Svemir - biografija

“Natalie Angier ima kombinaciju talenata koji njezinu najnoviju

knjigu, Kanon, čine nezaobilaznim iskustvom. Njezino vladanje

jezikom posramljuje i pjesnike, njezino shvaćanje funkcioniranja

znanosti pokazuje radost i ljepotu otkrića, vrlinu za koju sam

mislio da je imaju samo znanstvenici. Kako se usuđuje pisati

tako vješto, objašnjavati tako jasno, prikazujući nas znanstvenike

istodobno ponosnima i neartikuliranima!”

LEON LEDERMAN

Dobitnik Nobelove nagrade

John Gribbin

Svemirbiogra� ja

JOH

N G

RIB

BIN

Sve

mir

S JEDINSTVENOM INTELIGENCIJOM i bogatst-

vom izričaja koji su njezinu knjigu Woman učinili

međunarodnom senzacijom, Natalie Angier

vodi nas na zavojit put znanstvenoga kanona.

Svoje zaključke izvodi iz razgovora sa stotinama

svjetski priznatih znanstvenika i vlastitog, Pulit-

zerovom nagradom ovjenčanoga, novinarskog

rada koji možemo čitati na stranicama dnevnog

lista New York Times, kojima stvara temeljit, ali

i zabavan vodič prema znanstvenoj pismenosti.

U časopisu People kažu: “Angierova ima taj ri-

jetki dvostruki dar: istinsku strast za znanost

kombiniranu s poetskom vještinom vladanja

jezikom.” Ti darovi do punog su izražaja došli u

knjizi Kanon, toj kipućoj proslavi znanosti koja

teži postati klasikom.

Kanon je važno štivo za svakoga tko želi postići

bolje razumijevanje velikih problema našega

vremena — od matičnih stanica, ptičje gripe do

evolucije i globalnog zatopljenja. To je i knjiga

za svakog roditelja, koji se uspaničio kad ga je

dijete pitalo kako je nastala Zemlja i što je zapra-

vo električna struja. Iskričava proza Angierove i

njezine pamtljive metafore znanost čine živom

te ponovno pokreću naše djetinje uzbuđenje

u otkrivanju načina na koji svijet funkcionira.

“Naravno, morate poznavati znanost”, piše An-

gierova, “iz istog razloga zbog kojeg dr. Seuss

savjetuje svoje čitatelje da pjevaju s Yingom ili

igraju Ring s Gackom: te stvari su zabavne, a za-

bava je dobra.”

Kanon je zabavna vožnja kroz veće znanstvene

discipline: fi ziku, kemiju, biologiju, geologiju

i astronomiju. Čitajući knjigu učimo što se

NATALIE ANGIER piše o biologiji za New

York Times, za što je dobila Pulitzerovu

nagradu, priznanje Američke udruge za

unapređenje znanosti novinarstva, i druge

nagrade. Napisala je knjige The Beauty of

the Beastly, Natural Obssesions i Woman:

An Intimate Geography — koja je brzo sti-

gla na popis najprodavanijih naslova New

York Timesa, postala � nalisticom američke

Nacionalne književne nagrade te proglaše-

na knjigom godine prema izboru Los Ange-

les Timesa, Chicago Tribunea, Peoplea, ra-

diopostaje National Public Radio, časopisa

Village Voice i tjednika Publishers Weekly,

između ostalih. Angierova živi sa suprugom

i kćeri nedaleko od Washingtona.

ISBN 978-953-14-0675-8139,00 kn

www.mozaik-knjiga.hr

Svemir biografija.indd 1 1.6.2010 9:18:07

SVEMIR BIOGRAFIJA.indd 4 11.6.2010 12:56:25

Svemirbiografija


Sva prava pridržana. Nijedan dio ovoga izdanja ne smije se, ni u cijelosti ni djelomično, reproducirati, pohra-niti ili prenositi ni u kojem elektroničkom obliku, mehaničkim fotokopiranjem, snimanjem ili drukčije bez vlasnikova prethodnog dopuštenja.

Uređuje Lidija Zozoli

Naslov izvornika The Universe – A BiographyCopyright © John and mary Gribbin, 2006Copyright za hrvatsko izdanje © mozaik knjiga, 2010.

Za nakladnika Alen Bodor

S engleskoga prevela milena Benini

Stručna redaktura vinko Zlatić, dr. sc.

Lektorica i korektorica Sanja matasić

Grafički urednik marko Katičić

Oblikovanje naslovnice marija morić

Tisak Znanje d.d., Zagreb, lipanj 2010.

iSBN 978-953-14-0767-0CiP zapis dostupan u računalnom katalogu Nacionalne i sveučilišne knjižnice u Zagrebu pod brojem 741082

.

sveznadarbiblioteka općeg znanja


BiOGrAFiJA

John Gribbin

Svemir



Sadržaj

Zahvale 9Predgovor 11

1. Kako znamo stvari koje mislimo da znamo? 152. Postoji li Teorija svega? 333. Kako je započeo svemir? 484. Kako se razvio rani svemir? 625. Kako su se razvile vidljive strukture u svemiru? 786. Što drži svemir na okupu? 977. Odakle kemijski elementi? 1178. Odakle Sunčev sustav? 1359. Gdje je nastao život? 154

10. Kako će sve to završiti? 175

rječnik izraza 191Bibliografija 195indeks 197



Za Bena i Ellie

Ne izdvaja znanstvenika ono što vjeruje, već kako i zašto to vjeruje. Njegova su uvjerenja nesigurna, a ne dogmatična; zasnivaju se na dokazima, a ne na autoritetu ili intuiciji.

Bertrand russell (1872. – 1970.)



Zahvale

većina istraživačkog rada za moje novije knjige uključivala je uranjanje u prašnjave arhive i čitanje izvješća iz (u najboljem slučaju) druge ruke o životi-

ma i radu mrtvih ljudi. Koliko je god to bilo zanimljivo, bila je ugodna promjena kad sam, radeći na ovoj knjizi, razgovarao sa živim ljudima o njihovu vlastitom radu. Ali budući da mi je ovdje cilj pružiti opći pregled onoga što se danas do-gađa u fizici, rijetko sam u glavnom tekstu poimence spominjao pojedince ili pojedina istraživanja. Ako sam išta naučio od pisanja povijesnih knjiga, onda je to činjenica da je znanost društvena aktivnost, u kojoj je cjelina veća od pukog zbroja njezinih dijelova. Ono »mi« koje se pojavljuje u tekstu odnosi se na cijelu skupinu znanstvenika, nekadašnjih i današnjih, koji su pridonijeli shvaćanju fizi-kalnog svemira. No ne bih mogao napisati ovu knjigu bez rasprava i dopisivanja s mnogim pojedinačnim istraživačima, kako baš za ovu knjigu tako i u drugim prilikama tijekom godina, i htio bih zahvaliti Kevorku Abazajianu, Johnu Bah-callu, Johnu Barrowu, Franku Closeu, edu Copelandu, Pier-Stefanu Corasinti-ju, Johnu Faulkneru, ignaciju Ferrerasu, Simonu Goodwinu, Ann Green, Alanu Guthu, martinu Hendryju, marku Hindmarshu, Gilbertu Holderu, isobel Ho-ok, Jimu Houghu, Steveu Kingu, Chrisu Ladroueu, Oferu Lahavu, Andrewu Liddleu, Andreju Lindeu, Jimu Lovelocku, Gabrielli de Luciji, mikeu macin-tyreu, B. Sathyaprakashu, richardu Savageu, Peteru Schröderu, Urosu Seljaku, Leeju Smolinu, Adamu Stanfordu, Paulu Steinhardtu, Christine Sutton, Peteru Thomasu, Kipu Thorneu, edu Tryonu, Neilu Turoku i ianu Waddingtonu na velikodušnoj spremnosti da svoje zamisli podijele sa mnom. vraćajući se još više unatrag, nikad neću moći otplatiti dug nekolicini znanstvenika koji više nisu s nama; redom kojim su utjecali na mene bili su to Bill mcCrea, Fred Hoyle, Willy Fowler, roger Tayler i John maynard-Smith.

Zahvaljujem se također i Christini i Davidu Glassonu, koji su imali odgo-vornost povremeno me natjerati da se odmorim od posla; Zakladi Alfreda C. mungera, koja je i opet dala velikodušan doprinos mojim putovanjima i drugim troškovima istraživanja; Davidu Pearsonu, za vizualnu pronicljivost; te Sveučili-štu Sussex, koje mi je pružilo bazu iz koje sam radio.

Kao i uvijek, međutim, najveći doprinos iza scene stigao je od moje uvijek prisutne, iako ne uvijek vidljive, suradnice mary Gribbin.



Predgovor Zašto biografija?

