Svemir i crne rupe: Kako je tišina dokazala njihovo postojanje

Jednog svežeg septembarskog dana 1964. godine, Rodžera Penrouza posetio je njegov stari prijatelj. Britanski kosmolog Ajvor Robinson vratio se u Englesku iz Dalasa, u Teksasu, gde je živeo i radio. Kad god su se njih dvojica srela, nikad im ne bi ponestajalo tema za priču, a njihov razgovor ovog puta nije imao kraja i dotakao se širokog raspona tema. Dok su njih dvojica prolazila pored Penrouzove kancelarije na koledžu Birkbek u Londonu, zastali su nakratko uz ivičnjak, čekajući da se raščisti saobraćaj. Njihov zastoj u hodu poklopio se stankom u razgovoru i oni su ućutali dok su prelazili put.

U tom trenutku, Penrouzu su odlutale misli.

Otputovale su 2,5 milijardi svetlosnih godina kroz vakuum u spoljnom svemiru do uzavrele mase uskovitlanog kvazara. Zamislio je kako se odigrava gravitacioni kolaps, koji uvlači čitavu galaksiju dublje i bliže centru. Kao umetnički klizač koji se obrće oko svoje ose i približava ruke uz telo, masa se okretala sve brže i brže kako se skupljala. Ovaj kratki mentalni bljesak doveo ga je do prosvetljenja – koje će mu 56 godina kasnije doneti Nobelovu nagradu za fiziku.

Kao i mnogi relativisti — teorijski fizičari koji rade na testiranju, istraživanju i proširivanju Opšte teorije relativnosti Alberta Ajnštajna — Penrouz je proveo rane šezdesete proučavajući neobičnu, ali prilično zamršenu kontradikciju poznatu kao „problem singulariteta“.

Ajnštajn je objavio svoju Opštu teoriju 1915. godine, napravivši revoluciju u naučnom razumevanju prostora, vremena, gravitacije, materije i energije. Do pedesetih godina prošlog veka, Ajnštajnova teorija bila je izuzetno uspešna, ali su se mnoga njena predviđanja i dalje smatrala malo verovatnim ili nemogućim za dokazivanje.

Njegove jednačine su pokazivale, na primer, da je teorijski moguće da gravitacioni kolaps sabije dovoljno materije u dovoljno mali prostor da postane beskrajno gust, formirajući „singularitet“ od kog ni svetlo ne može da pobegne. To je postalo poznato kao crna rupa. Ali u okviru takvog singulariteta, poznati zakoni fizike — uključujući Ajnštajnovu vlastitu teoriju relativnosti koja ga je predvidela — više ne važe.

Singulariteti su bili fascinantni za matematičke relativiste upravo iz tog razloga. Većina fizičara, međutim, slagala se da je naš Univerzum suviše uređen da bi sadržao takve oblasti. A čak i ako singulariteti postoje, ne postoji način da se oni vide.

„Dugo je vladao ogromna skepticizam“, kaže Penrouz. „Ljudi su očekivali da dođe do povratka: da objekat kolabira, krene da se obrće na neki komplikovani način i da se uz fijuk vrati u pređašnje stanje.“

Krajem pedesetih, opservacije sa novog polja radio astronomije učinile su ove ideje još uzbudljivijim. Radio astronomi otkrili su nove kosmičke objekte koji su delovali kao veoma jarki, veoma daleki i veoma mali. Prvo poznati „kao kvazi-zvezdani objekti“ – kasnije skraćeni na „kvazari“ – ovi objekti izgledali su kao da emituje previše energije u premalom prostoru. Iako je delovalo nemoguće, svaka nova opservacija ukazivala je na ideju da se kvazari drevne galaksije nalaze u procesu kolapsa u singularitet. Naučnici su bili prisiljeni da se zapitaju da li su singulariteti zaista toliko malo verovatni kao što su svi verovali?

Teorijski fizičar Rodžer Penrouz imao je trenutnu inspiraciju koja je okrenula naglavačke naše shvatanje Univerzuma. Da li je to predviđanje iz teorije relativnosti više od puke matematičke maštarije?

