Biblioteka

Brajan Grin: Teorija struna

U prvoj ovogodišnjoj Biblioteci čitamo deo klasika naučnopopularne književnosti, Elegantni kosmos Brajana Grina

Tekst: Brajan Grin (odlomak iz knjige Elegantni Kosmos, Heliks, 2009.) 

Čak i pre otkrića specijalne relativnosti, bilo je jasno da Njutnovoj teoriji nedostaje jedan bitan aspekt. Premda se pomoću nje vrlo precizno može predvideti kretanje objekata pod uticajem gravitacije, ona ne ukazuje na to šta je gravitacija. Njutnova teorija ne otkriva kako neko telo utiče na kretanje drugog tela, udaljenog možda čak i stotine milijardi kilometara. Kako gravitacija radi to što radi? I sam Njutn je bio svestan tog problema. Napisao je:

“Nezamislivo je da prosta, neživa materija, bez posredovanja nečeg drugog što nije materijalno, dejstvuje i utiče na drugu materiju bez neposrednog kontakta. Ideja da bi gravitacija trebalo da bude prirodna, osnovna i urođena odlika materije, takva da jedno telo može da deluje na drugo, udaljeno telo, kroz vakuum, bez posredovanja bilo čega drugog što bi prenosilo uticaje i silu od jednog do drugog, po meni je veliki apsurd koji nijedan čovek sa odgovarajućim obrazovanjem iz filozofije ne može da prihvati. Gravitaciju mora da izaziva posrednik koji bez prestanka deluje prema određenim zakonima; ali, odgovor na pitanje da li je taj posrednik materijalni ili nematerijalni, prepuštam čitaocima.” 

Dakle, Njutn je prihvatio da gravitacija postoji i osmislio jednačine koje precizno opisuju njene efekte, ali nikada nije iskazao mišljenje o tome na koji način gravitacija funkcioniše. Dao je svetu uputstvo za upotrebu gravitacije, na osnovu koga su fizičari, astronomi i inženjeri sa uspehom programirali putanje raketa ka Mesecu, Marsu i drugim planetama Sunčevog sistema, predviđali pomračenja Sunca i Meseca, kretanja kometa itd. Ali sam mehanizam, sadržaj „crne kutije“ gravitacije, ostao je potpuno nepoznat. U sličnom stanju blaženog neznanja možda se i sami nalazite kada koristite CD uređaj ili računar, bez ikakve predstave o tome kako oni rade. Sve dok umete da koristite opremu, ni vi niti iko drugi ne morate znati kako izvršava zadatak koji joj zadate. Ali, ako se CD uređaj ili računar pokvare, da bi se popravili valja znati kako funkcionišu.

Ako sam i video dalje, to je zato što sam stajao na ramenima divova.

– Isak Njutn

Slično tome, Ajnštajn je shvatio kako je, uprkos viševekovnim eksperimentalnim dokazima, specijalna relativnost ukazivala na to da se Njutnova teorija nekako „pokvarila“ i da se može popraviti samo uz istinsko i sveobuhvatno poznavanje prirode gravitacije.

Godine 1907, razmišljajući o ovom problemu za svojim stolom u Patentnom zavodu u švajcarskom gradu Bernu, Ajnštajn je došao na ključnu ideju koja će ga, uz povremena lutanja, odvesti do radikalno drugačije, nove teorije gravitacije. Taj novi pristup ne samo da će popuniti praznine u Njutnovnoj teoriji, već će i sasvim izmeniti našu predstavu o gravitaciji i to – što je najvažnije – tako da bude potpuno usaglašena sa specijalnom relativnošću.

Ajnštajnovo sagledavanje gravitacije relevantno je za pitanje koje vas je možda mučilo u poglavlju 2. Tu smo istakli da nas zanima kako svet izgleda pojedincima koji se relativno kreću konstantnom brzinom. Na osnovu pažljivog poređenja opažanja tih pojedinaca, izveli smo dramatične zaključke o prirodi prostora i vremena. Ali, šta se dešava s pojedincima koji se kreću ubrzano? Njihova opažanja su složenija i teže ih je analizirati nego opažanja posmatrača koji se kreću konstantnom brzinom – ali se ipak s pravom možemo zapitati može li se ukrotiti ta složenost i pripojiti ubrzano kretanje novom, relativističkom sagledavanju prostora i vremena.