Kad sam prije više od trideset godina počeo pisati knjige o znanosti, činilo mi se da imam posla s jasnim činjenicama, kao što su Newtonov zakon, način

kako se kontinenti kreću po površini Zemlje, kako zvijezde ispuštaju energiju tijekom procesa nuklearne fuzije koji se odvija duboko u njihovim središtima i tako dalje. Kasnije, kako sam se sve više posvećivao povijesti znanosti i biogra-fiji, zaintrigiralo me koliko je svako takvo istraživanje neizbježno do neke mjere subjektivno i otvoreno interpretaciji. Nemoguće je napisati »krajnju« povijest znanosti (ili bilo čega drugoga) jer ne poznajemo sve činjenice; morat ćemo rupe popuniti pretpostavkama, pa makar to bile i čvrsto utemeljene pretpostavke koje u potpunosti koriste sve raspoložive činjenice. Slično tome, nemoguće je napisati »krajnju« životnu priču nekog ljudskog bića (pa čak i nekoga tko je još na životu) zbog nepouzdanosti ljudskog pamćenja i nepotpunosti zapisa. Prilično kasno, shvatio sam da se ista ta ograničenja odnose i na bilo koji pokušaj pisanja povije-sti, ili životne priče svemira. Premda znamo zaista puno o tome kako se svemir razvijao od velikog praska, u nekim slučajevima i nevjerojatno precizno, u tom će znanju uvijek biti rupa, i morat ćemo se koristiti utemeljenim pretpostavkama kako bismo dokučili što se dogodilo. Zato nikad ne može postojati samo jedna, definitivna povijest ili biografija svemira; nego različite, više ili manje subjekti-vne, interpretacije te priče.

Zbog toga mi je pala na pamet intrigantna mogućnost da napišem izvješće o podrijetlu, evoluciji i mogućoj sudbini svemira koristeći pristup kakvim bih se koristio pišući biografiju. Postaviti osnovna pitanja o predmetu, i odgovoriti na njih što bolje mogu, prema potrebi popunjavajući rupe utemeljenim pretpo-stavkama. Kako je započeo svemir? Odakle stižu materijalne čestice od kojih se sastojimo? Odakle stižu galaktike? Kako se stvaraju zvijezde i planeti? Kako je počeo život? Na ta pitanja imamo samo približne odgovore (neki su približniji od drugih) – ali sve su to odgovori koji će se vjerojatno dramatično poboljšati znanstvenim napretkom tijekom sljedećih deset godina. Približni odgovori koje trenutačno imamo znatno su bolji nego nikakvi odgovori, a priču o tome kako smo stigli do njih već samu po sebi vrijedi ispričati, kao i postaviti scenu za priče koje će tijekom sljedećeg desetljeća vjerojatno dospjeti na naslovnice novina.


S v e m i r12

Kad sam pisao svoju povijest znanosti od šesnaestog stoljeća do danas1, ko-ristio sam drugačiju vrstu biografskog pristupa, koncentrirajući se na živote i dostignuća pojedinih znanstvenika. isprva sam se namjeravao i ovdje koristiti istim biografskim pristupom, nadajući se da ću pružiti uvid u to kako znanost danas funkcionira usredotočim li se na pojedinačne doprinose. No u naše doba znanost je drugačija. Što sam više putovao i posjećivao znanstvenike, koji su da-nas aktivni, to sam više shvaćao do koje se mjere situacija promijenila, čak i za moga života. Pojedinačni znanstvenici u fizici danas se obično usredotočuju na relativno male probleme dok rade u prilično velikim grupama, tako da je često teško točno identificirati doprinos nekog pojedinca, ili ustvrditi da projekt ne bi tako dobro uspio da je netko drugi odradio isti posao. No cjelina je postala većom od zbroja svojih dijelova, tako da se pojavila neodoljiva, dosljedna i zamalo pot-puna slika o tome kako funkcionira fizikalni svijet, i kako je svemir koji vidimo oko sebe postao onakvim kakav jest. Jedna od najfascinantnijih strana ove priče jest to što misterij podrijetla života sada pripada području fizike kao znanosti (i znatno je manje tajnovit nego što je nekad bio).

Tek kad se udaljimo od pojedinačnih doprinosa i promatramo opću sliku, pojavljuje se pravi razmjer ovog dostignuća. Doista postoji fascinantna znanstve-na biografija koju treba napisati, no to je biografija samog svemira, a ne ljudi koji danas proučavaju preostale tajne o njemu. Budući da je život svemira još daleko od završetka, odlučio sam dosadašnju priču predstaviti kroz početke, od početaka svemira kakvog poznajemo, prije otprilike 14 milijardi godina, do početaka života na Zemlji, oko 10 milijardi godina kasnije. Također, nisam mogao odoljeti da ne bacim pogled u budućnost i promotrim vjerojatnu sudbinu Zemlje, koja je vrlo zanimljiva stanovnicima našeg planeta, te moguću sudbinu svemira općenito.

Neki obrisi ove priče skicirani su već i prije2, ali ono po čemu se znanost dva-deset i prvog stoljeća razlikuje jest to što su ti obrisi precizno ispunjeni (a ponegdje pri tome i dramatično promijenjeni) tako da ključne brojeve koji određuju stanje svemira poznajemo do točnosti od nekoliko postotaka, ili čak djelića postotka. istovremeno, otkriva se da se različiti dijelovi slike poklapaju zapanjujuće pre-cizno tako da su, na primjer, osobine neutrona (dio jezgre atoma) izmjerene u laboratoriju usko vezane uz procese u velikom prasku, i s količinom helija koja se danas može pronaći u zvijezdama. S druge strane, količina helija u zvijezda-ma utječe na proizvodnju kemijskih elemenata koji su završili u ljudskom tijelu i važna je za priču o podrijetlu života. To je drugi razlog zašto sam ovu knjigu

1 Lane, Allen: Znanost: jedna povijest. London, 2002.2 Učinio sam to u svojoj prijašnjoj knjizi Geneza (Dentl, London, 1980.), a činili su to i neki drugi

pisci.


P r e d g o vo r 13

nazvao »biografijom« a ne »poviješću«. Ona govori o podrijetlu života, i bavi se krajnjim pitanjem našeg podrijetla – premda u početnim poglavljima to možda nije očito.

Ova knjiga doista jest samo jedna moguća biografija svemira, a ne jedina bio-grafija svemira; no, premda je neizbježno do određene mjere spekulativna, ne bih volio da steknete dojam kako se radi o mojim osobnim fantazijama. Ovdje ima znatno više činjenica nego spekulacija. Kao i svaki dobar biograf, prije nego što se uhvatim u koštac s ovim novim razumijevanjem svemira i našeg mjesta u nje-mu, trebao bih proučiti sve što fizičari sa sigurnošću znaju o načinima funkcio-niranja svemira, te istaknuti razliku između onog što mislimo da znamo i onoga što mislimo da znamo.

John Gribbin svibanj 2006.



1. Kako znamo stvari koje mislimo da znamo?

Što znanstvenici misle kad kažu da »znaju« što se događa u atomu, recimo, ili što se dogodilo tijekom prve tri minute života svemira? Žele reći da imaju ono

što se naziva modelom atoma, ili ranog svemira, ili što ih već zanima, te da se taj model podudara s rezultatima njihovih eksperimenata, ili njihovog promatranja svijeta. Taj znanstveni model nije materijalna reprezentacija stvarnog predmeta onako kako modeli aviona predstavljaju zrakoplove pune veličine, već mentalna slika koja se opisuje sklopom matematičkih jednadžbi. Atomi i molekule, koji či-ne zrak koji udišemo, na primjer, mogu se opisati modelom u kojem zamišljamo da je svaka čestica savršeno elastična mala kugla (sićušna biljarska kugla) i sve te kuglice odbijaju se jedna od druge i od zidova koji ih okružuju.

Ovo je mentalna slika, ali to je tek polovica modela; znanstveni je model zato što način na koji se kugle kreću i odbijaju jedna od druge opisuje skup fizikalnih zakona, ispisan matematičkim jednadžbama. U ovom slučaju, u biti, radi se o zakonima kretanja koje je otkrio isaac Newton prije više od 300 godina. Kori-steći te matematičke zakone, moguće je, na primjer, predvidjeti što će se dogodi-ti s pritiskom ako se plin stisne na polovicu početnog volumena. Ako provedete eksperiment i rezultat koji dobijete podudara se s predviđanjem modela (u ovom slučaju, pritisak će se udvostručiti), to znači da se radi o dobrom modelu.

Naravno, ne bismo se trebali iznenaditi što standardni model plina, koji ga opisuje putem loptica što se odbijaju jedna od druge u skladu s Newtonovim zakonima, daje baš to točno predviđanje, jer prvo su provedeni eksperimenti, a potom je dizajniran, ili konstruiran, model tako da bude u skladu s rezultatima eksperimenata. Sljedeći stadij u znanstvenom procesu jest korištenje modela ra-zvijenog prema mjerenjima provedenim u jednom skupu eksperimenata da bismo dobili predviđanja (precizna, matematička predviđanja) o tome što će se istom tom sustavu dogoditi kad prvedemo neke druge eksperimente. Ako model da-je »ispravna« predviđanja pod novim okolnostima, to pokazuje da se radi o do-brom modelu; ako nam ne uspije dati ispravna predviđanja, možda ga ne treba u


S v e m i r16

potpunosti odbaciti jer nam svejedno govori nešto korisno o prethodnim ekspe-rimentima; ali u najboljem slučaju njegova je primjenjivost ograničena.