U Ostinu, Prinstonu, Moskvi, na Kembridžu i Oksfordu, u Južnoj Africi, na Novom Zelandu, u Indiji i na drugim mestima, kosmolozi, astronomi i matematičari upeli su se da otkriju konačnu teoriju koja bi mogla da objasni prirodu kvazara. Većina naučnika pristupila je ovom izazovu pokušavši da pronađe visoko specijalizovane okolnosti u kojima može da dođe do singulariteta.

Penrouz, tada predavač na koledžu Birkberk u Londonu, odlučio se za drugačiji pristup. Njegov prirodni instinkt oduvek je bio da traži opšta rešenja, suštinske principe i osnovne matematičke strukture. Provodio je duge sate u Birkbeku, radeći na ogromnoj tabli sa kredom ispisanim krivama i uvrnutim dijagramima koje je sam osmislio.

Tim ruskih teoretičara predvođenih Isakom Kalatnikovim objavio je 1963. godine cenjenu studiju koja je potvrdila ono u šta je većina naučnika i dalje verovala – singulariteti nisu deo našeg fizičkog Univerzuma. U Univerzumu, tvrdili su oni, kolabirajući oblaci prašine ili zvezde zapravo bi se raširili nazad pre nego što bi stigli do tačke singulariteta. Mora da je postojalo nego drugo objašnjenje za kvazare.

Penrouz je bio skeptičan.

„Imao sam snažan osećaj da je prema metodama koje su oni koristili malo verovatno da bi mogli da izvedu čvrste zaključke o tome“, kaže on. „Izgledalo mi je da problemu mora da se pristupi na opštiji način od onoga što su oni radili, sa donekle ograničenim fokusom.“

Iako je odbacio njihove argumente, i dalje nije mogao da dođe do opšteg rešenja za problem singulariteta. I tako je bilo sve do Robinsonove posete. Iako je i Robinson istraživao problem singulariteta, njih dvojica se nisu dotakli ove teme u njihovom razgovoru tog jesenjeg dana 1964. godine u Londonu.

U kratkoj tišini koja je usledila tokom tog sudbonosnog prelaska ulice, međutim, Penrouz je shvatio da Rusi greše. Sva ta energija, pokret i masa koji kolabiraju zajedno bi stvorili toliko jaku toplotu da bi radijacija izbila u svim pravcima na svakoj talasnoj dužini. Što bi bili manji i brži, to bi ona bila jarkija. On je mentalno izmapirao svoje crteže kredom sa table i skice iz dnevnika na taj udaljeni predmet, tražeći u glavi tačku koju se Rusi predvideli, kada bi taj oblak eksplodirao nazad u svoj prethodni oblik. Takva tačka nije postojala. U svojoj glavi, Penrouz je konačno video da bi se kolaps neometano nastavio. Izvan centra zgušnjavanja, objekat bi sijao sa više svetla od svih zvezda u našoj galaksiji. I duboko u sebi, svetlo bi se krivilo pod dramatičnim uglovima, prostor-vreme bi se izobličavao, sve dok se svi pravci ne bi preklopili sa svima drugima. Stiglo bi se do tačke bez povratka. Svetlost, prostor i vreme bi došli do potpune tačke prekida. Do crne rupe.

U tom trenutku, Penrzouz je znao da singularitet ne zahteva nikakve posebne okolnosti. U našem Univerzitetu, singulariteti nisu nemogući. Oni su neizbežni.

Prešavši na drugu stranu ulice, nastavio je razgovor sa Robinsonom i smesta zaboravio o čemu je razmišljao. Njih dvojica su se rastali, a Penrouz se vratio oblacima prašine od krede i hrpama papira u svojoj kancelariji. Ostatak poslepodneva nastavio se normalno, sem što je Penrouz bio neobično dobro raspoložen. Nije mogao da shvati zašto. Počeo je da vrti film od toga dana unazad, pokušavši da otkrije uzrok svoje euforije. Njegov um vratio se na taj momenat tišine tokom prelaženja ulice. I sve mu je nahrupilo nazad. Bio je rešio problem singulariteta.

Počeo je da zapisuje jednačine, testirajući ih, prepravljajući, preoblikujući. Argument je i dalje bio sirov, ali je funkcionisao. Gravitacioni kolaps je zahtevao samo neke veoma opšte, lako ostvarive energetske uslove, da bi propao u beskrajnu gustinu. Penrouz je u tom trenutku znao da širom kosmosa sigurno postoji milijardu singulariteta. Bila je to ideja koja će obrnuti naglavačke naše razumevanje Univerzuma i oblikovati sve što znamo o njemu danas.