Sedeo sam u stolici, u zavodu za patente u Bernu, kada mi je odjednom pala na pamet misao: Ako osoba slobodno pada, neće osećati sopstvenu težinu. Bio sam zatečen. Ova jednostavna misao ostavila je snažan utisak na mene. Podstakla me je u pravcu teorije gravitacije.

– Albert Ajnštajn

Ajnštajnu je pala na pamet „najsrećnija misao“ i sagledao je kako da se to ostvari. Da biste shvatili njegovu ideju, zamislite da je 2050. godina i da ste glavni stručnjak u FBI za bombe. Upravo ste primili poziv – neka osoba vas je izbezumljenim glasom obavestila da je u samom centru Vašingtona postavljena zastrašujuća bomba. Pošto ste dojurili na to mesto i pregledali eksplozivni uređaj, vaše najcrnje slutnje su se potvrdile: pred vama je nuklearna bomba silne razorne moći. Čak i kad biste je zakopali duboko u zemlju ili potopili u dubinu okeana, šteta koju bi napravila bila bi nesaglediva.

Pažljivo ste proučili mehanizam za detonaciju i shvatili da nema nade da ćete je deaktivirati. Štaviše, spazili ste da ima do tada neviđenu zamku za aktiviranje. Bomba je pričvršćena za vagu. Ako očitavanje na skali odstupi od tekuće vrednosti težine za više od 50 posto, bomba će eksplodirati. Mehanizam za odbrojavanje pokazuje da je ostalo nedelju dana do detonacije. Sudbina miliona je u vašim rukama – šta ćete uraditi?

Dakle, pošto ste zaključili da nema mesta na zemlji gde bomba ne bi nanela veću štetu, nemate izbora: morate je poslati daleko u svemir, gde njena eksplozija neće imati pogubne posledice. Iznosite tu ideju na sastanku vašeg tima u štabu FBI i skoro istog trena, mladi asistent kritikuje plan. „Vaš plan ima ozbiljan nedostatak“, kaže vaš asistent Isak. „Kako se bomba bude udaljavala od Zemlje, biće sve lakša, jer će se smanjivati gravitaciona sila kojom na nju deluje naša planeta. To znači da će se očitavanje na skali smanjiti do kritične težine mnogo pre nego što bomba stigne u duboki svemir.“ Niste stigli ni da pošteno razmislite o tim rečima, kad je u razgovor uskočio Albert, drugi mladi asistent: „Zapravo, postoji još jedan problem. Jednako ozbiljan kao Isakova primedba, samo što je složeniji, pa vas molim za strpljenje dok budem objašnjavao.“ Želeći da na čas mirno razmislite o Isakovoj primedbi, pokušavate da prekinete Alberta, ali njega, kao i obično, ne možete zaustaviti kada krene.

Neki ljudi misle da je Veliki Prasak teorija o tome kako je univerzum nastao, ali to nije tačno. Veliki Prasak je teorija o tome kako je univerzum evoluirao od onog delića sekunde nakon što je doveden u postojanje.

– Brajan Grin

„Da bi se bomba poslala u svemir, morali bismo da je pričvrstimo za raketu. Dok raketa bude ubrzavala nagore, očitavanje na skali će rasti, pa će bomba opet prerano eksplodirati. Vidite, osnova bombe koja naleže na vagu sa skalom pritiskaće vagu jače nego kad bomba miruje – kao što putnik u automobilu koji ubrzava snažnije naleže na naslon. Bomba će pritisnuti vagu kao što putnik pritiska naslon sedišta. Očitavanje na skali će se povećati, i bomba će eksplodirati ako je povećanje težine veće od pedeset posto.“