Zapravo, svi znanstveni modeli imaju ograničenu primjenjivost. Ni jedan od njih nije »cijela istina«. model atoma kao savršeno elastične kuglice sasvim dobro radi za računanje promjena u pritisku plina pod različitim okolnostima, ali ako želimo opisati način na koji atom emitira ili apsorbira svjetlost, trebamo model atoma s barem dva sastojka, sićušnu središnju jezgru (koja se i sama, u određene svrhe, može promatrati kao savršeno elastična kuglica) okruženu oblakom elek-trona. Znanstveni modeli su predodžbe stvarnosti, a ne sama stvarnost, i koliko god dobro funkcionirali ili koliko točna predviđanja davali u odgovarajućim okolnostima, uvijek ih trebamo promatrati kao aproksimacije i pomoć pri zami-šljanju, a ne kao krajnju istinu. Kad nam neki znanstvenik kaže, recimo, da se jezgra atoma sastoji od čestica koje se zovu protoni i neutroni, zapravo bi nam trebao reći da se jezgra atoma u određenim okolnostima ponaša kao da se sastoji od protona i neutrona. Bolji znanstvenici to »kao da« jednostavno podrazumi-jevaju, ali su svjesni da su njihovi modeli na kraju krajeva samo modeli; lošiji znanstvenici često zaboravljaju ovu ključnu razliku.

Lošiji znanstvenici i mnogi koji nisu znanstvenici imaju još jednu pogrešnu predodžbu. Često smatraju da je danas uloga znanstvenika da provode eksperi-mente koji će dokazati točnost njihovih sve preciznijih modela kako bi bili još precizniji – i sa sve više decimalnih mjesta. Ni slučajno! eksperimenti koji ispi-tuju predviđanja modela, koja još nisu testirana, provode se zato da bi se otkrilo gdje modeli pucaju. Najbolji fizičari uvijek se nadaju da će otkriti nedostatke u svojim modelima jer će nedostaci – ono što modeli ne mogu točno predvidjeti ili precizno objasniti – istaknuti mjesta gdje je potrebno novo shvaćanje, s boljim modelima, kako bismo napredovali. Arhetipski primjer ovakvog pristupa jest gra-vitacija. Zakon gravitacije, koji je postavio isaac Newton, smatran je najdubljim dijelom fizike više od 200 godina, od 1680-ih do početka dvadesetog stoljeća. Ali bilo je nekoliko naizgled nevažnih detalja koje Newtonov model nije mogao objasniti (niti predvidjeti), uključujući i orbitu planeta merkura i način na koji se zraka svjetlosti zakrivljuje prolazeći pokraj Sunca. model gravitacije Alberta einsteina, zasnovan na njegovoj Općoj teoriji relativnosti3, objašnjava sve što objašnjava i Newtonov model, no istovremeno objašnjava i suptilne pojedinosti

3 izraz »teorija« često se koristi da bi se opisalo ono što ja nazivam modelima. Općenito govoreći, meni je draži izraz »model« jer on za ljude koji nisu znanstvenici ima manje zbunjujućih konota-cija nego »teorija«; ali u nekim slučajevima, osobito kod einsteinove teorije, ta je riječ do te mjere postala dijelom naziva da ju je nemoguće izbjeći. No sve što sam rekao o znanstvenim modelima odnosi se i na znanstvene teorije.


K a ko z n a m o s t va r i ko j e m i s l i m o d a z n a m o ? 17

planetarnih orbita i zakrivljenja zraka svjetla. U tom smislu, to je bolji model nego onaj stariji, i daje točna predviđanja (osobito o svemiru općenito), što stariji model ne čini. No Newtonov model još je uvijek sve što nam treba ako računate let svemirske sonde od Zemlje do mjeseca. iste te izračune mogli bismo napraviti i koristeći opću relativnost, ali bilo bi znatno dosadnije i dobili bismo isti odgo-vor, pa zašto se onda mučiti?

veći dio ove knjige bit će o onome što mislimo da znamo – modelima koji izgledaju dobro onoliko koliko su testirani, ali koji se odnose na sam rub znano-sti, gdje treba provesti još jako puno testova. Sigurno je da će neke od tih modela trebati modificirati u svjetlu daljih eksperimenata i promatranja svemira; sasvim je moguće da će neki od njih u potpunosti biti odbačeni, i zamijenjeni novim načinom promatranja. Na sličan su način povjesničari i biografi roberta Hookea, jedne od ključnih osoba znanstvene revolucije sedamnaestog stoljeća, nedavno morali revidirati svoje zamisli o tome čovjeku (svoje modele, ako hoćete) zbog otkrića stoljećima izgubljenoga važnog dokumenta koji podrobno opisuje neke pojedinosti iz njegova znanstvenog života. Novi dokazi često zahtijevaju revidi-ranje starih zamisli.

No da bismo stvorili podlogu te mogli opisati kamo znanost kreće u dvade-set i prvom stoljeću, moramo početi od onoga što mislimo da znamo – modela, čije su osnove postavljene, razvijenih u dvadesetom stoljeću i koji su se pokazali toliko uspješnima u podudaranju s rezultatima eksperimenata i promatranja da znanstvenici u njih imaju isto toliko povjerenja kao i u model biljarskih kugli za plinove, ili (unutar poznatih ograničenja) Newtonov model gravitacije. To su modeli koji su, poput Newtonova modela, gotovo savršeni u svojim opisima fi-zikalnog svemira unutar specifičnih područja na koja je poznato da se odnose; također je važno što, i opet kao kod Newtonova modela, znamo gdje su granice primjenjivosti za te modele.

Fizičari vole te vrlo uspješne opise svijeta (odnosno, specifičnih osobina svi-jeta) nazivati »standardnim« modelima. model biljarskih kugli za plinove (koji je poznat i kao kinetička teorija jer se bavi česticama u pokretu) jedan je takav standardni model. No kad fizičari kažu samo standardni model, misle na jedan od velikih trijumfa znanosti dvadesetog stoljeća, model koji opisuje ponašanje čestica i sila u subatomskim razmjerima. Povijesni razvoj kvantne fizike opisao sam u svojoj knjizi U potrazi za Schrödingerovom mačkom i ne namjeravam ovdje ulaziti u detalje; ali budući da se standardni model fizike čestica u potpunosti zasniva na kvantnoj fizici, neophodno je kratko ponavljanje. Na prvi pogled, dio ovoga nekim će se čitateljima možda činiti poznatim; no izdržite, jer se nadam


S v e m i r18

kako ćete otkriti da moj pogled na ovu poznatu priču nije baš sasvim isti kao ono što smatrate da već znate.

Prvi korak prema ovom novom razumijevanju fizike došao je od maxa Plan-cka, u Njemačkoj, početkom dvadesetog stoljeća. Planck je otkrio kako se spo-znaja o tome kako topli objekti isijavaju svjetlo mogu objasniti samo ako se ono emitira u malim paketima nazvanim kvanti. U to doba, znanstvenici su o svjetlu razmišljali kao o obliku vala, elektromagnetskoj vibraciji, jer je ponašanje svjetla za mnogih eksperimenata odgovaralo predviđanjima valnog modela. isprva, ni Planck osobno ni njegovi suvremenici nisu mislili da svjetlo postoji u obliku ma-lih zrnaca, nego da osobine tvari – to jest, atoma – znače kako se svjetlo može emitirati (ili apsorbirati) samo u određenim količinama. možete to usporediti sa slavinom koja kaplje. Činjenica da voda kaplje iz slavine u obliku malih »zrnaca« ne znači da voda u spremniku iz kojeg se slavina napaja postoji samo u obliku zasebnih kapi. Albert einstein je 1905. godine bio prva osoba modernog doba4 koja je ozbiljno shvatila zamisao da svjetlo doista postoji u obliku malih zrna-ca, čestica svjetla koje su postale poznate kao fotoni, i sljedećih desetak godina zapravo je jedini zastupao to mišljenje. No na kraju je ponašanje svjetla tijekom nekih eksperimenata doista odgovaralo predviđanjima modela čestica. To znači da i model čestica mora biti dobar! Ni jedan eksperiment ne pokazuje svjetlo koje se ponaša istovremeno i kao val i kao čestica; ali može odgovarati predviđanjima bilo jednog ili drugog modela, ovisi o prirodi eksperimenta.

Ovo vrijedi razjasniti, jer to je tako dobar primjer ograničenja modela. Nit-ko nikad nije trebao reći (ni pomisliti) da svjetlo jest val, ili da jest čestica. Sve što možemo reći jest da se pod odgovarajućim okolnostima svjetlo ponaša kao da je val, ili kao da je čestica – baš kao što se pod nekim okolnostima atom po-naša kao da je mala čvrsta kuglica, dok se pod drugim okolnostima ponaša kao da je sićušna jezgra okružena oblakom elektrona. Ovdje nema ni paradoksa ni sukoba. Ograničenja leže u našim modelima i našoj ljudskoj mašti, jer se tru-dimo opisati nešto što je u cjelini gledano posve drugačije od bilo čega što smo iskusili svojim osjetilima. Zbunjenost koju osjećamo kad pokušavamo zamisliti kako svjetlo može biti i val i čestica dio je onoga što je američki fizičar richard Feynman nazvao »odrazom nekontrolirane ali uzaludne želje da to promatramo kao da je riječ o nečem poznatom«5. Svjetlo je zapravo kvantni fenomen koji se vrlo učinkovito može opisati matematičkim jednadžbama, ali za koji ne postoji pojedina mentalna slika iz svakodnevice koja će dati predodžbu o tome kakvo

4 isaac Newton imao je sasvim prikladan model svjetla kao čestice, ali ga je zamijenio model vala. 5 U knjizi Karakter fizikalnog zakona.



je ono zapravo. Cijeli kvantni svijet je takav, a prvi veliki doprinos Nielsa Bohra fizici bio je što je uključio matematiku kvantne fizike u model atoma, ne brinući previše o tome ima li takav model »smisla« u svakodnevnom kontekstu.

