniti s materijom, postajui ponovo energija. Osim ako nemate pun spremnik antimaterijskog goriva

prije lansiranja, ureaj za proizvodnju antimaterije postupno bi isisavao energiju iz vaeg svemirskog broda. Moda se upravo to dogodilo u prvobitnoj televizijskoj seriji i filmskom serijalu Zvjezdane staze; ako nas pamenje dobro slui, kapetan Kirk stalno je traio vie snage iz materija-antimaterija pogona, na to je Scotty uvijek uzvraao svojim kotskim naglaskom da motori nemreju to zdrati.

Iako fiziari oekuju da se atomi vodika i antivodika ponaaju isto, ovo predvianje jo nije eksperimentalno potvreno, poglavito zbog potekoa vezanih za due odravanje atoma antivodika, koji se gotovo trenutno anihiliraju s protonima i elektronima. Znanstvenici bi voljeli potvrditi da se ponaanje pozitrona vezanog za antiproton u atomu antivodika pokorava svim zakonima kvantne teorije, odnosno da se gravitacija antiatoma ponaa upravo onako kako bismo to oekivali kod obinih atoma. Proizvodi li moda antiatom antigravitaciju (koja je odbojna) umjesto obine gravitacije (koja je privlana)? Teorija upuuje na obinu gravitaciju, ali ako bi se pokazalo da je na snazi ono prvo, to bi pruilo izuzetna nova znanja u prirodi. Na atomskoj razini, sila gravitacije izmeu bilo koje dvije estice neizmjerno je mala. Umjesto gravitacije, elektromagnetna i nuklearna sila upravljaju ponaanjem tih majunih estica zato to su obje znatno jae od gravitacije. Da biste provjerili postoji li antigravitacija, bilo bi vam potrebno dovoljno antiatoma da napravite objekte svakodnevnih veliine, kako biste mogli izmjeriti njihova makroskopska svojstva i usporedite ih s obinom materijom. Ako bi se napravio komplet bilijarskih kugli (kao i, naravno, bilijarski stol i tapovi) od antimaterije, bi li se partija antibilijara mogla razlikovati od partije bilijara? Bi li neka antikugla ula u kutnu jamu na tono isti nain kao obina kugla? Bi li antiplaneti kruili oko antizvijezde na isti nain na koji obini planeti krue oko obinih zvijezda?

Filozofski, ta pitanja imaju smisla i bilo bi u suglasnosti sa svim predvianjima suvremene fizike pretpostaviti da e se za ukupna svojstva antimaterije pokazati da su ista s onima kakva ima obina materija: poznatu nam gravitaciju, poznate sudare, poznatu svjetlost i tako dalje. Naalost, to znai da ako nam se pribliava neka antigalaktika i ako prijeti neizbjean sudar s Mlijenom stazom, ona se ne bi mogla razlikovati od obine galaktike sve dok ne bude prekasno da se bilo to poduzme. Ali ova zastraujua opasnost ne moe biti esta u dananjem svemiru zato to, na primjer, ako bi se samo jedna antizvijezda anihilirala s nekom obinom zvijezdom, pretvaranje njihove materije i antimaterije u gama zraenje bilo

bi brzo, silovito i potpuno. Ako bi se u naoj Galaktici sudarile dvije zvijezde po masama sline Suncu (od kojih bi svaka sadravala po 1057 estica), njihovo meusobno ponitavanje stvorilo bi sjaj koji bi privremeno nadmaio sveukupnu energiju svih zvijezda iz 100 milijuna galaktika, sprivi nas u trenu. Ne raspolaemo promatranjima da se neto slino ikada zbilo ma gdje u svemiru. Prema tome, koliko moemo prosuditi, svemirom prevladava obina materija i tako je bilo jo od prvih nekoliko minuta poslije Velikog praska. Potpuna anihilacija, dakle, pri sudaru materije i antimaterije ne mora vas previe brinuti kad se sljedei put otisnete na meugalaktiko putovanje.

No, svemir sada izgleda prilino neuravnoteen: oekujemo da estice i antiestice nastaju u jednakom broju, ali ustanovljavamo da svemirom prevladavaju obine estice kojima kao da antiestice nimalo ne nedostaju. Moe li se ova neravnotea objasniti postojanjem skrivenih depova antimaterije u svemiru? Je li neki zakon fizike naruen (ili je moda posrijedi bio neki nepoznati zakon fizike) tijekom ranog svemira, ime je dolo do nesklada u korist materije nad antimaterijom? Moda nikada neemo doznati odgovore na ova pitanja, ali za svaki sluaj, ako vam se na vratima pojavi neki izvanzemaljac i prui jedan od pipaka u znak pozdrava, dobacite mu najprije jednu bilijarsku kuglu. Ako pipak i kugla eksplodiraju, onda se zasigurno izvanzemaljac sastoji od antimaterije. (Kako e on i njegovi pratitelji reagirati na to, kao i hoe li vama eksplozija nauditi, o tome ovdje neemo dalje.) Ako, pak, izvanzemaljac prihvati bilijarsku kuglu, moete bez opasnosti svog novog prijatelja upoznati sa svojim prijateljima.

3.

