Šum koji nije hteo da nestane
Ako se rastojanja između galaksija povećavaju, onda su nekad bila manja. To je jedini zaključak koji iz Hablovog merenja sledi neposredno, i on je otvorio pitanje koje je decenijama delilo astronome.
Da li je svemir imao početak?
Dva odgovora
Žorž Lemetr, koga smo upoznali u tridesetom delu, izneo je 1931. predlog da je sve poteklo od jednog stanja ogromne gustine, koje je nazvao praatomom. Njegovim rečima, u parafrazi: svemir bi se mogao opisati kao raspad jednog jedinog kvanta, a ceo tok širenja bio bi nastavak tog raspada.
Suprotno gledište izneli su 1948. Fred Hojl (Fred Hoyle), Herman BondiTomas Gold. Njihova zamisao se zove teorija stalnog stanja.
Vredi je izložiti ozbiljno, jer nije bila glupost nego ozbiljan takmac.
Polazna pretpostavka je da svemir izgleda isto ne samo sa svakog mesta — što iz Hablovog zakona sledi, kako smo izveli u tridesetom delu — nego i u svako vreme. Nema povlašćenog trenutka, kao što nema ni povlašćenog mesta.
Ali svemir se širi, pa bi se materija razređivala. Rešenje: pretpostaviti da materija neprekidno nastaje, taman toliko da gustina ostane ista.
Koliko bi to bilo? Račun daje otprilike jedan atom vodonika po kubnom metru na svakih nekoliko milijardi godina. To je količina koju nijedan ogled ne bi mogao da opovrgne.
Teorija je imala krupnu prednost: uklanjala je problem starosti. Setimo se iz tridesetog dela da je Hablova konstanta davala svemir star dve milijarde godina, dok je Zemlja ispadala starija od tri. Ako svemir nema početak, problem ne postoji.
Hojl je u radijskom predavanju 1949. protivničku zamisao podrugljivo nazvao velikim praskom (big bang). Ime se primilo i ostalo — jedno od retkih u nauci koje je smislio protivnik.
Predviđanje koje niko nije shvatio ozbiljno
Georgij Gamov (George Gamow, 1904–1968), koga poznajemo iz prethodnog dela po objašnjenju kako se jezgra spajaju uprkos odbijanju, postavio je pitanje drugačije.
Ako je svemir nekad bio zbijeniji, bio je i vreliji — kao što se gas zagreva kad se sabija. A ako je bio dovoljno vreo, u njemu su se mogla odigravati ista spajanja jezgara koja se danas odigravaju u zvezdama.
Gamov je pretpostavio da su tako nastali svi elementi. To je bilo pogrešno — u ranom svemiru nastali su samo najlakši, a teži nastaju u zvezdama, kako je Hojl kasnije pokazao. Ali je usput izvedeno nešto što je bilo tačno.
Gamovljevi saradnici Ralf Alfer (Ralph Alpher) i Robert Herman (Robert Herman) izveli su 1948. sledeći zaključak.
Korak 1. Dok je svemir bio vreo i gust, bio je i neproziran — svetlost nije mogla da putuje slobodno, jer je materija bila razbijena na jezgra i slobodne naelektrisane čestice koje je stalno rasejavaju.
Korak 2. Kako se svemir širio, hladio se. Kad je temperatura pala na oko tri hiljade stepeni, jezgra i elektroni su se spojili u obične atome — a obična materija svetlost mnogo slabije zaustavlja.
Korak 3. U tom trenutku svemir je postao providan. Zračenje koje je do tada bilo zarobljeno krenulo je slobodno i putuje od tada.
Korak 4. To zračenje i danas ispunjava svemir. Ali je u međuvremenu, zajedno sa širenjem, razvučeno — po istom obrascu kao crveni pomak iz tridesetog dela, samo u ogromnom iznosu.
Korak 5. Razvučeno zračenje odgovara mnogo nižoj temperaturi. Alfer i Herman su procenili oko 5 kelvina — dakle pet stepeni iznad apsolutne nule.
Predviđanje je bilo jasno, brojno i proverljivo. I niko ga nije proverio.
Razlozi su bili više praktični nego načelni: rad je izašao u vreme kad su takva merenja bila na samoj granici tehnike, a i sama zamisao vrelog početka delovala je previše spekulativno. Rad je zaboravljen na sedamnaest godina.
Antena u Holmdelu
Godine 1964, u laboratoriji Belovih telefonskih preduzeća u Holmdelu, u Nju Džerziju, stajala je velika antena u obliku roga, dugačka oko šest metara, izrađena za rad sa prvim komunikacionim satelitima.
Kad je taj posao prestao, antena je dodeljena dvojici mladih istraživača za astronomska merenja.