Do početka dvadesetog stoljeća znanstvenici su znali da se sve na Zemlji sa-stoji od atoma, s jednom vrstom atoma za svaki kemijski element – atomi kisika, atomi zlata, atomi vodika i tako dalje. Znali su, također, da atomi nisu nedjeljivi, kao što se nekad mislilo, već se pod određenim uvjetima od njih mogu odvojiti dijelovi zvani elektroni. Tada omiljeni model elektrona opisivao ih je kao sićuš-ne čestice, a eksperimenti su pokazali da se elektroni doista ponašaju kao da su sićušne čestice. Zagonetka koju je Bohr bio riješio odnosila se na način na koji razne vrste individualnih atoma emitiraju (ili apsorbiraju) svjetlo na detaljnijoj razini nego što je bila Planckova studija svjetla koje emitiraju sjajni objekti što se sastoje od mnogo različitih atoma. Spektar vidljivog svjetla obuhvaća sve du-gine boje (doista, duga i jest spektar); ali ako se čisti element (kao što je natrij) zagrije na plamenu, emitira vrlo precizne valne duljine, ili boje, koje proizvode trag crta u spektru. U slučaju natrija, crte su u narančasto-žutom dijelu duge; ali svaki element (to jest, svaka vrsta atoma) proizvodi svoj prepoznatljivi motiv crta, jednako tako jedinstven kao što su otisci prstiju, i nalik bar-kodu. Kom-binacija boja koja se vidi u dugi posljedica je mnogih različitih vrsta atoma koji svi isijavaju na različitim valnim duljinama kako bi stvorili sunčevo svjetlo. Ova kombinacija obično se zbraja i daje privid bijelog svjetla, ali boje se razdvajaju prema tome kako se svjetlo svija unutar kišnih kapi ili, kao što je ispitivao isaac Newton, trokutaste staklene prizme.

e, sad, svjetlo je oblik energije, a energija u svjetlu koje emitiraju atomi mo-ra dolaziti iz atoma (jedan je od najosnovnijih fizikalnih zakona da se energija ne može stvarati iz ničega); premda čak i to pravilo ima svojih ograničenja, kao što ćemo vidjeti). Bohr je shvatio da energija dolazi od premještanja elektrona u vanjskom dijelu atoma6. elektroni imaju negativni naboj, a jezgra atoma ima pozitivan naboj te privlači elektrone slično kao što Zemljina gravitacija privla-či objekt. Ako nosite neki teret uza stube, morate vršiti rad (uložiti energiju) da biste pomakli teret dalje od središta Zemlje. Ako bacite teret kroz neki prozor na katu, ta se energija otpušta, pretvarajući se prvo u energiju kretanja tereta u padu, a onda, kad udari u tlo, u toplinu, blago zagrijavajući tlo tjerajući pritom atome i molekule na mjestu udara da se promeškolje. Bohr je primijetio da bi se energija na isti način izdvajala (u ovom slučaju, u obliku svjetla) ako bi se elek-tron iz vanjskog dijela atoma pomaknuo bliže jezgri. Ako neki elektron, koji je

6 Svjetlo je, stoga, doslovno atomska energija. Ono što je igrom povijesnih okolnosti postalo po-znato kao atomska energija zapravo bi trebalo nazivati nuklearnom energijom.


S v e m i r20

bliže jezgri, upije energiju (možda od svjetla, ili zato što se atom zagrije), iskočio bi van. No zašto bi se energija emitirala i apsorbirala samo na točno određenim valnim duljinama, koje odgovaraju točno određenim količinama energije?

U modelu, koji je razvio Bohr, elektron se promatra u kretanju oko jezgre, donekle slično tome kako planeti kruže oko Sunca. No, dok planet u principu može kružiti na bilo kojoj udaljenosti od Sunca, Bohr je rekao da su elektroni-ma »dopuštene« samo neke orbite – slično kao kad bi planet mogao imati orbitu Zemlje ili orbitu marsa, ali ni jednu orbitu između njih. A onda, predložio je Bohr, elektron bi mogao skočiti iz jedne u drugu orbitu (kao da mars skoči u Zemljinu orbitu) i pri tome emitirati određenu količinu energije (koja odgovara određenoj valnoj duljini svjetlosti). No ne bi mogao skočiti u neku međuorbitu niti emitirati neku međukoličinu energije jer međuorbite ne postoje. Naravno, postojala je i odgovarajuća matematička potpora za to, utemeljena na proučavanju spektara, a fizika se razvila dodatnim eksperimentima i promatranjima. No važ-no je što je Bohr pronašao model koji je vrlo dobro predviđao gdje bi trebale biti crte u atomskim spektrima, premda zamisao o onome što je postalo poznato kao »kvantizirane« orbite nije imala nikakvog smisla gledajući kroz naša svakodnevna iskustva. Također zbunjujuće, u skladu s ovim modelom, promjene se događaju kao da elektron nestane iz jedne i odmah se pojavi u drugoj orbiti, a da nikad ne prođe kroz prostor između njih. Premda je znanstvenicima trebalo dugo vreme-na da shvate ovu točku, Bohr je jasno pokazao kako model ne mora imati smisla da bi bio dobar model; samo treba predviđati (na temelju zdrave matematike i fizikalnih promatranja) koja se slažu s ishodima eksperimenata.

Bohrov model atoma danas se često smatra prilično slatkim i zastarjelim. Slika koju fizičari imaju o elektronu znatno se promijenila od njegova doba, po-najviše otkako se dvadesetih godina dvadesetog stoljeća otkrilo da se pod nekim eksperimentalnim uvjetima elektron ponaša kao da je val. Baš kao svjetlo (i, zapravo, kao svaka druga jedinka u kvantnom svijetu), postoji »valno-čestična dvojnost« u elektronu. Ne možemo reći da elektron jest val, niti da jest čestica, samo da se ponekad (predvidljivo, ne nasumce) ponaša kao da je val, a ponekad se ponaša kao da je čestica. Ovo je dovelo do zamisli da svi elektroni u pojedi-nom atomu zauzimaju mutan, difuzni oblak oko jezgre, dok se promjene energije u oblaku događaju suptilnije nego kada sitna čestica skakuće iz jedne u drugu orbitu. Ovo je profinjeniji model, koji jako dobro funkcionira ako želimo obja-sniti kako se atomi spajaju da bi načinili molekule, te stoga prožima cijelo naše moderno shvaćanje kemije. No, baš kao što je Newtonov model sve što trebamo znati o gravitaciji ako računamo putanju svemirske sonde koja ide na mjesec, ta-ko i Bohrov model još uvijek vrlo dobro funkcionira želimo li samo objasniti crte



koje se vide na spektrima zagrijanih materijala kao što je natrij (ili čak i Sunce). Stari modeli rijetko umiru, samo postanu ograničeno korisni.

To je sve što ćemo zasad reći o elektronima jer se u standardnom modelu elektron promatra kao jedna od osnovnih građevnih jedinica tvari – doista fun-damentalna jedinka koja se ne sastoji od manjih jedinica. Ali to ne vrijedi za jezgru. A osim »objašnjenja« – to jest pružanja radnog modela koji opisuje što je jezgra, standardni model također pruža uvide u sile koje djeluju između vrsta fundamentalnih entiteta o kojima obično razmišljamo kao o česticama.

Teško je izbjeći bar povremeno korištenje izraza »čestica« kad govorimo o fundamentalnim entitetima kao što su elektroni, i nećemo uvijek kvalificirati ovaj izraz. No važno je upamtiti kako korištenje ovog pojma ne znači da o tim objektima treba razmišljati samo kao o malim čvrstim kuglicama, ili koncen-traciji mase i energije u jednoj točki. One se doista tako ponašaju u nekim ek-sperimentima, ali u drugima ne. izraz »valočestica« ponekad se koristi kako bi se pokušalo objasniti narav dvojne valno-čestične prirode kvantnih objekata, ali nisam baš uvjeren da to funkcionira. S druge strane, fizičari imaju savršeno dobru alternativu za riječ »sila«, što je jako dobro, jer su kvantne »sile« u svakodnevnom smislu isto toliko čudne koliko i kvantne »čestice«.

Svi poznajemo dvije prirodne sile – gravitaciju i elektromagnetizam. Osje-ćamo kako nas Zemlja vuče prema dolje i iskusili smo kako magnet podiže me-talni predmet, ili smo nabili plastični češalj prolazeći njime kroz kosu pa zatim upotrijebili statički elektricitet koji smo tako bili stvorili da bismo podignuli sitne komadiće papira. No, kao što ti primjeri pokazuju, sile uvijek djeluju iz-među dva objekta (ili više njih) – Zemlja nas vuče prema dolje, magnet podiže čavao. Postoji interakcija između objekata o kojima je riječ, i to fizičarima omo-gućava njihov omiljeni izraz da bi opisali što se događa – interakcija. iz primjera koje smo naveli možda se čini da smo u svakodnevici iskusili tri interakcije, jer magnetizam i elektricitet imaju naizgled različite osobine. Ali u devetnaestom stoljeću, Škot James Clerk maxwell, oslanjajući se na radove Londonca michae-la Faradaya, otkrio je sklop jednadžbi koje opisuju i elektricitet i magnetizam u sklopu samo jednog modela. Zapravo to su različiti aspekti iste interakcije, kao dvije strane jednog novčića.