Zahvaljujete Albertu na zapažanju. Pošto ste prestali da ga slušate kako biste u mislima obradili Isakovu primedbu, utučeno saopštavate da je dovoljan samo jedan kobni udarac da bi se ubila ideja, a Isakova očigledno ispravna zamerka je to već učinila. Pomalo bezvoljno, pitate da li neko ima predlog. U tom trenutku, Albert dolazi do čudesnog otkrića: „Kad malo bolje razmislim, jasno mi je da vaša ideja nije mrtva. Isak je zaključio da će zbog smanjenja gravitacije, očitana težina biti manja. Ja sam ukazao na to da će zbog ubrzanja rakete doći do povećanja težine. Ako pažljivo isplaniramo kako će raketa da ubrzava, ova dva efekta mogu se međusobno poništiti! Konkretno – pri samom lansiranju, dok je raketa još uvek pod punim uticajem Zemljine gravitacije, ona može da ubrzava, ali ne previše naglo, tako da težina bombe ne poraste više od pedeset posto. Kako se raketa bude udaljavala od Zemlje, gravitacija će se smanjivati, pa ćemo morati da povećamo ubrzanje, da bi se kompenzovalo smanjenje težine. Povećanje težine usled ubrzanja može da bude jednako smanjenju težine usled opadajućeg gravitacionog privlačenja – dakle, moguće je da na ovaj način održimo konstantno očitavanje na skali!“

Prisutnima je Albertov predlog bivao sve smisleniji. „Drugim rečima“, napominjete, „ubrzanje nagore može da posluži kao dopuna ili zamena za gravitaciju. Pomoću srećno isplaniranog ubrzanog kretanja, možemo simulirati dejstvo gravitacije.“

„Baš tako“, odgovara Albert.

„Dakle“, nastavljate, „možemo da lansiramo raketu u svemir i pošto pažljivo podesimo ubrzanje, očitavanje na skali neće se menjati pa ćemo sprečiti da bomba eksplodira pre nego što dospe na bezbednu udaljenost od Zemlje.“ Podešavajući ubrzanje i gravitaciju, pomoću precizne raketne tehnike dvadeset prvog veka, moći ćete da sprečite katastrofu.

Prepoznavanje da su gravitacija i ubrzanje duboko prepleteni, srž je ideje na koju je Ajnštajn došao jednog sretnog dana u Patentnom zavodu u Bernu… Tu nerazlučivost između ubrzanog kretanja i gravitacije Ajnštajn je nazvao princip ekvivalencije. Ovaj princip ima ključnu ulogu u opštoj relativnosti.

Brajan Grin

 Elegantni kosmos

Prevod:  Ana Ješić, Aleksandar Dragosavljević

Brajan Grin, jedan od voh teoretičara struna današnjice, u knjizi Elegantni kosmos skida veo misterije sa teorije struna i otkriva svemir koji se sastoji od jedanaest dimenzija, čije se tkanje samo para i spaja, a sva materija u njemu – od majušnih kvarkova do džinovskih supernova – sačinjena je od vibracija mikroskopski malih energetskih petlji.

Fizičari i matematičari širom sveta rade uporedo i predano na jednoj od najambicioznijih teorija koje je nauka izrodila: teoriji superstruna. Teorija struna, kako se često naziva, ključ je za definisanje teorije objedinjenih polja o kojoj je Ajnštajn sanjao više od trideset godina. Takođe, ova teorija razrešila je vekovni sukob između teorije o velikom svetu – opšte relativnosti – i teorije o malom svetu – kvantne teorije. Teorija struna govori da su sva čudesna dešavanja u svemiru, od divljeg plesa subatomskih kvarkova, do nesagledivih vrtloga nebeskih galaksija, samo odrazi veličanstvenog fizičkog principa i ispoljavanja jednog entiteta: mikroskopski malih vibrirajućih energetskih petlji, milijardi milijarda puta manjih od atoma. U ovoj osvežavajuće jasnoj knjizi, popularno napisanoj, Grin spaja priču o nauci i ljudskim borbama iza potrage fizike dvadesetog veka o teoriji svega.

Istražite druge tekstove:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

CPN
Ulica kralja Petra 46
11000 Beograd
Republika Srbija
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs