Teorija velikog praska

Piše: Goran Vukajlović za Tragom zvezda

Nije teorija Velikog praska bila jedina teorija o nastanku kosmosa. Ako izuzmemo shvatanje da je univerzum večan i statičan, što i nije bila nikakva teorija već zatečeno shvatanje, i teološka naklapanja o šestodnevnom božijem trudu od pre par hiljada godina, postojale su još neke hipoteze koje su pokušavale da pomire činjenicu o širenju svemira i ortodoksna shvatanja. Teorija stacionarnog stanja je bila najuspešnija od njih i najduže se održala kao takmac teoriji Velikog praska. Zastupnik te teorije je bio britanski kosmolog Fred Hojl. Da bi pomirio uvrežena shvatanja o večnom kosmosu i Hablovo širenje istog prigrlio je ideju Tomasa Golda o stalnom razvoju univerzuma koji rezultira nepromenjivošću. To najbolje možemo shvatiti ako uzmemo primer čoveka koji za vreme svog života nekoliko puta promeni sve svoje ćelije ali ostaje isti čovek (da li?). Ideja se sastojala u matematičkom shvatanju problema beskonačnosti. Ako je svemir beskonačan i ako se udupla ostaće opet beskonačan. Problem je bio u načinu kreiranja materije u tom i takvom univerzum. Međutim, Hojl je to objašnjavao poljem kreiranja koje je voleo da zove C-polje. Ovaj potpuno hipotetički entitet je navodno ispunjavao ceo univerzum spontano generišući atome i održavajući status quo. Neprijatnost za ovu teoriju se sastojala u tome da po njoj bi mi teleskopima mlade galaksije morali viđati svuda oko nas a ne samo na ogromnim kosmičkim udaljenostima. Međutim, tada ni najbolji teleskopi nisu bili u stanju da omoguće astronomima da razlikuju mlade i zrele galaksije. Da je početkom pedesetih godina dvadesetog veka postojao svemirski teleskop Habl rivalitet teorija bi bio razrešen odmah. Ovako se moralo sačekati na neki krucijalni dokaz koji će prevagnuti na jednu stranu. Teorija Velikog praska je bila opterećena još jednim detaljom koji se generalno nije dopadao kosmolozima, a to je činjenica da je po toj teoriji svet imao svoj početak što je moglo ukazivati na to da je postojao i tvorac. Posebno su neki bili oprezni zbog činjenice da je tu teoriju predložio i promovisao jedan sveštenik. Žorž Lemetr je stvarno bio vernik i kosmolog ali je pokušavao da te dve oblasti drži strogo odvojenim. 

Katolička crkva i njen tadašnji poglavar Papa Pije XII su sa neskrivenim zadovoljstvom prihvatili teoriju Velikog praska jer je po njima ona u neku ruku opravdavala biblijsko Postanje. Papa je Veliki prasak shvatio kao naučnu interpretaciju Postanja što je i objavio 22. Novembra 1951. godine. Lemetr koji je u to vreme bio član Pontifikalne akademije se usprotivio ovakvom Papinom stavu tražeći od njega da više ne istupa sa takvim stavovima. Začudo, ali Papa je prihvatio Lemetrovu sugestiju. S druge strane u bivšem Sovjetskom Savezu protivljenje teoriji Velikog praska je bilo čisto ideološko jer se nije uklapala u marksističko – lenjinističku doktrinu koja nikako nije mogla da prihvati početak univerzuma jer je „ukazivao“ na tvorca. Fred Hojl je o tome pisao na sledeći način: „I katolici i komunisti drže se dogme. Neki argument je po njima ispravan ako procene da se bazira na „ispravnim“ premisama, a ne zato što vodi rezultatima koji se slažu sa činjenicama. I zaista, ako se činjenica ne uklapa u dogmu, tim gore po činjenicu“.

Jedan od velikih problema teorije Velikog praska pedesetih godina dvadesetog veka je bila vremenska skala. Naime na osnovu Hablovog zakona je sledilo da je univerzum star negde oko 1.8 milijardi godina što je bio poprilično sramotan rezultat imajući u vidu da se radiometrijskim datiranjima već tada utvrdilo da je Zemlja stara oko 4.5 milijardi godina. I zaista, ispadalo je da je Zemlja starija od kosmosa to je bio neprihvatljiv rezultat. Mada svesni ovog rezultata, mnogi kosmolozi su nastavili da podržavaju teoriju Velikog praska jer su duboko u sebi verovali da je problem vremenske skale samo problem merenja udaljenosti a ne kamen spoticanja za teoriju. Narednih godina, pre svega zahvaljujući Badeovim istraživanjima, je utvrđeno da je kalibracija Hablove konstante koja je rađena na primeru Andromede neispravna jer se ustanovilo da cefeide na osnovu kojih je određena udaljenost Andromede nisu baš najpouzdanije klasifikovane. Postojale su dve grupe cefeida, populacije I i populacije II a kalibracija je rađena nad klasom II cefeida. Ispostavilo se da su cefeide, viđene u galaksiji Andromeda ipak populacije I što je značilo da su duplo sjajnije od cefeida populacije II. Ovo je odmah Andromedu gurnulo na duplo veću udaljenost a starost univerzuma uduplalo. Badeov student Alan Sandidž je nastavio sa opservacijama kosmosa i posle niza ispravki koje je uveo došao je do nepobitnog zaključka da je univerzum star između 10 i 20 milijardi godina što je već rezultat u koji se teorija Velikog praska uklapala. 