NEKA BUDE SVJETLOST

Uvrijeme kada je svemir bio star samo djeli sekunde, temperature od bilijun stupnjeva i ispunjen nepojmljivim sjajem, najvie ga je zanimalo irenje. Sa svakim minulim trenom postajao je sve vei kako se sve vie prostora pojavljivalo ni iz ega (ovo nije lako zamisliti, ali injenice odnose prevagu nad zdravim razumom). Kako se svemir irio, postajao je hladniji i manje sjajan. Stotinama tisuljea materija i energija postojale su zajedno u svojevrsnoj gustoj juhi u kojoj su brzi elektroni neprekidno razbacivali fotone svjetlosti na sve strane.

U to doba, ako vam je namjera bila da bacite pogled kroz svemir, to niste mogli. Svaki foton koji bi vam uao u oko odbio bi se, samo nekoliko nanosekundi ili pikosekundi ranije, od elektrona tik pred vaim licem. Sve to biste vidjeli bila bi blistava magla u svim pravcima, a sve to bi vas okruivalo sjajno, prozirno, crvenkastobijele boje bilo bi jarko poput povrine Sunca.

Kako se irenja svemira nastavljalo, opadala je energija koju je nosio svaki foton. Konano, nekako u vrijeme kada je mladi svemir proslavio svoj 380.000. roendan, temperatura mu je pala ispod 3000 stupnjeva, to je omoguilo da se protoni i jezgre helija trajno domognu elektrona te da na taj nain podare svemiru atome. U ranijim razdobljima, svaki foton imao je dovoljno energije da razbije novostvoreni atom, ali sada, zbog irenja svemira, fotoni to vie nisu bili u stanju. Sa sve manje slobodnih elektrona koji bi im stajali na putu, fotoni su konano mogli jurnuti kroz prostor, bez opasnosti da e naletjeti na neku prepreku. Tada je svemir postao proziran, magla se podigla, a osloboeno je kozmiko pozadinsko zraenje vidljive svjetlosti.

Ovo kozmiko pozadinsko zraenje zadralo se do danas u obliku ostataka svjetlosti iz bljetavog, zasljepljujueg, ranog svemira. Rije je o sveprisutnom moru fotona koji se ponaaju i kao valovi i kao estice. Valna duina svakog fotona jednaka je razmaku izmeu dva susjedna brijega njegovog vala to biste mogli izmjeriti i ravnalom samo kad biste bili u uhvatiti neki foton za rep. Svi fotoni kreu se istom brzinom u

vakuumu, oko 300.000 kilometara u sekundi (to se, prirodno, naziva brzina svjetlosti), te e tako fotoni kraih valnih duina imati vei broj bregova koji prolaze kroz neku toku svake sekunde. Krae valne duine, dakle, nose vie oscilacija u jedinici vremena, pa e zato imati veu frekvenciju odnosno vei broj oscilacija u sekundi. Frekvencija svakog fotona je i izravna mjera njegove energije: to je ona via, to foton nosi vie energije.

Kako se svemir hladio, fotoni su gubili energiju u irenju svemira. Fotoni nastali na gama podruju ili rendgenskim dijelovima spektra prelazili su u fotone ultraljubiastoga podruja, zatim podruja vidljive svjetlosti te infracrvenog podruja spektra. Danas, 13,7 milijarda godina od poetka, fotoni svemirske pozadinskog zraenja premjestili su se toliko niz spektar da su sada u mikrovalnom podruju. Zato astrofiziari danas to zraenje nazivaju svemirska mikrovalna pozadina, iako je udomaeniji naziv kozmiko pozadinsko zraenje ili KPZ. Za sto milijarda godina, kako se svemir jo bude proirio i ohladio, tadanji astrofiziari koristit e vjerojatno izraz svemirska radiovalna pozadina.

Temperatura svemira opadala je kako mu je veliina rasla. To je sasvim prirodno. Kako se razni dijelovi svemira razmiu, valne duine fotona u KPZ-u moraju se poveavati: svemir razvlai ove valove unutar rastezljivog tkiva prostora i vremena. Kako je energija svakog fotona obrnuto razmjerna njegovoj valnoj duini, svi fotoni koji se slobodno kreu izgubit e polovicu prvobitne energije sa svakim udvostruenjem veliine svemira.

Sva tijela temperature iznad apsolutne nule zrae fotone u svim dijelovima spektra. Ali to zraenje uvijek ima negdje vrhunac. Vrna valna duina energije kod obine kune arulje nalazi se na infracrvenom dijelu spektra koji moete osjetiti kao toplinu na koi. Naravno, arulje emitiraju i puno vidljive svjetlosti, inae ih ne bismo kupovali. Dakle, ne samo da osjeate zraenje arulje nego ga i vidite.

Vrna valna duina svemirskog pozadinskog zraenja pada na valnu duinu od oko 1 milimetar, to je tek djeli mikrovalnog dijela spektra. Statiki um koji ujete na voki-tokiju potjee od mikrovalnog zraenja okoline, od ega nekoliko postotaka otpada na KPZ. Ostatak ovog uma stvaraju Sunce, mobilni telefoni, policijski radari i tako dalje. Osim vrne valne duine na mikrovalnom podruju, KPZ se javlja i na radiopodruju (ometajui tako zemaljske radiokomunikacije), dok tek vrlo malo ima

fotona s energijama viim od mikrovalnih.

Ameriki fiziar ukrajinskog porijekla George Gamov i njegove kolege predvidjeli su postojanje KPZ-a tijekom etrdesetih godina dvadesetog stoljea, o emu su objavili rad 1948. u kojem su primijenili tada poznate zakone fizike na neobine uvjete koji su vladali u ranom svemiru. Rad se temelji na zamislima Georgesa Edouarda Lematrea, belgijskoga astronoma i isusovca, koji se danas smatra utemeljiteljem kozmologije Velikog praska. Lematreov rad objavljen je 1927.) Ali dvojica amerikih fiziara, Ralph Alpher i Robert Herman, koji su prethodno suraivali s Gamovom, prvi su procijenili kolika bi trebala biti temperatura svemirske pozadine.