Arno Penzijas (Arno Penzias, 1933–2024) rođen je u Minhenu; njegovi roditelji su ga 1939, sa šest godina, poslali dečjim transportom u Englesku, a porodica se posle spojila u Njujorku.
Robert Vilson (Robert Wilson, rođen 1936) bio je iz Teksasa, sin naftnog inženjera.
Njihov posao je zahtevao da tačno znaju koliko antena šumi — jer se slab signal može izdvojiti samo ako se sav ostatak uračuna.
Kad su sabrali sve poznate izvore šuma, ostao je višak koji nisu umeli da objasne. Odgovarao je temperaturi od oko 3,5 kelvina.
Godina otklanjanja kvara
Ono što je usledilo je uzoran primer kako se radi merenje, i vredi ga navesti u koracima.
Proverili su da li dolazi iz grada. Njujork je blizu. Usmerili su antenu ka njemu i drugde — šum je bio isti u svim pravcima.
Proverili su da li je nebesko telo. Kad bi poticao iz Mlečnog puta ili od Sunca, menjao bi se sa dobom dana i godine. Nije se menjao.
Proverili su da li je atmosfera. Zračenje vazduha zavisi od visine nad horizontom, jer se menja debljina sloja kroz koji se gleda. Nije zavisilo.
Proverili su spojeve i zavarene šavove na samoj anteni, koji mogu da šume. Rastavili su ih i prelemili.
Uklonili su golubove. U anteni je gnezdio par golubova, koji su unutrašnjost prekrili slojem izmeta. Penzijas ga je u radu opisao kao belu dielektričnu materiju. Golubovi su uhvaćeni i odneseni na drugo mesto, pa su se vratili; posle toga su, kako je Penzijas kasnije opisivao sa žaljenjem, uklonjeni trajnije. Antena je očišćena.
Šum je ostao isti.
Merili su godinu dana. Šum je bio jednak u svim pravcima, danju i noću, u svako doba godine, i nije se menjao.
Telefonski poziv
Šezdesetak kilometara dalje, u Prinstonu, grupa oko Roberta Dikea (Robert Dicke) došla je nezavisno do istog zaključka kao Alfer i Herman — da ostatak zračenja iz vrelog početka mora postojati — i gradila antenu da ga potraži.
Penzijas je, tražeći savet o svom šumu, telefonirao radioastronomu Bernardu Berku, a ovaj mu je pomenuo da je čuo za Dikeov rad.
Penzijas je pozvao Dikea. Po priči koju su prisutni prepričavali, Dike je spustio slušalicu, okrenuo se saradnicima i rekao — u parafrazi — da su preteknuti.
Otišli su u Holmdel, videli spravu, proverili merenje, i složili se oko tumačenja.
Objavili su 1965, u istom broju istog časopisa, dva odvojena rada. Penzijas i Vilson opisali su merenje viška temperature od oko 3,5 kelvina, bez ijedne reči o kosmologiji. Dikeova grupa objavila je tumačenje.
Podela je bila po dogovoru i uzorna: merenje odvojeno od tumačenja, tako da svaki može da opstane bez onog drugog.
Penzijas i Vilson dobili su Nobelovu nagradu 1978. Alfer i Herman, koji su pojavu predvideli sedamnaest godina ranije, nisu.
Matematika: zašto baš tri stepena
Proverimo brojku, jer se dobija iz jedne veze koju već imamo.
Talasi se pri širenju svemira razvlače u istom odnosu u kome rastu rastojanja. Ako je z crveni pomak, definisan u tridesetom delu:
Korak 1. Za zračenje užarenog tela važi da se, pri hlađenju, ceo obrazac pomera ka većim talasnim dužinama, i to obrnuto srazmerno temperaturi. Otuda:
Korak 2. Svemir je postao providan na oko 3000 K. Crveni pomak tog trenutka je oko z = 1100:
Izmerena vrednost je 2,725 K.
Napomena: kelvin je jedinica temperature koja počinje od apsolutne nule i ima isti korak kao stepen Celzijusa. Zašto apsolutna nula postoji i zašto zračenje užarenog tela ima baš takav obrazac — pitanja su termodinamike i kvantne fizike, i ovde ih ne otvaram.
Mikrotalasna pozadina — zračenje koje je krenulo kad je svemir postao providan i putuje od tada. Dolazi jednako iz svih pravaca, sa temperaturom od 2,725 K.
To je najstarija slika koju možemo videti. Dalje se ne vidi, jer je pre toga svemir bio neproziran.
Zašto je to rešilo spor
Teorija stalnog stanja nije mogla da objasni to zračenje.