Postojao je još jedan problem tzv. 5 – fuzioni problem. Ovo je posle vremenske skale bio najveći problem teorije Velikog praska. Gamov, Alfer i Herman su tražili moguće puteve kojima bi se u Velikom prasku kreirali teži elementi ali ih nisu našli jer su neprestano nailazili na problem nestabilnih atomskih konfiguracija koje nisu dozvoljavale da se ti elementi sintetišu. Već u to vreme Artur Edington je postavio teoriju da do kreiranja težih elemenata nije ni došlo u Velikom prasku već u utrobama zvezda. Međutim, postojao je drugi problem, problem temperature. Za kreiranje atoma neona je potrebna temperatura od tri milijarde stepeni, a kreiranje težih, silicijumovih atoma zahteva temperaturu od 13 milijardi stepeni. Ako je temperatura u zvezdama dovoljna da se kreira neon onda nije dovoljna za silicijum a ako je dovoljna za silicijum ona će sagoreti sav neon. Izgledalo je da svaki atom zahteva sopstvenu zvezdu. U celu ovu priču se uključio i Fred Hojl iako ovaj problem nije video kao suštinski za raspravu o Velikom prasku i teoriji Stacionarnog stanja. Posle nekoliko godina istraživanja evolutivnog puta zvezda shvatio je u osnovi način njihovog funkcionisanja i ujedno izračunao i potrebne temperature i trajanja faza formiranja pojedinih elemenata. Po prvi put je uvedena pretpostavka da se najteži elementi poput zlata kreiraju u stvari u najnasilnijoj fazi razvoja zvezde – supernovi. 

Hojl je shvatio još jednu bitnu činjenicu o životu zvezda. Njihovom smrću u fantastičnim eksplozijama proces nukleosinteze se ne zaustavlja jer se od preostalog materijala formiraju nove zvezde ali koje su već obogaćene težim elementima pa kada one implodiraju dolazi do stvaranja još težih atoma. Iako je ovim svojim nalazima obajsnio prisustvo težih elemenata u kosmosu i dalje nije znao kako da premosti problem formiranja ugljenika jer se uvek isprečavala ili 5 – nukleonska ili 8 -nukleonska barijera. Nestabilno litijumsko jezgro ili isto tako nestabilno berilijumsko jezgro su pravili velike probleme. Gamovljev tim ovaj problem nije mogao da reši u kontekstu Velikog praska a Hojl nije mogao da ga reši u kontekstu zvezdane nukleosinteze. Ali Hojl nije odustao. 

Najrasprostranjeniji oblik ugljenika poznat je pod imenom ugljenik – 12, zato što u njegovom jezgru postoji 12 čestica. Najpoznatiji oblik helijuma je helijum – 4 sa četiri čestice u jezgru. Jedna od ideja na koju je došao Hojl je da se tri helijumova atoma sudare i da formiraju jezgro ugljenika. To izgleda kao dobra ideja ali nemoguća u stvarnosti. Verovatnoća da tri helijumova jezgra budu na istom mestu u isto vreme i da se pri tom kreću tačno određenim brzinama potrebnim da se fuzionišu praktično je ravna nuli. Alternativni put je bio da se dva helijumova jezgra sudare i naprave berilijumovo jezgro koje će za vreme svog kratkog života da se sudari sa još jednim jezgrom helijuma. Međutim ni ovo rešenje nije bez problema jer kombinovana masa berilijumovog i helijumovog jezgra je nešto veća od mase ugljenikovog jezgra pa je problem da se oslobodi taj deo mase. Normalno, nuklearne rekacije konvertuju masu u energiju preko Ajnštajnove jednačine E=mc2, ali što je veća razlika u masi potrebno je više vremena da se taj proces završi. A vreme je upravo ono što fali jezgrima berilijuma. Hojl se opet našao pred velikim problemom. Međutim, nije odustao i napravio je jedan od najvećih intuitivnih skokova u istoriju nauke. Mada svako jezgro ima standardnu strukturu, Hojl je znao da je alternativni raspored protona i neutrona moguć. Stoga je on predvideo postojanje pobuđene forme ugljenika koja ima veću masu od standardne forme. Izračunao je da pobuđeno stanje ugljenika ima 7.65 MeV više energije od običnog ugljenika. Samo je još bilo potrebno eksperimentalno potvrditi ovo Hojlovo predviđanje. Za to se postarao Vili Fauler koji je u to vreme važio za najvećeg nuklearnog eksperimentatora na svetu. Ovom eksperimentalnom potvrdom Hojl je rešio problem nukleosinteze težih elemenata i tako dao objašnjenje zašto u svemiru postoje takvi odnosi elemenata kakve uočavamo ali je ujedno i dao vetar u leđa teoriji Velikog praska koja je sada imala razrešeno i to pitanje na koje se saplitala ranije. 