Promatrano unatrag, Alpher, Gamov i Herman poli su od onoga to danas izgleda kao razmjerno jednostavan argument isti onaj koji smo i mi istaknuli: prostorvrijeme je bilo manje juer, a elementarna fizika nalae da je zbog manjih veliina moralo biti toplije. Fiziari su zato vratili uru unatrag kako bi zamislili razdoblje koje smo opisali, kada je svemir bio toliko topao da su atomske jezgre bile ogoljene zato to su se, pri sudaru s fotonima, elektroni odvajali i slobodno se kretali prostorom. Pod takvim uvjetima, pretpostavili su Alpher i Herman, fotoni nisu mogli neometano juriti kroz svemir, kao to to ine danas. Za sadanji slobodan tok fotona neophodno je bilo da se svemir dovoljno rashladi i time omogui da se elektroni stabiliziraju na stazama oko atomskih jezgara. Tada su nastali atomi, a svjetlost se sada mogla kretati bez smetnji.

Iako je Gamov shvatio kljunu injenicu da je rani svemir morao biti znatno topliji od suvremenog, Alpher i Herman prvi su izraunali kolika mu temperatura treba biti danas: 5 kelvina. Da, dobili su pogrean rezultat danas znamo da je temperatura KPZ 2,73 kelvina. Ali njih trojica ipak su obavili uspjenu ekstrapolaciju unatrag, u dubine davno zavrenih svemirskih razdoblja to je pothvat kojem malo ima premca u povijesti znanosti. Osloniti se samo na elementarnu atomsku fiziku na laboratorijskoj razini i odatle izvesti zakljuke o najveoj ikad izmjerenoj pojavi toplinskoj povijesti svemira doista je podvig vrijedan divljenja. Evo to je, povodom ovog uspjeha, napisao J. Richard Gott III, astrofiziar s Princetona, u knjizi Putovanje kroz vrijeme u Einsteinovom svemiru: Predvidjeti da zraenje postoji, a zatim odrediti njegovu temperaturu uz pogreku od samo faktora 2 bilo je izuzetno postignue ravno onome kao da su predvidjeli da e se letei tanjur od 15 metara u promjeru spustiti na travnjak ispred Bijele kue, a ono se pokae da letjelica ima, zapravo, 7,5

metara.

U vrijeme kada su Alpher, Herman i Gamov izloili svoju pretpostavku, fiziari jo nisu bili sloni oko toga kako je svemir poeo. Godine 1948, iste one kada se pojavio rad Alphera i Hermana, izloena je teorija stalnog stanja u dva rada objavljena u Engleskoj. Prvi rad su zajedno potpisali matematiar Hermann Bondi i astrofiziar Thomas Gold, dok je autor drugoga bio astrofiziar Fred Hoyle. Prema teoriji stalnog stanja, svemir je, iako se iri, uvijek izgledao isti to je bila zamisao koja je privlaila svojom jednostavnou. Ali kako se svemir iri, a stacionarni svemir ne smije biti nimalo topliji i gui juer nego danas, prema scenariju Bondija, Golda i Hoylea materija se neprekidno pojavljuje u naem svijetu upravo za onoliko koliko je potrebno da bi se odrala ista prosjena gustoa sve veeg svemira. Nasuprot tome, prema teoriji Velikog praska (ime koje je Fred Hoyle prezrivo smislio) sveukupna materija nastala je u jednom trenu, to nekima izgleda emotivno prihvatljivije. Obratite panju na to da teorija stalnog stanja pomie pitanje nastanka svemira u beskonanu prolost to je ba zgodno za one koji se radije ne bi hvatali u kotac s ovim nezgodnim problemom.

Predvianje kozmikog pozadinskog zraenja zadalo je ozbiljan udarac pobornicima teorije stalnog stanja. Postojanje KPZ jasno je pokazalo da je svemir jednom bio vrlo razliit znatno manji i topliji od onoga kako danas izgleda. Kada je KPZ prvi put neposredno zabiljeeno, time su zakucani prvi avli u mrtvaki sanduk teorije stalnog stanja (premda Fred Hoyle nikada nije prihvatio da KPZ rui njegovu elegantnu teoriju, sve do svoje smrti pokuavajui pronai druge razloge kojima bi se ovo zraenje moglo objasniti). Godine 1964. KPZ su sluajno otkrili Arno Penzias i Robert Wilson iz Laboratorija Bell Telepfone (Bell Lab). Neto malo vie od deset godina kasnije Penzias i Wilson dobili su Nobelovu nagradu za svoj naporan rad i puno sree.

Kako su Penzias i Wilson stigli do Nobelove nagrade? Poetkom ezdesetih godina fiziari su znali za mikrovalove, ali gotovo jo nitko nije bio u stanju zabiljeiti slabane signale s mikrovalnog dijela spektra. U to vrijeme, glavnina beinog komuniciranja (prijemnici, detektori, odailjai) odvijala se na radiovalovima koji imaju vee valne duine od mikrovalova. Za ove su znanstvenicima bili potrebni detektor kraih valnih duina i osjetljiva antena kojom bi ih primali. U Bel Labu postojala je jedna takva antena, ogromnih veliine, u obliku roga, kojoj nije bilo premca u hvatanju mikrovalova.