U roku od dva meseca, Penrouz je počeo da drži predavanje o svojoj teoremi.

Sredinom decembra, predao je studiju akademskom časopisu Fizikal rivju leters, koja je objavljena 18. januara 1965. godine – samo četiri meseca nakon što je prešao ulicu sa Ajvorom Robinsonom. Reakcija nije baš bila onakva kakvoj se nadao. Penrouzova teorema singulariteta je bila dovođena u pitanje. Odbacivana. Osporavana. Rasprava je dostigla vrhunac na Međunarodnom kongresu opšte relativnosti i gravitacije u Londonu kasnije iste godine.

„Nije bila previše prijateljska atmosfera. Rusi su bili prilično iznervirani, a ljudi nisu bili spremni da priznaju da su pogrešili“, kaže Penrouz. Konferencija se završila bez konačnog zaključka.

Ali nedugo zatim, ispostavilo se da ruska studija sadrži greške u proračunima – njihova matematika imala je nepopravljive greške, njihova teza više nije bila održiva.

 

„Postojala je greška u načinu na koji su pristupili problemu“, kaže Penrouz.

Krajem 1965. godine, Penrouzova teorema singulariteta počela je da pravi odjeke širom sveta.

Njegov jedinstveni bljesak prosvetljenja postao je pokretačka snaga u kosmologiji. Uradio je više nego samo objasnio šta je kvazar – razotkrio je veliku istinu o suštinskoj realnosti našeg Univerzuma. Kakav god model Univerzuma da su ljudi od tog trenutka smišljali, on je morao da uključi singularitete, što je značilo naučne principe koji idu dalje od relativnosti.

Singulariteti su takođe počeli da su uvlače u javnu svest, delom zahvaljujući tome što su upečatljivo postali poznati kao „crne rupe“, a što je izraz koji je prva skovala američka novinarka za nauku En Juing.

Stiven Hoking se slavno oslonio na Penrouzovu teoremu da bi oborio teorije o poreklu Univerzuma, nakon što su njih dvojica zajedno radili na singularitetima. Singulariteti su postali centralni za svaku teoriju o prirodi, istoriji i budućnosti Univerzuma.

Eksperimentalisti su identifikovali druge singularitete – uključujući onaj u središtu hipermasivne crne rupe u centru naše vlastite galaksije koji su otkrili Rajnhard Genzel i Andrea Gez, zajednički ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku sa Penrouzom.

Sam Penrouz razvio je alternativu Teoriji Velikog praska kao Konformnu cikličnu kosmologoiju, za koju bi dokaz mogao da potiče od zaostalih signala iz drevnih crnih rupa. Inženjerka i kompjuterska naučnica Kejti Bouman je 2013. godine predvodila grupu istraživača koji su izradili algoritam za koji su se nadali da će omogućiti da crne rupe budu fotografisane. U aprilu 2019. godine, teleskop Ivent horajzon upotrebio je ovaj algoritam da načini prve snimke crne rupe, pruživši dramatičnu vizuelnu potvrdu i Ajnšatajnove i Penrouzove nekad kontroverzne teorije.

Iako je Penrouz, sada u 89. godini, zadovoljan što je primio najveću počast iz fizike, Nobelovu nagradu, njega trenutno muči nešto drugo.

„Deluje strašno neobično. Pokušavam da se prilagodim. Veoma sam polaskan i počastvovan i strašno to cenim“, kaže mi on nekoliko sati nakon što je primio vest.

„Ali, s druge strane, pokušavam da napišem tri različita naučna članka istovremeno i ovo mi to otežava više nego ikad pre.“ Telefon, objašnjava on, ne prestaje da zvoni, dok ljudi pokušavaju da mu čestitaju a novinari da mu zakažu intervjue. A sva ta halabuka odvlači mu pažnju od koncentracije na njegovu najnoviju teoriju.

Penrouz zna najbolje od svih kolika je moć tišine i bljesak prosvetljenja koji ona može da donese.

*Pečen Bars

naučni novinar iz Toronta i autor koji piše biografiju Rodžera Penrouza.

Danas online

Tekstovi o fizici na portalu P.U.L.S.E

  crne rupe, Društvo, Nauka, Rodžer Penrouz, svemir