Ako svemir nikad nije bio vreo i gust, nema odakle da nastane pozadina jednaka u svim pravcima. Moglo bi se pretpostaviti da potiče od nekakvih izvora — ali izvori bi bili raspoređeni nejednako, dok je pozadina glatka do desetina hiljada delova.
Hojl se opirao do kraja života, predlažući objašnjenja koja su bila sve složenija. Ali je posle 1965. teorija stalnog stanja praktično napuštena.
Ostaje da se kaže i ovo: Hojl je u nečem drugom bio potpuno u pravu. Njegov rad pedesetih godina, sa saradnicima, pokazao je kako u zvezdama nastaju teži elementi — što je Gamov pogrešno pripisao ranom svemiru. Čovek koji je pogrešio u pitanju o početku rešio je pitanje o poreklu materije.
Šta je usledilo
Pozadina je izmerena kao savršeno glatka — a to je odmah postalo problem.
Ako je rani svemir bio potpuno ravnomeran, odakle galaksije? Moralo je postojati bar sitno zgrušavanje, iz koga je gravitacija kasnije izgradila strukture.
Satelit COBE objavio je 1992. da je našao ta odstupanja: pozadina nije savršeno glatka nego pokazuje razlike od jednog dela u sto hiljada. Kasniji sateliti su tu sliku izmerili mnogo detaljnije i iz nje izveli starost svemira od 13,8 milijardi godina, sa greškom manjom od jednog procenta.
Time se konačno rešio i problem koji je stajao od Hablovog vremena — svemir je stariji od Zemlje, koja ima 4,5 milijarde godina.
Šta je ovo promenilo
Početak svemira je postao predmet merenja. Do 1965, pitanje da li je svemir imao početak bilo je stvar izbora između dve zamisli koje su obe bile dosledne. Posle 1965, postoji podatak koji jedna objašnjava a druga ne.
Nebo je postalo prošlost do samog kraja. Remer je 1676. pokazao da svetlost kasni; kod Jupitera je to bilo četrdeset minuta. Besel je 1838. dao zvezdu udaljenu deset svetlosnih godina. Habl je 1925. dao galaksiju udaljenu milione. Pozadina dolazi iz vremena kad svemir nije imao ni milioniti deo današnje starosti.
I otkriveno je slučajno. Dvojica inženjera koja su otklanjala kvar na anteni našla su nešto što je jedna grupa upravo tražila, a druga predvidela sedamnaest godina ranije i bila zaboravljena.
Kraj serijala
Vredi na kraju pogledati unazad.
Počeli smo sa kamenim krugom u Gosecku, čija su vrata gledala ka tački izlaska Sunca o zimskom solsticiju. Ljudi koji su ga podigli nisu imali pismo ni broj. Imali su stalno mesto posmatranja i sposobnost da rezultat zabodu u zemlju.
Od tog kamena do antene u Holmdelu prošlo je oko sedam hiljada godina, i celim putem se ponavljalo isto.
Merenje je uvek išlo ispred objašnjenja. Vavilonci su znali dužinu lunacije na pola sekunde tačno i nisu imali nikakvu sliku sveta. Kepler je našao tri zakona i nije znao odakle. Kirhof je pročitao sastav Sunca ne znajući zašto elementi imaju potpise. Kenon je poređala zvezde ne znajući šta ih razlikuje. Livit je izmerila daljine ne znajući zašto kefeide pulsiraju. Svaki put je pravilo radilo decenijama pre nego što je iko znao zašto.
Greške su bile plodne. Homocentrične sfere su pale na pravoj činjenici. Ptolemejev ekvant je pogodio pravi oblik zavisnosti iz pogrešne slike. Keplerovi poliedri su bili besmislica koja ga je naterala da traži razlog za brojeve. Kelvinov račun je bio pogrešan i time otkrio da nedostaje ceo jedan izvor energije.
A najveće zablude bile su u pretpostavkama koje niko nije izgovorio. Tiho je odbacio Kopernika zbog kolutova zvezda koji nisu bili stvarni. Le Verje je tražio Vulkan jer je pretpostavio da odstupanje uvek znači skriveno telo. Šeplii je verovao van Manenovim merenjima. Kefeide su decenijama davale prepolovljena rastojanja jer se pretpostavljalo da su sve iste vrste. Kont je proglasio sastav zvezda zauvek nedostupnim jer je pretpostavio da svetlost nosi samo pravac i jačinu.
Nijedan od njih nije bio glup. Svaki je bio u pravu u onome što je merio i pogrešio u onome što je iz toga zaključio — na mestu koje mu se činilo suviše očiglednim da bi ga proveravao.
To je, koliko se iz sedam hiljada godina može izvući, jedina trajna pouka: opasno nije ono što ne znamo, nego ono što uzimamo kao samo po sebi razumljivo.
Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.
Comments
Post a Comment