No postoji više pravih i važnih razlika između gravitacijske i elektromagnet-ske interakcije. Gravitacija je znatno slabija od elektromagnetizma. Na primjer, potrebno je privlačenje cijele Zemlje da bi čelična pribadača ostala na tlu, ali već i dječji magnet-igračka lako može prevladati to privlačenje i podići pribadaču. Budući da elektroni i atomske jezgre imaju električni naboj, a snaga gravitacij-skog privlačenja jednog atoma na drugi tako je sićušna da se može zanemariti,


S v e m i r22

sve bitne interakcije među atomima su elektromagnetske. Tako elektromagnetske sile drže tijelo na okupu, i omogućavaju da mišići rade. Ako podignemo jabuku sa stola, elektromagnetske interakcije u našim mišićima nadvladavaju gravitacij-sku interakciju između jabuke i cijele Zemlje. Doslovce, snažniji smo od cijelog planeta, zahvaljujući elektromagnetskim interakcijama.

No, premda je gravitacija slaba, ima vrlo dugačak domet. interakcija izme-đu Sunca i planeta drži planete u njihovim orbitama, a na sličan način i Sunce je dio sustava više stotina milijardi zvijezda koje tvore galaktiku u obliku diska, promjera otprilike sto tisuća svjetlosnih godina, koja se vrti oko svoga središta i drži se na okupu gravitacijom. U načelu, elektromagnetske interakcije su ta-kođer dalekog dometa. No druga razlika između njih i gravitacije jest u tome što se elektromagnetske interakcije pojavljuju u različitim vrstama, koje se me-đusobno poništavaju. U atomu pozitivni naboj jezgre poništava negativni naboj elektrona tako da s bilo kakve udaljenosti, koja je velika u usporedbi s veličinom atoma, atom djeluje kao da je električno neutralan, bez ikakvog naboja. Sjeverne magnetske polove, slično ovome, uvijek prate južni magnetski polovi, a premda magnetska polja objekata kao što su Sunce i Zemlja do neke mjere zaista dosežu u svemir, u kozmičkim proporcijama ne postoji neki opći magnetski utjecaj koji bi privlačio predmete na okup ili ih gurao na suprotne strane.

To je još jedno obilježje kojim se elektromagnetizam razlikuje od gravitacije. Gravitacija uvijek privlači. No, premda se suprotni električni naboji privlače, kao i suprotni magnetski polovi, slični naboji i slični polovi međusobno se odbijaju, što smo svi bili otkrili još kao djeca dok smo pokušali dva sjeverna pola dvaju različitih magneta nagurati jedan do drugoga. i tako, čak i prije nego što su po-čeli istraživati kvantno područje, fizičari su znali da interakcije (sile) mogu imati dug ili kratak domet, da ih se može povezivati s raznim vrstama »naboja», te da se mogu privlačiti ili odbijati. Još suptilnije, vidimo da sve interakcije ne utječu na sve jednako. izgleda da je gravitacija univerzalna i doista djeluje na sve. No električni i magnetski utjecaji djeluju samo na određene vrste objekata. Sve je to bilo korisno kad su fizičari počeli istraživati jezgru atoma.

Jezgru atoma znanstvenici istražuju tako što ispaljuju zrake ili – budući da nemamo boljeg izraza – čestice na jezgre i subnuklearne čestice, i mjere način na koji se odbijaju. Što više energije ima u ulaznim česticama, to se finije po-drobnosti mogu razaznati na »meti«. isprva, početkom dvadesetog stoljeća, to se radilo koristeći čestice koje prirodno nastaju radioaktivnim procesima. Kako se tehnologija razvijala, ova je tehnika postala profinjenija, uzimajući čestice kao što su elektroni i ubrzavajući ih do vrlo visokih energija koristeći magnetska po-lja u strojevima koji se (sasvim logično) zovu ubrzivačima čestica. To je dovelo



do razvoja ogromnih ubrzivača kao što su oni u CerN-u, pokraj Ženeve, gdje se vrhunsko istraživanje prirode tvari i interakcija (»prirodnih sila«) nastavlja i danas, te će se spominjati i kasnije u ovoj knjizi.

Nakon otkrića jezgre, u eksperimentima koji su se provodili u Cambridgeu početkom drugog desetljeća dvadesetog stoljeća, sljedeći korak u ovom procesu bio je dvadesetih godina s otkrićem da jezgra na ovakva ispitivanja odgovara kao kugla sastavljena od dvije vrste čestica, protona i neutrona, naguranih zajedno kao vrlo gust grozd grožđa. Jezgra najjednostavnijeg atoma, vodika, zapravo se sastoji od samo jednog protona, ali sve druge jezgre imaju u sebi i neutrone i pro-tone – u slučaju najuobičajenije verzije uranija, 92 protona i 146 neutrona. Svaki proton ima količinu pozitivnog naboja koja je po veličini jednaka količini nega-tivnog naboja u jednom elektronu, tako da u neturalnom atomu nalazimo točno jednak broj protona i elektrona. Svaki neutron je, kao što mu samo ime govori, električno neutralan. Očito je pitanje: zašto interakcija odbijanja među svim tim pozitivno nabijenim protonima ne raznese jezgru? Očiti odgovor, koji su kasnije potvrdili i eksperimenti, jest da mora postojati i neka dotad neslućena privlačna interakcija koja nadjačava električno odbijanje i drži jezgru na okupu. Kako je ta interakcija snažnija od elektromagnetske interakcije, postala je poznata kao jaka interakcija, međudjelovanje (ili jaka sila). A budući da se daleko od jezgre ne mo-že otkriti nikakav trag njezina utjecaja, postalo je jasno da ona mora imati vrlo kratak domet, s utjecajem koji se pruža samo do promjera krupne jezgre. Zato ne postoje jezgre koje bi bile znatno veće od uranija. Ako želimo slikovni model, pokušamo li nagurati više od 240 protona i neutrona na hrpu, protoni na suprot-nim stranama kugle još uvijek se jako međusobno odbijaju zbog elektromagnetske interakcije, ali su predaleko da bi osjetili privlačenje jake interakcije.

energija koja je potrebna da bi se zavirilo u protone i neutrone (koje zajednič-ki nazivamo nukleonina) toliko je velika da su trebala desetljeća – od tridesetih do šezdesetih godina dvadesetog stoljeća – da dobijemo pouzdan model onoga što se događa unutar tih čestica. Slika koja se pojavila bila je u skladu s mode-lom u kojem se svaki nukleon sastoji od tri fundamentalne jedinke (isto onoliko fundamentalne koliko i elektroni), koje su nazvane kvarkovima. eksperimenti tijekom kojih su proučavani protoni i neutroni poduprli su predviđanja mode-la prema kojem postoje dvije vrste kvarkova, nazvane »gornji« i »donji«; proton, smatra se, sastoji se od dva gornja i jednog donjeg kvarka, dok se neutron sastoji od dva donja i jednoga gornjeg kvarka. S nabojem od 1/3 naboja jednog elektro-na, koji je dodijeljen svakom donjem kvarku, i od 2/3 naboja na protonu, koji je dodijeljen svakom gornjem kvarku, zbroj koji se dobije objašnjava naboje uočene na protonima i neutronima.


S v e m i r24

No zašto nikad nije pronađen pojedinačni kvark, ili bilo koja druga česti-ca s »razlomačkim« nabojem? model to objašnjava (a eksperimenti podupiru tu pretpostavku) pretpostavkom da su parovi ili trojke kvarkova »ograničeni« na složene čestice, kao što su protoni i neutroni, interakcijom koja postaje to jača što su kvarkovi udaljeniji. i gravitacija i elektromagnetizam postaju sve slabiji na velikim udaljenostima, ali svi poznamo i silu koja postaje sve jača na velikim udaljenostima. Ako rastegnemo običnu elastičnu vrpcu, ona će se to jače opi-rati našim naporima što je više rastežemo, sve do točke kad pukne. Kvarkovi se ponašaju kao da ih uz njihove neposredne susjede drže opuštene elastične vrpce koje labavo klaparaju po unutrašnjosti jezgre, ali ih oštro povlače natrag ako se odmaknu jedni od drugih. Analogiju možemo produžiti čak i na pucanje ela-stičnih vrpci. Ako u pomicanje jednog kvarka uložimo dovoljno energije – na primjer, ako ga udari čestica izvana koja se brzo kreće u eksperimentu unutar ubrzivača – interakcija s njegovim susjedima doista će pući. No u skladu s ein-steinovom slavnom jednakošću E = mc2, ovo se događa samo ako ima dovoljno viška energije E da se stvore dva nova kvarka (svaki s masom m). Sva dodatna energija ide na stvaranje novih kvarkova, sa svake strane pukotine, tako da sve-jedno ne otkrivamo izolirani kvark.