Ako aljete ili primate signale bilo koje vrste, ne elite da vas u tome ometaju drugi signali. Penzias i Wilson pokuavali su otvoriti novi komunikacijski kanal za Bell Lab; eljeli su ustanoviti koliko e ovi signali biti ometani pozadinskom interferencijom sa Sunca, iz sredita Galaktike, iz zemaljskih izvora, s bilo kojeg mjesta. Poduzeli su zato jedno standardno, vano i potpuno bezazleno mjerenje ija je svrha bila da se ustanovi koliko se lako mogu hvatati mikrovalni signali. Iako su Penzias i Wilson znali poneto i astronomije, nisu bili kozmolozi ve fiziari koji prouavaju mikrovalove; nita nisu znali o predvianjima Gamova, Alphera i Hermana. Ono za im sigurno nisu tragali bilo je - kozmiko pozadinsko zraenje.

I tako, izveli su eksperiment i korigirali rezultate, uzevi u obzir sve poznate izvore interferencije. Ali ustanovili su da se uz signal stalno javlja postojan pozadinski um za koji nisu znali kako da ga otklone. Izgledalo je da um potjee iz svih pravaca iznad obzorja, kao i da se ne mijenja tijekom vremena. Konano su zavirili u svoj divovski rog. Pokazalo se da su u unutranjosti golubovi svili gnijezda, zaprljavi prostor oko njih bijelom, dielektrinom tvari golubljim izmetom. Penziasa i Wilsona poeo je obuzimati oaj: bi li ovo, pitali su se, moglo biti objanjenje pozadinskog uma? Kad su oistili izmet, um je stvarno malo opao. Ali i dalje je bio tu. U radu koji su objavili 1965. u asopisu The Astrophysical Journal o ovoj neuklonjivoj zagonetki govore kao o neobjanjivom viku antenske temperature, a ne kao o astronomskom otkriu stoljea.

Dok su Penzias i Wilson uklanjali ptiji izmet iz antene, ekipa fiziara s Princetonskog univerziteta pod vodstvom Roberta H. Dickea poeo je graditi detektor ija je osnovna namjena bila da otkrije upravo KPZ, koje su predvidjeli Gamov, Alpher i Herman. Profesorima su, meutim, nedostajale pogodnosti kojima su raspolagali u Bell Labu, tako da su sporije napredovali. U trenutku kada su Dicke i njegove kolege doznali za nalaze Penziasa i Wilsona, shvatili su da su preduhitreni. Znanstvenicima s Princetona odmah je, naravno, bilo jasno kakav je to viak antenske temperature. Sve se uklapalo s teorijom: temperatura, okolnost da signali dolaze iz svih pravaca u istom opsegu, da ne ovise o vrtnji Zemlje i od Zemljinog poloaja na stazi oko Sunca.

Ali zato bi netko prihvatio ovo tumaenje kozmikog pozadinskog zraenja? Ima za to dobrih razloga. Fotonima je potrebno vrijeme da stignu do nas iz dalekih podruja svemira, te zato, kad god podignemo pogled prema nonom nebu neizbjeno poniremo njime unatrag kroz vrijeme. To

znai da ako su inteligentni stanovnici neke daleke galaktike i sami mjerili temperaturu kozmikog pozadinskog zraenja znatno ranije nego mi, ustanovili bi da je vea od 2,73 kelvina zato to bi ivjeli u svemiru koji je mlai, manji i topliji nego to je ovaj danas.

Moe li se ova hrabra tvrdnja provjeriti? Moe. Pokazuje se da spoj ugljika i duika koji se naziva cijan i koji imaju prilike udahnuti osuenici na smrt kao aktivni sastojak plina koji se puta u plinskoj komori postaje energetski uzbuen kad je izloen mikrovalovima. Ako su mikrovalovi topliji od onih kod KPZ, uzbudit e molekulu malo djelotvornije nego dananji KPZ valovi. Cijan je, dakle, svemirski toplomjer. Kada ga promatramo u dalekim i mlaim galaktikama, cijan bi se trebao nalaziti u toplijem okruenju svemirske pozadine nego to je to u naoj Mlijenoj stazi. Drugim rijeima, ivot u tim galaktikama trebao bi biti energetski uzbueniji nego u naoj. Tako i je. Spektar cijana u dalekim galaktikama pokazuje da mikrovalovi imaju upravo onu temperaturu koja bi se oekivala u tim ranijim kozmikim vremenima.

Ove stvari ne mogu se izmisliti.

Korist KPZ za astrofiziku znatno je vea nego to je ovaj neposredni dokaz o toplom ranom svemiru, odnosno o Velikom prasku. Promatranja pokazuju da fotoni KPZ koji stiu do nas obiluju informacijama o svemiru i prije no to je postao proziran i poslije toga. Rekli smo ve da je sve do 380.000 godina poslije Velikog praska svemir bio neproziran, tako da niste mogli vidjeti in nastajanja materije ak ni iz prvog reda gledalita. Ne biste mogli vidjeti poetak oblikovanja galaktikih jata. Prije no to je bilo tko, bilo gdje i bilo to mogao vidjeti, fotoni jo nisu zadobili slobodu nesputanoga putovanja kroz svemir. No, kada je za to doao trenutak, svaki foton otisnuo se na svoje transkozmiko putovanje s mjesta na kojem je udario u posljednji elektron koji mu se isprijeio na putu. Kako se sve vie fotona otiskivalo, neometani vie elektronima (koji su se, prisjetimo se, povezivali s jezgrama, gradei atome), stvorili su irei ljusku koju astrofiziari nazivaju povrina posljednjega rasprenja. Ta ljuska, koja je nastajala tijekom razdoblja od oko sto tisua godina, obiljeava doba u kojem su nastali gotovo svi atomi u svemiru.