Međutim, teoriji Velikog praska je još uvek nedostajalo to ključno predviđanje i njegova eksperimentalna potvrda. Alfer i Herman su još ranije predvideli postojanje mikrotalasnog pozadinskog zračenja ali njega je bilo jako teško otkriti sa opremom koja je tada postojala. Arno Penzijas i Robert Vilson su bili radio astronomi koji su ispitivali satelitske radio komunikacije u Belovim laboratorijama koristeći rog antene. Ispitivali su nivoe šuma koji dolazi iz svemira da bi kalibrisali opremu za nesmetan prenos radio signala. Da bi odredili nivo radio šuma usmerili su teleskop prema delu neba gde nije bilo radio galaksija u očekivanju da nivo šuma bude zanemarljiv. Međutim, nivo šuma je bio iznenađujuće visok pa su se njih dvojica bacili na otkrivanje uzroka tog šuma. Generalno, šum u radio komunikacijama može imati dva izvora. Prvi su spoljašnji izvori šuma a drugo unutrašnji izvori šuma koji potiču od elektronske opreme. Nakon detaljnih provera sistema, eliminacije svih mogućih uzroka nivo šuma se unekoiko smanjio ali nije pao na nivo koji su očekivali. Celu godinu danas su se bavili pokušajima da smanje nivo šuma nesvesni da su nabasali na jedno od najvećih otkrića u istoriji civilizacije – eho Velikog praska. U to vreme u Prinstonu koji nije bio daleko od Bel laboratorija Robert Dik i Džejms Pibls su nezavisno od Alfera i Hermana napravili predikciju kosmičkog mikrotalasnog zračenja. Krajem 1964. godine, Penzijas je prisustvovao jednoj konferenciji iz astronomije u Montrealu, na kojoj je onako usput, pomenuo problem sa šumom Bernardu Breku sa MIT-a. Nekoliko meseci kasnije Berk ga je pozvao i uzbuđeno mu saopštio Dikovo i Piblsovo predviđanje. Penzijasu se tada sve uklopilo. Najzad je razumeo izvor šuma koji je smetao njegovom radio teleskopu i shvatio koliko je to važno. Penzijas i Vilson su bili srećnici, zadesio ih je serendipitet, slučajno naučno otkriće. Ali kakvo! Ovo je bila definitivna potvrda teorije Velikog praska jer takvo predviđanje nikako ne može biti slučajnost ma kolika slučajnost bila njegovo otkriće. Šum je dolazio sa svih strana, upravo onako kako je teorija i predviđala. Na istim talasnim dužinama i na istoj temperaturi. Da, to je značilo samo jedno, Teorija Velikog praska je dokazana. 

Intezitet zračenja izmeren na talasnoj dužini od 7.35 cm odgovarao je zračenju crnog tela temperature oko 3K. Da bi se što preciznije dobila spektralna raspodela ovog zračenja i izračunala njegova temperatura 1989. godine lansiran je satelit COBE (Cosmic Bacground Explorer Satelite). On je posle samo dva meseca u orbiti, poslao podatke koji su potvrdili izuzetno veliku izotropnost fluksa i termalni spektar mikrotalasnog zračenja sa maksimumom na približno 1 mm. Tako je iz svih pravaca dobijeno zračenje čija se raspodela savršeno poklapa sa raspodelom zračenja crnog tela temperature 2.375+-0.06 K. Smatra se da ovo mikrotalasno zračenje koje se oslobađalo na temperaturi od 3000 K prilikom rekombinacije elektrona i protona u neutralni vodonik. Zračenje se hladilo po zakonu obrnute proporcionalnosti sa radijusom, odnosno kosmološkim faktorom. Izotropnost mikrotalasnog zračenja ukazuje na homogenost rane vasione, za razliku od sadašnje vasione, koja je izrazito nehomogena u našoj okolini. COBE je detektovao male temperaturske fluktuacije 30-40 milionitog dela Kelvina pozadinskog zračenja kao što je predviđala i teorija. Mreškanja u mikrotalasnom zračenju su otisci nehomogenosti gustine u ranoj vasioni. Smatra se da su se iz malih fluktuacija izmerenih na mirotalasnom nebu razvile sve strukture današnje vasione. Letelica WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) lansirana 2001. godine izmerila je temperaturske fluktuacije sa mnogo boljom rezolucijom nego COBE i potvrdila predviđanja teorije inflacije da živimo u ravnoj vasioni kritične gustine. Otkriće reliktnog zračenja ima veliki značaj, kako kao ozbiljna potvrda Velikog praska, tako i kao mogućnost za proučavanje istorije univerzuma kada je ona bila homogena i izotropna, i kada su se formirali helijum i vodonik.

Ostavite komentar

unesite broj *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.