Ova priča o stvaranju čestica iz čiste energije (ako hoćete, m = E/c2 umjesto E = mc2) od ključne je važnosti u našem razumijevanju subatomskog svijeta. U sudaračima čestica, zrake energetskih čestica sudaraju se ravno jedna o drugu, ili udaraju u nepomične mete. Kad se ovo dogodi, čestice koje su se brzo kretale staju, a energija kretanja koja je uložena u čestice otpušta se u obliku kiše novih čestica. To nisu čestice koje su na bilo koji način bile prisutne »unutar« izvornih čestica a sudar ih je izbacio van; to su nove čestice, koje su doslovce stvorene od čiste energije. Čestice koje se ovako stvore većinom su nestabilne, i raspadaju se u manje masivne čestice, na kraju na poznate protone, neutrone i elektrone. No način kako se raspadaju pruža naznake o njihovoj vlastitoj internoj strukturi, a to je dovelo do poboljšanja standardnog modela. Prvi korak bio je – pronaći model kojim će se opisati jaka interakcija.

interakcija koja ograničava kvarkove na unutrašnjost jezgre danas se promatra kao prava jaka interakcija; sila između nukleona, izvorna jaka interakcija, smatra se slabijim tragom ove prave jake interakcije, koja curi iz nukleona i utječe na njihove susjede. Kad su dokazi u korist modela kvarkova postali uvjerljivi, fizičari su ubrzo uspjeli pronaći model jake interakcije koja djeluje među kvarkovima, jer su još četrdesetih godina razvili vrlo precizan model načina kako električno nabijene čestice, kao što su elektroni i protoni, utječu jedna na drugu elektro-magnetskom interakcijom.



Ovaj model zasnovan je na ideji polja, koje nam je poznato iz konteksta ma-gnetskog polja – utjecaj koji se širi kroz prostor iz nekog izvora. U slučaju ma-gnetskog polja možemo čak dobiti i vizualnu sliku onoga što se događa stavimo li pločicu magneta pod list papira, pospemo papir željeznom piljevinom, te ga blago prodrmamo da bismo vidjeli kako se piljevina postavlja po zavojitim cr-tama koje slijede »linije sile« magnetskog polja. Budući da moderna teorija polja uključuje zamisli iz kvantne fizike, nazivamo je kvantnom teorijom polja. Spe-cifični dio kvantne fizike, koji ulazi u teoriju elektromagnetske reakcije, govori da svjetlo7 dolazi u obliku kvanta po imenu fotoni. U jeziku kvantne fizike, fo-toni se nazivaju kvantima polja i smatra ih se djelićima polja koji su »uzbuđeni« ulaskom energije.

Tridesetih godina dvadesetog stoljeća fizičari su razvili zamisao da bi se elek-tromagnetsku interakciju moglo opisati kao razmjenu fotona između nabijenih čestica. rana verzija ovog modela predviđala je ponašanje nabijenih čestica koje je bilo blizu osobinama primijećenim tijekom eksperimenata, ali nije se do kraja poklapalo s mjerenjima onoga što se događa u interakcijama između nabijenih čestica. No četrdesetih godina ova razilaženja su razriješena i pojavila se moder-na teorija kvantne elektrodinamike (QeD), uvodeći jedan od čudnijih aspekata kvantnog svijeta, poznat kao neodređenost.

Kvantna je neodređenost zapravo vrlo precizna. Zamisao je razvio njemački fizičar Werner Heisenberg krajem dvadesetih godina, izvorno u odnosu na dvije poznate osobine čestica – njihov položaj i njihovu količinu gibanja (to jest mjeru smjera u kojem se kreću i koliko brzo se kreću). Danas smo naviknuti na pomi-sao da u načelu istovremeno možemo izmjeriti i položaj i gibanje nekog predmeta (kao što je arhetipska biljarska kugla). Znamo i gdje se objekt nalazi i kamo ide u isto vrijeme. Heisenberg je shvatio da se kvantni objekti, kao što su elektroni i fotoni, ne ponašaju tako – što naknadno postaje očito ako malo promislimo o valno-čestičnoj dualnosti. Položaj je definitivno tipična osobina čestice, ali valovi nemaju precizan položaj u prostoru. Ako kvantna jedinka ima (ili se ponaša kao da ima) aspekte i čestice i vala u svojoj prirodi, nije nikakvo iznenađenje otkri-jemo li da je nikad ne možemo precizno locirati na jednoj točki.

Heisenberg je otkrio da je količina neodređenosti u položaju kvantnog enti-teta (neodređenost u tome gdje je) povezana s količinom neodređenosti u njezi-nu gibanju (neodređenost u tome kamo ide) na takav način da smo, što je njen položaj preciznije ograničen, manje sigurni u njeno gibanje i obrnuto. Te dvi-je neodređenosti matematički su povezane jednadžbom koju danas znamo kao

7 »Svjetlo« u ovom kontekstu ne znači samo vidljivo svjetlo nego bilo koji oblik elektromagnetskog zračenja, uključujući radiovalove, rendgenske zrake i tako dalje.


S v e m i r26

Heisenbergovo načelo neodređenosti. A u obzir moramo uzeti činjenicu da ta neodređenost nije rezultat ljudske nespretnosti ili neodgovarajućih eksperimenata koje konstruiramo kako bismo mjerili pojave poput elektrona. Ona je ugrađena u samu prirodu kvantnog svijeta. elektron doslovno nema precizan položaj ni pre-cizno gibanje. elektron ograničen na jedan atom, na primjer, prilično je precizno lociran u prostoru, ali njegovo se gibanje stalno mijenja dok se on miče po elek-tronskom oblaku atoma; elektron, koji se kreće kroz prostor kao val, može imati vrlo precizno gibanje, ali nigdje na tome valu ne postoji »u određenoj točki«.

Koliko god ovo bilo čudno, još nije kraj priče. ista vrsta kvantne neodređe-nosti prenosi se i na druge parove osobina u kvantnom svijetu, a jedan od tih parova su energija i vrijeme. Heisenbergovo načelo neodređenosti, kombinirano s einsteinovom specijalnom teorijom relativnosti (koja govori o prostoru i vre-menu) kazuje da, ako neki volumen naizgled praznog prostora promatramo ne-ko određeno vrijeme, ne možemo biti sigurni koliko energije sadrži. Ne samo da »mi« ne možemo biti sigurni; kao ni s položajem ni brzinom, ni Priroda to ne zna. Tijekom dugog vremenskog perioda možemo biti sigurni da je prostor prazan (ili gotovo prazan). Ali što su kraći vremenski periodi u pitanju, to manje možete biti sigurni u količinu energije unutar toga volumena. U dovoljno kratkom vre-menskom intervalu energija može ispuniti cijeli volumen, pod uvjetom da opet nestane unutar vremenskog ograničenja određenog načelom neodređenosti.

Ova energija može biti u obliku fotona, koji se pojavljuju niotkuda i smjesta opet nestaju. ili čak može biti u obliku čestica, kao što su elektroni, pod uvjetom da postoje samo u onom kratkom bljesku vremena koji dopušta načelo neodre-đenosti. Takve jedinke kratkog životnog vijeka poznate su još i kao »virtualne« čestice, a cijeli se proces naziva »fluktuacijom vakuuma«. U ovom modelu »prazan prostor« ili »vakuum« promatra se kao da kipti od aktivnosti u kvantnim razmje-rima. Podrobnije govoreći, nabijena čestica kao što je elektron ugrađena je u more virtualnih čestica i fotona, i čak i u svome kratkom životnom vijeku te čestice uspostavljaju interakciju s elektronom. Kad je QeD prilagođen tako da uzme u obzir ovo more virtualnih čestica, dao je predviđanja koja su se točno podudarala s osobinama nabijenih čestica mjerenih tijekom eksperimenata. Zapravo, ekspe-rimenti i model podudarali su se do preciznosti od jedan naprema 10 milijardi, odnosno 0,00000001 posto. Jedini razlog zbog čega preciznost nije još veća jest to što nismo smislili eksperimente koji bi mogli još preciznije testirati model. To je najpreciznije poklapanje između teorije i eksperimenta za bilo koji znanstveni model testiran na Zemlji; čak ni Newtonov zakon gravitacije nije testiran s toli-kom preciznošću. Prema toj mjeri, QeD je najuspješniji model u cijeloj znanosti.



A slaganje je toliko dobro samo ako se uključi djelovanje kvantne neodređenosti, uzburkani vakuum i virtualne čestice. Cijeli model prolazi test.

Nije stoga iznenađenje što su fizičari, kad su htjeli razviti model interakcije između kvarkova, jake interakcije, uzeli QeD kao osnovu i pokušali iznaći slič-nu teoriju kvantnog polja. U ovom modelu polja kvanta koja su odgovorna za prenošenje jake interakcije zovu se gluoni jer lijepe8 kvarkove na hrpu. Kao što se fotoni povezuju s električnim nabojem, gluoni se povezuju s drugom vrstom naboja, koja se naziva bojom, premda nema nikakve povezanosti s bojom u sva-kodnevnom smislu te riječi. Dok električni naboj dolazi u samo dvije varijante, pozitivnoj i negativnoj, naboj boje dolazi u tri vrste, nazvane crvena, plava i ze-lena. Dakle, da bi model jake interakcije funkcionirao, trebamo osam različitih vrsta polja kvanata, dok s elektromagnetizmom trebamo samo jednu vrstu, fo-tone. Osim toga, za razliku od fotona, gluoni imaju masu.

model jake interakcije zasnovan na QeD-u naziva se kvantna kromodina-mika, ili QCD, jer tako koristi nazive boja. Zbog komplikacija koje uzrokuje velik broj vrsta kvantnih polja i činjenice da imaju masu, QCD ne daje predvi-đanja koja se podudaraju s eksperimentima onako precizno kao što je to slučaj s QeD-om, što je naznaka da standardni model nije i posljednja riječ fizike. No to je najbolji model koji imamo za ono što se događa u tvari kao što su protoni i neutroni.