Na velikim podrujima svemira materija se tada ve poela zgunjavati. Na mjestima gdje se materija okuplja, gravitacija postaje snanija, teei sve veem i veem okupljanju materije. Podruja bogata materijom bile su zametak stvaranja galaktikih superjata, dok su ostala

podruja ostala razmjerno prazna. Fotoni koji su se posljednji odbili od elektrona na podrujima gdje se odvijalo zgunjavanje razvili su drukiji, malo hladniji spektar dok su se izvlaili iz sve jaeg gravitacijskog polja koje im je oduzimalo dio energije.

I doista, na KPZ-u se mogu uoiti podruja koja su malo toplija ili malo hladnija od prosjeka, tipino za jedan sto tisuiti dio stupnja. Ova toplija ili hladnija mjesta oznaavaju najranije strukture u svemiru, prva okupljalita materije. Znamo kako materija izgleda danas zato to vidimo galaktike, galaktika jata i galaktika superjata. No da bismo ustanovili, kako su ti sustavi nastali, ispitujemo kozmiko pozadinsko zraenje, izuzetne ostatke iz daleke prolosti koji i dalje ispunjavaju cijeli svemir. Prouavanje rasporeda KPZ odgovara svojevrsnoj svemirskoj frenologiji: u stanju smo itati udarce po lubanji mladog svemira i na temelju toga izvlaiti zakljuke o ponaanju naeg svijeta ne samo kada je bio u povoju nego i kada je odrastao.

Uzimajui u obzir i ostala promatranja lokalnih i dalekih dijelova svemira, astronomi mogu iz KPZ-a odrediti sve vrste temeljnih svojstava svemira. Na primjer, ako usporedite raspodjelu veliina i temperatura malo toplijih i malo hladnijih podruja, doi ete do jaine gravitacije u ranom svemiru, to e vam onda otkriti brzinu kojom se materija okupljala. Na temelju toga zatim moemo izraunati koliko svemir sadri obine materije, tamne materije i tamne energije (priblino, redom, 4%, 23% i 73%). Odavde je lako ustanoviti hoe li se svemir zauvijek iriti, odnosno hoe li se irenje vremenom usporavati ili ubrzavati.

Svi smo mi izgraeni od obine materije. Ona gravitacijski djeluje i moe upijati i emitirati svjetlost, odnosno stupati s njom u druga meudjelovanja. Tamna materija, kao to emo vidjeti u etvrtom poglavlju, tvar je nepoznate prirode koja stvara gravitaciju, ali ne stupa u meudjelovanje sa svjetlou na bilo koji poznati nain. A tamna energija, kao to emo vidjeti u petom poglavlju, izaziva ubrzanje irenja svemira, gonei ga da se bre iri nego to bi to inae. U duhu usporeivanja s frenologijom, kozmolozi razumiju kako se rani svemir ponaao, ali i dalje nemaju pojma o glavnini onoga iz ega se on sastojao, odnosno iz ega se sastoji.

Ipak, unato ogromnih podruja neznanja, kozmologija danas, vie nego ikada ranije, ima vrsto uporite. Kozmiko pozadinsko zraenje sadri otisak ulaznih dveri kroz koje smo svi proli.

Otkrie kozmikog pozadinskog zraenja darovalo je novu preciznost kozmologiji, potvrdivi zakljuak, prvobitno izveden na temelju promatranja dalekih galaktika, da se svemir iri ve milijardama godina. Tek je precizna i detaljna KPZ karta karta iji su prvi mali dijelovi nainjeni pomou instrumenata na balonima i teleskopa na junom polu, da bi zatim bilo kartografirano cijelo nebo pomou satelita zvanog Wilkinsonova sonda za mikrovalnu anizotropiju (WMAP) uvrstila kozmologiju meu eksperimentalne znanosti. Do kraja nae kozmoloke prie jo emo se puno puta sretati s WMAP-om, iji su se prvi rezultati pojavili 2003.

Kozmolozi su vrlo samosvjesni ljudi: kako bi inae smogli hrabrosti donositi zakljuke o nastanku svemira? Ali nova era promatrake kozmologije mogla bi pozvati skromnije, manje nadobudno dranje onih koji se njome budu bavili. Svako novo promatranje, svaki skup podataka mogao bi potvrditi ili oslabiti teorije. S jedne strane, promatranja pruaju temelje kozmologiji, temelje koji se u drugim disciplinama podrazumijevaju zato to one raspolau obiljem laboratorijskih podataka. S druge strane, novi rezultati gotovo sigurno e sruiti neke velike zamisli o kojima kozmolozi mataju u sluajevima kad nema promatrakih podataka na koja bi se oslonili.

Ni jedna znanost ne moe dostii zrelost bez preciznih podataka. Kozmologija je sada postala precizna znanost.

4.