Polja kvanta, kao što su fotoni i gluoni, skupno su znana kao bozoni (u čast indijskog fizičara Sayendra Bosea), dok su one vrste jedinki koje smo navikli sma-trati česticama, kao što su elektroni i kvarkovi, znane kao fermioni (po Talijanu enricu Fermiju). Kao što se o bozonima može razmišljati kao o poljima kvanta, tako se fermione može promatrati kao kvante povezane s »poljima tvari« koja is-punjavaju sav prostor, dodatno zamućujući razliku između »čestica« i »sila«. Ali te razlike doista postoje. Glavna razlika između ovih dviju obitelji je što se bozone može neograničeno stvarati iz čiste energije – kad god upalite svjetlo, milijarde i milijarde svježe stvorenih fotona nagrnu u prostoriju. No ukupan broj fermiona u svemiru nije se, koliko znamo, promijenio još od velikog praska. Jedini način da od energije napravimo »novi« fermion, kao što je elektron, jest da u isto vrije-me stvorimo i zrcalnu sliku, antičesticu (u ovom slučaju, pozitron). Čestica koja je zrcalna slika ima suprotne kvantne osobine (koje u ovom slučaju uključuju pozitivan električni naboj umjesto negativnog) tako da se njih dvije međusobno poništavaju što se tiče prebrojavanja fermiona, jer jedan negativan i jedan pozi-tivan u zbroju daju ništicu. Kasnije ćemo još govoriti o antimateriji.

8 glue, eng = ljepilo. (nap. prev.)


S v e m i r28

Dosad smo identificirali tri različita fermiona – elektron, gornji kvark i do-nji kvark. Također, identificirali smo i tri različite vrste interakcija – gravitaciju, elektromagnetizam i jaku interakciju. Ali postoji još jedan fermion i još jedna interakcija koje valja dodati na popis. Ovi dodaci standardnom modelu potreb-ni su da bi se objasnio fenomen prvi put uočen još u devetnaestom stoljeću, ali zadovoljavajuće matematički opisan tek šezdesetih godina dvadesetog stoljeća. Naziva se beta-raspadom, a uključuje proces u kojem se elektroni (koji su nekad bili poznati kao beta-zrake) izbacuju iz atoma. Tako je dugo trebalo da shvatimo što se događa jer se činilo da se priroda fenomena mijenja kako su fizičari zalazili dublje u strukturu atoma.

Na jednoj razini nije iznenađenje što atomi mogu izbacivati elektrone bu-dući da svi atomi sadrže elektrone. No eksperimenti su pokazali da elektroni koji sudjeluju u beta-raspadu zapravo dolaze iz jezgre atoma, a jezgre ne sadrže elektrone, već samo neutrone i protone. A onda su eksperimentatori otkrili da u beta-raspadu neutron ispljune elektron i pretvori se u proton. Nema promjene u ukupnom električnom naboju svemira budući da se pozitivno i negativno po-ništavaju, ali čini se da je stvoren jedan dodatni fermion. Osim toga, kako bi se uravnotežila energija i gibanje izbačenog elektrona, činilo se da bi morala posto-jati i neka nevidljiva čestica koja leti od neutrona u raspadu u suprotnom smjeru. Obje te zagonetke riješene su početkom tridesetih godina pretpostavkom da se, kad se u beta-raspadu od energije stvori elektron, istovremeno stvara i partnerski fermion po imenu neutrino (točnije govoreći, da bi se uravnotežio broj fermiona, antineutrino. Budući da neutrini nemaju naboja i imaju tek vrlo sićušnu masu, potrajalo je do pedesetih godina da se ova pretpostavka (koju je iznio austrijski fizičar Wolfgang Pauli) potvrdi i eksperimentom, ali ipak je potvrđena. No čak je i tada bilo jasno da ni elektron ni neutrino ne postoje »unutar« neutrona: tije-kom beta-raspada unutarnja struktura neutrona razmješta se kako bi oslobodila energiju, u obliku tih dviju čestica, te pretvorila neutron u proton.

Ovo se danas shvaća pomoću kvarkova. Neutron sadrži dva donja i jedan gornji kvark, dok proton sadrži dva gornja i jedan donji kvark. Donji kvark ima negativan električni naboj 1/3 količine naboja elektrona, a gornji kvark ima po-zitivan električni naboj 2/3 količine naboja elektrona. Dakle, ako se donji kvark pretvori u gornji, točno jedna negativna jedinica naboja mora se izbaciti, a od-sustvo tog negativnog naboja, u prekrasnom primjeru kako dva negativna daju pozitivan, ostavlja za sobom ukupnu ravnotežu jedne jedinice pozitivnog naboja; neutron postaje proton. Negativni naboj izbacuje se preko elektrona, a dio viška energije odnosi antineutrino. i ukupan broj fermiona i ukupna količina električ-nog naboja u svemiru ostaju nepromijenjeni. Budući da je masa donjeg kvarka



veća od mase gornjeg kvarka, a masa je ekvivalentna energiji, sve se uravnotežu-je. Pod uvjetom, naime, da postoji neka dodatna interakcija koja bi se odvijala među česticama.

Ta »nova« interakcija postala je poznata kao slaba interakcija (jer nije onako jaka kao jaka interakcija), a razvijena je da bi pružila uvid u procese koji uklju-čuju radioaktivno raspadanje (kad se jezgre raspadaju) i nuklearnu fuziju (kad se jezgre spajaju da bi napravile složenije jezgre, kao što se događa u zvijezda-ma). Kako bi odgovarala podacima iz eksperimenata, slaba interakcija zahtijeva postojanje triju vrsta bozona, W+ i W- od kojih svaki nosi odgovarajuću jedinicu električnog naboja, i Z, koji je električno neutralan. Tako ovo postaje matema-tički lakše obuhvatiti nego što je to slučaj s QCD-om, ali kompliciranije nego što je QeD. Premda teorija slabe interakcije danas opisuje znatno više od običnog beta-raspada, da bismo dovršili ovu priču, moderna slika beta-raspada proma-tra donji kvark kako emitira energiju u obliku W- bozona i pretvara se u gronji kvark, a zatim, nakon vrlo kratkog vremena, energija W- pretvara se u masu u obliku jednog elektrona i jednog antineutrina.

Kao i gluoni, čestice W i Z imaju masu, i njihova se masa može predvidjeti prema modelu. Jedan od onih velikih trijumfa standardnog modela bio je kad su početkom osamdesetih godina te čestice otkrivene u laboratoriju CerN-a, nedaleko od Ženeve, i kada se otkrilo da imaju točno onakvu masu kakvu je predvidio model. Dotad je međutim standardni model u nekim pogledima po-stao kompliciraniji, a u drugima jednostavniji.

Bit standardnog modela opisuje poznati fizikalni svijet uz pomoć samo četi-riju čestica9 i četiriju interakcija. Četiri čestice su elektron i neutrino (zajednički poznati kao leptoni te gornji i donji kvarkovi. Četiri interakcije su gravitacija, elektromagnetizam, te slaba i jaka nuklearna interakcija. To je sve što fizičarima treba da bi objasnili svaku prirodnu pojavu na Zemlji te funkcioniranje Sunca i svih zvijezda koje vidimo na nebu. No iznenadili su se kad se ispostavilo da to nije dovoljno kako bi objasnili sve što uočavaju u neprirodnim uvjetima procesa visoke energije koji se odvijaju u njihovim ubrzivačima čestica.

Doista se čini da u svemiru djeluju samo četiri interakcije. iznenađuje što se svijet čestica izgleda ne samo udvostručuje već i utrostručuje pri visokim energi-jama. Ako je dostupno dovoljno energije, moguće je proizvesti kratkoročne ma-sivne dvojnike svima četirima osnovnim česticama, u dvije dodatne generacije. Prvo, postoji teški dvojnik elektrona po imenu muon, i s njime povezan muonski neutrino, i dva teža kvarka, koji se nazivaju »šarmantni« i »čudni«; zatim je tu

9 mislimo na četiri vrste čestica, naravno, ali bilo bi naporno svaki puta to naglašavati!


S v e m i r30

jedan još teži »elektron« zvan tau, sa svojim vlastitim tau neutrinom, te dva vrlo teška kvarka, zvana »vrh« i »dno«. Profinjeni eksperimenti u CerN-u dokazali su da je ovo kraj priče; koliko god energije unijeli u sudar čestica, nikad nećemo napraviti četvrtu generaciju čestica.

Kad se teže čestice proizvode u ubrzivačima, odmah se raspadaju, stižući na kraju do poznatih čestica prve generacije. Tako su u današnjem svijetu one samo od akademskog interesa. Ali u energetskim uvjetima ranog svemira morale su nastajati u velikim količinama i utjecale su na razvoj svemira. No, nitko ne zna zašto bi svemir bio tako rastrošan i dopustio postojanje težih verzija osnovnog skupa četiriju osnovnih čestica. Još jedan znak da standardni model nije posljed-nja riječ fizike.

No nemojte očajavati. Još dok je u sebe uključivao ove nimalo dobrodošle do-datke u vrt čestica, standardni je model iz sheme eliminirao jednu od interakcija i ukazivao na način kako bi se moglo eliminirati druge.