NEKA BUDE TAMA

Gravitacija, najpoznatija sila prirode, istovremeno je najbolje i najslabije shvaena prirodna pojava. Bio je potreban um Isaaca Newtona, najblistavijeg i najutjecajnijeg fiziara drugog tisuljea, da bi se shvatilo da tajanstveno djelovanje na daljinu gravitacije potjee od prirodnih djelovanja svakog komadia materije, kao i da se privlano djelovanje izmeu bilo koja dva tijela moe opisati jednostavnom algebarskom jednadbom. Bio je potreban um Alberta Einsteina, najblistavijeg i najutjecajnijeg fiziara dvadesetoga stoljea, da bi se pokazalo da se djelovanje gravitacije na daljinu jo tonije moe opisati kao deformacija tkiva prostorvremena, izazvana kombinacijom materije i energije. Einstein je pokazao da su potrebne neke preinake Newtonove teorije da bi se precizno opisala gravitacija da bi se, na primjer, predvidjelo koliko e se svjetlosne zrake saviti pri prolasku pokraj nekog masivnog tijela. Iako su Einsteinove jednadbe sloenije od Newtonovih, one lijepo opisuju materiju koju poznajemo i volimo. Materiju koju moemo vidjeti, dodirnuti, osjetiti i povremeno okusiti.

Ne zna se tko je sljedei u ovom nizu genija, ali ekamo, evo, ve vie od pola stoljea da nam netko kae zato glavnina gravitacijske sile koju mjerimo u svemiru potjee od tvari koju ne moemo ni vidjeti, ni dodirnuti, ni osjetiti, ni okusiti. Ili moda iza ovog pretika gravitacije uope ne stoji materija nego neto potpuno drugo. To u ovom trenutku ne znamo. Nita nismo blie rjeenju problema nedostajue mase nego to smo bili 1933. kada se ukazao astronomima koji su mjerili brzinu galaktika ija gravitacija djeluje na susjedne galaktike, odnosno 1937., kada ga je podvrgnuo detaljnom prouavanju ivopisni bugarsko-vicarsko-ameriki znanstvenik Fritz Zwicky koji je predavao na Kalifornijskom tehnolokom institutu vie od etrdeset godina, spajajui dalekosene zakljuke o svemiru s osobitim nainom izraavanja i upeatljivom nadarenou da se suprotstavlja kolegama.

Zwicky je prouavao gibanja galaktika u jednom divovskom galaktikom jatu, smjetenom daleko od lokalnih zvijezda Mlije ne staze, koje na nebu u naoj mati ocrtavaju zvijee Coma Berenices (Berenikina

kosa). Jato Coma, kako ga nazivaju znalci, izdvojen je i gust skup galaktika udaljen od Zemlje oko 300 milijuna svjetlosnih godina. Mnogo tisua galaktika krui oko sredita jata, kreui se u svim pravcima poput pela koje lete oko konice. Koristei gibanja nekoliko desetaka galaktika kao repere za gravitacijsko polje koje dri na okupu cijelo jato, Zwicky je ustanovio da im je prosjena brzina zapanjujue velika. Kako jae gravitacijske sile dovode do veih brzina tijela koja privlae, Zwicky je zakljuio da jato Coma mora imati ogromnu masu. Kada zbrojimo procijenjene mase svih njegovih galaktika, pokazuje se da Coma spada meu najvea i najmasivnija galaktika jata u svemiru. No, ak i tako, ono ne sadri dovoljno vidljive materije da bi se objasnile uoene brzine galaktika iz njegovog sastava. Kao da ovdje nedostaje materija.

Ako primijenite Newtonov zakon gravitacije te pretpostavite da se jato ne nalazi u izvanrednom stanju irenja ili uruavanja, moete izraunati kolika bi trebalo biti karakteristina prosjena brzina galaktika. Sve to vam je za to potrebno su veliina jata i procjena njegove ukupne mase. Masa koja djeluje na udaljenosti opisanu veliinom jata odreuje i kojom se brzinom galaktike moraju gibati, a da ne krenu prema sreditu jata ili se zauvijek odvojile od njega.

Slinim raunanjem, kao to je Einstein pokazao, moete doi do brzine kojom se svaki planeti na nekoj udaljenosti od Sunca mora gibati po svojoj stazi. Nije to nikakvo arobnjatvo, ove brzine zadovoljavaju gravitacijske okolnosti u kojima se svaki planet nalazi. Kada bi Sunce odjednom postalo masivnije, Zemlji i svim ostalim tijelima u sustavu nae zvijezde bile bi potrebne vee brzine da se zadre u sadanjim stazama. Jednako tako, da planeti imaju vee brzine, Suneva sila gravitacije ne bi vie bila dovoljna da dri planete na sadanjim stazama. Da je Zemljina brzina kruenja oko Sunca vea od sadanje za kvadratni korijen iz 2, na planet dobio bi takozvanu drugu kozmiku brzinu i napustio bi Sunev sustav. Isto vrijedi i za znatno vee objekte, kakva je naa galaktika, u kojoj se zvijezde kreu u skupnom gravitacijskom polju svih drugih zvijezda, odnosno za galaktika jata gdje svaka galaktika isto tako osjea gravitaciju svih drugih galaktika. Evo to je tim povodom Einstein jednom prilikom napisao u poast Isaacu Newtonu (to, naravno, znatno bolje izgleda na njemakom izvorniku nego u bilo kojem prijevodu):

U zvijezde gledajte da vidite

uiteljeve misli tajnovite. Svaka se stazom svojom kree Ba onako kako Newton ree.