Osim mase i naboja čestica, jednadžbe koje opisuju W i Z bozone, kao če-stice povezane sa slabim poljem, vrlo su slične jednadžbama koje opisuju foton kao česticu povezanu s elektromagnetskim poljem. A električni naboj već su maxwellove jednadžbe opisale kao elektromagnetizam. Šezdesetih godina dva-destog stoljeća fizičari su shvatili da bi, kad bi pronašli način da dodaju masu fo-tonima, imali samo jedan sklop jednadžbi koji bi bio opisao i elektromagnetsko i slabo polje – spojili bi ta dva polja u jednu »elektroslabu« interakciju. Potraga za ujedinjavanjem dviju interakcija dovela je teoretičare do nekoliko slijepih ulica prije nego što su pronašli zadovoljavajući model10. model koji su pronašli, sad već ključna komponenta standardnog modela, zapravo je razvijen tijekom jednoga ekspermenta britanskog fizičara Petera Higgsa, koji je radio u CerN-u i poku-šavao pronaći model za jaku interakciju – premda su, kao što je danas čest slučaj u znanosti, mnogi također sudjelovali u razvoju zamisli.

Zamisao na koju je nadošao Higgs bila je da su sve čestice same po sebi bez mase, ali da postoji dotad neslućeno »novo« polje, koje ispunjava cijeli svemir, i koje djeluje na čestice dajući im masu. To se polje danas zove Higgsovo polje. Lako je predočiti što se događa ako zamislimo kako bi se ponašanje svemirske letjelice promijenilo kad bi svemir doista bio pun nekog nevidljivog plina, poput zraka. U praznom prostoru, ako motori rakete ili svemirske sonde pružaju rav-nomjeran potisak na sondu, ona će ravnomjerno ubrzavati tako dugo dok motori rade. Ali kad bi se sonda kretala kroz posve ujednačeno polje plina, kad bi motori djelovali isto tako ravnomjerno, sonda ne bi ubrzavala tako hitro zbog trenja od

10 »Zadovoljavajući«, kao i uvijek, znači da daje predviđanja koja se poklapaju s rezultatima ekspe-rimenata.



plina. Učinak bi bio isti kao da je sonda teža (masivnija) nego što zapravo jest. Slično tome, čestice bez mase, koje se kreću kroz Higgsovo polje, osjećaju »tre-nje« koje kao da im daje masu, a egzaktna masa ovisi o prirodi pojedine čestice i snazi utjecaja koji osjeća od Higgsova polja.

Taj model daje predviđanja o masama W i Z čestica i, kao što smo već spo-menuli, u eksperimentima provedenim 1984. godine u CerN-u, postignute su energije pri kojima se potrebna masa mogla proizvesti u skladu s E = mc². Če-stice su pronađene točno kako je predviđeno, i s točno odgovarajućim masama. Jedan je to od najvećih uspjeha standardnog modela. Ali taj model daje i jedno ključno predviđanje koje još nije testirano.

Prema njemu, kao i sva polja, i Higgsovo polje mora imati česticu povezanu sa sobom – Higgsov bozon. Ta je čestica prevelike mase da bi je se moglo pro-izvesti tijekom bilo kojeg eksperimenta koji je dosad proveden na Zemlji. No 2007. godine trebao bi početi s radom novi ubrzivač na CerN-u, nazvan veliki hadronski sudarač ili LHC. Bar dio predodžbe o naporima koji su potrebni da bi se na ovoj razini proučavala priroda svemira može se steći po veličini i cijeni LHC-a. Ukopan stotinu metara ispod zemlje, nalazi se kružni tunel opsega 27 kilometara, isklesan u čistoj stijeni, a LHC će uzeti zrake protona, već unaprijed ubrzanih do visoke energije u postojećim akceleratorima u CerN-u, i poslati ih u suprotnim smjerovima po prstenu da se izravno sudare pri energiji sudara od 14 teraelektronvolti (Tev; 1 Tev iznosi 1000 milijardi elektronvolti). To je otpri-like ista energija kao i (kinetička energija) kretanja komarca u letu – ali zgurana u volumen 1000 milijardi puta manji od komarca. To je otprilike ista energija kao energija (kinetička) kretanja komarca. A to je dovoljno energije da bi se od čiste energije stvorilo 1000 protona. LHC će također biti u stanju sudariti zrake olovnih jezgri jednu u drugu, pri energijama malo višim od 1000 Tev. Koristit će 1296 supervodičkih magneta i 2500 drugih magneta da bi vodio i ubrzavao zrake čestica, a košta, zaokruženo govoreći, oko 5 milijardi eura (malo manje od 3,5 milijarde funti). To je cijena koju moramo platiti želimo li testirati standardni model. Ako je standardni model doista točan, LHC bi trebao početi proizvoditi Higgsove čestice ubrzo nakon što postigne puno radno stanje. Ako se pronađu Higgsove čestice, kao što je predviđeno, to će standardni model učiniti još sigur-nijim, a Peter Higgs će zacijelo dobiti Nobelovu nagradu; ako se ne pojavi s pred-viđenom masom, otvorit će se put prema boljem modelu subatomskog svijeta.

Tako standardni model fizike čestica, ono što mislimo da znamo, sad uključu-je četiri osnovne čestice u dva para (elektron i proton, gornji i donji kvark), koje se (iz nepoznatih razloga) ponavljaju u još dvije generacije. Također, uključuje samo tri interakcije (gravitaciju, elektroslabu interakciju i jaku interakciju), plus


S v e m i r32

Higgsovo polje. Ovaj kompletić objašnjava sve na Zemlji, i kako funkcioniraju zvijezde. No fizičari žele učiniti više. Žele objasniti odakle svemir i kako su na-stale zvijezde i planeti. Kao što ćemo vidjeti u 3. poglavlju, postoje čvrsti dokazi da je svemir nastao prije 14-ak milijardi godina, u vreloj vatrenoj kugli koja je uključivala znatno veće energije nego što ih mi možemo postići tijekom svojih eksperimenata. i zato, kako bismo pokušali shvatiti odakle je svijet došao i, ko-načno, odakle smo mi došli, teoretičari moraju ići dalje od standardnog modela, do onoga što mislimo da znamo.



“Natalie Angier ima kombinaciju talenata koji njezinu najnoviju

knjigu, Kanon, čine nezaobilaznim iskustvom. Njezino vladanje

jezikom posramljuje i pjesnike, njezino shvaćanje funkcioniranja

znanosti pokazuje radost i ljepotu otkrića, vrlinu za koju sam

mislio da je imaju samo znanstvenici. Kako se usuđuje pisati

tako vješto, objašnjavati tako jasno, prikazujući nas znanstvenike

istodobno ponosnima i neartikuliranima!”

LEON LEDERMAN

Dobitnik Nobelove nagrade

John Gribbin

Svemirbiogra� ja

JOH

N G

RIB

BIN

Sve

mir

S JEDINSTVENOM INTELIGENCIJOM i bogatst-

vom izričaja koji su njezinu knjigu Woman učinili

međunarodnom senzacijom, Natalie Angier

vodi nas na zavojit put znanstvenoga kanona.

Svoje zaključke izvodi iz razgovora sa stotinama

svjetski priznatih znanstvenika i vlastitog, Pulit-

zerovom nagradom ovjenčanoga, novinarskog

rada koji možemo čitati na stranicama dnevnog

lista New York Times, kojima stvara temeljit, ali

i zabavan vodič prema znanstvenoj pismenosti.

U časopisu People kažu: “Angierova ima taj ri-

jetki dvostruki dar: istinsku strast za znanost

kombiniranu s poetskom vještinom vladanja

jezikom.” Ti darovi do punog su izražaja došli u

knjizi Kanon, toj kipućoj proslavi znanosti koja

teži postati klasikom.

Kanon je važno štivo za svakoga tko želi postići

bolje razumijevanje velikih problema našega

vremena — od matičnih stanica, ptičje gripe do

evolucije i globalnog zatopljenja. To je i knjiga

za svakog roditelja, koji se uspaničio kad ga je

dijete pitalo kako je nastala Zemlja i što je zapra-

vo električna struja. Iskričava proza Angierove i

njezine pamtljive metafore znanost čine živom

te ponovno pokreću naše djetinje uzbuđenje

u otkrivanju načina na koji svijet funkcionira.

“Naravno, morate poznavati znanost”, piše An-

gierova, “iz istog razloga zbog kojeg dr. Seuss

savjetuje svoje čitatelje da pjevaju s Yingom ili

igraju Ring s Gackom: te stvari su zabavne, a za-

bava je dobra.”

Kanon je zabavna vožnja kroz veće znanstvene

discipline: fi ziku, kemiju, biologiju, geologiju

i astronomiju. Čitajući knjigu učimo što se

NATALIE ANGIER piše o biologiji za New

York Times, za što je dobila Pulitzerovu

nagradu, priznanje Američke udruge za

unapređenje znanosti novinarstva, i druge

nagrade. Napisala je knjige The Beauty of

the Beastly, Natural Obssesions i Woman:

An Intimate Geography — koja je brzo sti-

gla na popis najprodavanijih naslova New

York Timesa, postala � nalisticom američke

Nacionalne književne nagrade te proglaše-

na knjigom godine prema izboru Los Ange-

les Timesa, Chicago Tribunea, Peoplea, ra-

diopostaje National Public Radio, časopisa

Village Voice i tjednika Publishers Weekly,

između ostalih. Angierova živi sa suprugom

i kćeri nedaleko od Washingtona.

ISBN 978-953-14-0675-8139,00 kn

www.mozaik-knjiga.hr

Svemir biografija.indd 1 1.6.2010 9:18:07

Documents

Svemir - biografija