Kada istraujemo jato Coma, kao to je to Zwicky radio tijekom tridesetih godina, ustanovljujemo da je brzina galaktika u njemu vea od brzine njihova bijega iz jata, ali samo ako tu brzinu izraunamo iz zbroja masa svih galaktika dobivenih na temelju sjaja ovih objekata. Jato bi se, dakle, moralo brzo razletjeti na sve strane, tako da za samo nekoliko stotina milijuna godina, najvie milijardu, uope vie ne bi bilo na okupu. Ali ovo jato staro je ve vie od 10 milijarda godina, gotovo koliko i sm svemir. Tako je nastala jedna od najduih zagonetki u astronomiji.

U desetljeima poslije Zwickyjevog pionirskog rada isti problem uoen je i kod drugih galaktikih jata. Coma, dakle, nije izuzetak. Koga onda okriviti? Newtona? Ne, njegove teorije provjeravane su 250 godina i poloile su sve ispite. Einsteina? Ne. Iako velika, gravitacija galaktikih jata jo ne ulazi u podruje Einsteinove ope teorije relativnosti. Moda nedostajua masa, neophodna da se odri na okupu galaktiko jato Coma ipak postoji, ali u nekom nepoznatom, nevidljivom obliku. Neko vrijeme astronomi su problem nedostajue mase nazivali problem nedostajue svjetlosti budui da je na postojanje mase jasno ukazivao viak gravitacije. Danas, uz mogunosti boljeg odreivanja masa galaktikih jata, astronomi koriste naziv tamna materija, iako bi tonije bilo rei tamna gravitacija.

Problem tamne materije podigao je svoju nevidljivu glavu jo jednom. Godine 1976. Vera Rubin, astrofiziarka iz Institucije Carnegie u Washingtonu, otkrila je slinu nepravilnost s nedostajuom masom i kod spiralnih galaktika. Prouavajui brzine kojima zvijezde krue oko galaktikih sredita, Rubinova je prvo ustanovila ono to je oekivala: u okviru vidljivog diska svake galaktike, zvijezde udaljenije od sredita gibaju se veom brzinom od onih koje su blie sreditima. Udaljenije zvijezde imaju vie materije (druge zvijezde i plin) izmeu sebe i galaktikog sredita, tako da im je nuna vea brzina da bi odrale svoje staze. Osim blistavog diska galaktike, meutim, moemo vidjeti i izdvojene oblake plina i nekoliko sjajnih zvijezda. Koristei ove objekte kao oznaivae gravitacijskog polja izvan galaktike, gdje vidljiva materija nema znaajnijeg udjela u ukupnoj masi, Rubinova je otkrila da su

njihove brzine kruenja, koje su s poveanjem udaljenosti od sredita trebale pasti, i dalje visoke.

Ovi, uglavnom prazni, prostori periferija svake galaktike sadre premalo vidljive tvari da bi se njome mogle objasniti brzine kruenja tih oznaivaa. Vera Rubin je ispravno zakljuila da se u tim zabitim podrujima, daleko izvan vidljivog ruba svake spiralne galaktike, mora nalaziti neka tamna materija. tovie, tamna materija stvara svojevrstan omota (halo) oko cijele galaktike.

Problem omotaa postoji i pred naim nosom, kod nae galaktike Mlijene staze. Od galaktike do galaktike i od jata do jata nerazmjer izmeu mase vidljivih objekata i ukupne mase sustava kree se u rasponu od 2 ili 3 puta pa do vie stotina puta. U cijelom svemiru ovaj odnos u prosjeku iznosi 6. Drugim rijeima, tamne materije u svemiru ima prosjeno est puta vie nego vidljive materije.

Tijekom posljednjih dvadeset pet godina nova istraivanja su pokazala da se glavnina tamne materije ne moe sastojati od obine materije koja ne sjaji. Prvo, moemo odbaciti s gotovo potpunom sigurnou sve vjerojatne poznate kandidate. Moe li se tamna materija nalaziti u crnim jamama? Ne, jer mnotvo crnih jama bismo otkrili po njihovom gravitacijskom utjecaju na oblinje zvijezde. Jesu li moda posrijedi tamni oblaci? Ne, oni bi upili svjetlost zvijezda koje se nalaze iza njih, ili ve na neki nain stupili s njom u meudjelovanje, a to prava tamna materija ne ini. Jesu li to moda meuzvjezdani ili meugalaktiki planeti, asteroidi i kometi koji sami ne sjaje? Teko je povjerovati da bi svemir proizveo est puta vie mase u obliku planeta nego u obliku zvijezda. To bi znailo est tisua Jupitera na svaku zvijezdu u Galaktici ili, jo manje vjerojatno, dva milijuna Zemalja. U sustavu nae zvijezde, na primjer, na sve to nije Sunce otpada ukupno jedva 0,2 posto Suneve mase.

Shodno tome, prema naim najboljim procjenama, tamna materija ne sastoji se jednostavno od materije koja je tamna. Posrijedi je neto potpuno drukije. Tamna materija gravitacijski utjee prema istim pravilima koji vrijede i za obinu materiju, ali to je sve to bi nam pomoglo da je otkrijemo. Dakako, u ovoj analizi sputava nas okolnost da ne znamo to je tamna materija. Potekoe vezane za otkrivanje tamne materije, koje proizlaze iz toga da ne znamo to je, zapravo, ona, otvaraju sljedee pitanje: ako sveukupna materija ima masu, a sveukupna masa djeluje

gravitacijski, znai li to da sva gravitacija potjee od materije? Nije nam poznato. Pod nazivom tamna materija podrazumijeva se postojanje neke vrste materije koja gravitacijski djeluje i to je sve to znamo o njoj. Ali moda, moda, ne razumijemo gravitaciju.

Da bi se tamna materija prouila neto detaljnije od pukog otkria da postoji, astrofiziari sada nastoje doznati gdje se ona sakuplja u svemiru. Ako se nalazi samo na vanjskim rubovima galaktikih jata, na primjer, onda brzine galaktika ne bi ukazale na tamnu materiju, zato to brzine i putanje galaktika ovise samo o izvoru gravitacije unutar njihovih staza. Ako se tamna materija nalazi jedino u sreditima jata, onda bi raspon galaktikih brzina mjerenih od sredita jata do njegovog ruba pokazivao samo djelovanje obine materije. Ali brzine galaktika u jatima ukazuju na to da tamna materija ispunjava sav obujam jata. U stvari, raspodjela obine materije i tamne materije uglavnom se poklapa. Prije nekoliko godina, ekipa predvoena amerikim astrofiziarom J. Anthony Tysonom, tada s Bell Laba, a sada na UC Davisu, napravila je prvu detaljnu kartu raspodjele gravitacije koja je izazvana tamnom materijom u jednom divovskom galaktikom jatu i oko njega. Kad god vidimo velike galaktike, takoer zapaamo vee koncentracije tamne materije u jatima kojima pripadaju. Vrijedi i suprotno: podruja bez vidljivih galaktika siromana su i s tamnom materijom.

Odnos izmeu tamne i obine materije znaajno varira od jedne astrofizike sredine do druge. Naglaeniji je kod velikih entiteta kao to su galaktike i galaktika jata. Kod malih objekata, pak, kao to su mjeseci i planeti, nikakav odnos uope ne postoji. Zemljina povrinska gravitacija, na primjer, moe se potpuno objasniti onime to nam je pod nogama. Ako, dakle, na Zemlji imate koji kilogram vika, za to vam nije kriva tamna materija. Takoer, tamna materija nema utjecaja na Mjeseevu stazu oko Zemlje, kao ni na gibanja planeta oko Sunca. Ali bez nje se ne moe objasniti gibanje zvijezda oko sredita nae Galaktike.

Je li na galaktikoj razini na snazi drukija vrsta gravitacijske fizike? Vjerojatno nije. Rije je po svemu sudei o tome da se tamna materija sastoji od materije iju prirodu tek trebamo ustanoviti i koja je rasprenija od obine materije. U suprotnom, ustanovili bismo da je sa svakih est komada tamne materije povezan jedan komad obine. Koliko nam je u ovom trenutku poznato, stvari ne stoje tako.

Izlaui se opasnosti da ire pesimizam, astrofiziari ponekad tvrde

da sveukupna materija koju znamo i volimo u svemiru tvar zvijezda, planeta i ivota su samo puke plutae koje plutaju ogromnim kozmikim oceanom neega to ne slii ni na to.

Ali to ako je ovaj zakljuak potpuno pogrean? Kada sve zakae, razumljivo je, i sasvim ispravno, da e neki znanstvenici dovesti u pitanje temeljne zakone fizike na kojima lee pretpostavke drugih znanstvenika koji pokuavaju dokuiti svemir.

Tijekom osamdesetih godina prolog stoljea izraelski fiziar Mordehai Milgrom iz Weizmannovog znanstvenog instituta u Rehovotu, u Izraelu, predloio je promijenu Newtonovog zakona gravitacije. Teorija je kasnije dobila naziv MOND (MOdificirana Newtonova Dinamika). Prihvativi injenicu da je standardna Newtonova dinamika uspjena u veliinama manjim od galaktikih, Milgrom je izloio zamisao da je Newtonu potrebna odreena pomo pri opisivanju gravitacijskih djelovanja na udaljenostima koje se mjere veliinama galaktika i galaktikih jata, u okviru kojih su pojedinane zvijezde i zvjezdana jata meusobno toliko razmaknuti da je njihov meusobni gravitacijski utjecaj sasvim mali. Milgron je dodao novu veliinu Newtonovoj jednadbi, koja je tako podeena da stupa u djelovanje jedino na astronomski velikim udaljenostima. Iako je izumio MOND kao raunski alat, Milgrom nije iskljuio mogunost da se njegova teorija odnosi na neku novu pojavu u prirodi.

MOND se pokazao samo djelomino uspjean. Teorija moe objasniti gibanja izdvojenih objekata u vanjskim dijelovima mnogih spiralnih galaktika, ali postavlja vie pitanja nego to daje odgovore. MOND ne uspijeva sa sigurnou predvidjeti dinamiku sloenijih konfiguracija, kao to su gibanja galaktika u dvolanim i vielanim sustavima. Osim toga, detaljna karta svemirskog pozadinskog zraenja dobivena pomou sonde WMAP 2003. godine omoguila je kozmolozima da izdvoje i izmjere utjecaj tamne materije u ranom svemiru. Budui da se ovi rezultati poklapaju s dosljednim modelom svemira utemeljenim na konvencionalnim teorijama gravitacije, MOND je izgubio mnoge pristae.

Tijekom prvih pola milijuna godina poslije Velikog praska, to je tek tren u 14 milijarda godina dugoj povijesti svemira, materija je ve poela srastati u cjeline koje e postati galaktika jata i superjata. Ali svemir se

Neil DeGrasse Tyson - Postanci

Documents

Transcript of Neil DeGrasse Tyson - Postanci