/ Paradoks je samo konflikt između stvarnosti i onoga što vi očekujete da stvarnost jeste /
.
Džon Viler (John Wheeler)
.
Ukoliko govorimo o kvantnoj fizici, odnosno kvantnoj mehanici, samo jedna stvar u vezi s njom apsolutno je izvesna – ona je veoma, veoma neobična. Štaviše, do te mere je paradoksalna i suštinski čudnovata da često biva gotovo nemoguće razlučiti da li se neki fenomen može smatrati lokalnim, ili ne. Evo, da bismo osvetlili ovu apstraktnu promisao, pokušajmo da zamislimo jednu krajnje svakodnevnu situaciju, ali u kvantnim okolnostima: osećate glad i odlučujete da potražite najbliži restoran putem aplikacije vašeg pametnog uređaja. Međutim, umesto jasnog, očekivanog i praktičnog odgovora koji će vam olakšati život u smislu brzog dolaženja do vaše omiljene hrane vi dobijate soluciju koja je duboko ukorenjena u kvantnim principima, jer: najbolja pica može se naći negde između planete Zemlje, naše Kumove slame, i galaksije TGSS J1530+1049. Dakle, bez obzira na sav vaš trud i želju, vi nikada nećete moći sa sigurnošću da utvrdite tačnu lokaciju pice za kojom tragate i gde se ona, kao takva, može pazariti i pojesti, a da sve to istovremeno bude u nekom smislenom vremenskom okviru. A ono što dodatno (?!) komplikuje celu ovu zavrzlamu jeste i činjenica da čak i ako biste nekim čudom stigli do te pangalaktičke pice svih pica, ona možda i ne bi bila naročito ukusna vašim nepcima, jer razlog tome leži u kvantnoj specifičnosti dâ, sve dok je ne posmatrate, ta pica istovremeno postoji u svim mogućim stanjima u kojima jedna pica može postojati, te – ona je istovremeno i pečena i sirova i hladna i zagorela, ali i savršeno pripremljena.
Na svu sreću, pice, kao i mnogi drugi predmeti koji čine svet nama poznatih razmera, u najvećoj meri su izuzete od uticaja kvantnih efekata. Naš svakodnevni svet, onaj koji intuitivno razumemo, u kojem egzistiramo i na koji se u potpunosti oslanjamo, stabilan je i logičan upravo zato što je u najvećoj mogućoj meri podređen zakonima klasične fizike, a ne kvantne. Međutim, ta naša poznata stvarnost počinje da se raspada onda kada se upustimo u istraživanje univerzuma na najsitnijim mogućim razinama — na kvantnom nivou. Na tim nezamislivo malim skalama prostiranja prostorvremena i stvarnosti uopšte (ako o njoj tu uopšte i možemo pričati) pojmovi poput čvrstoće i generalne stabilnosti svih struktura gube svoje standardno značenje, ono na koje smo racionalno naviknuti i čija ponašanja intuitivno očekujemo. Tako materija, za razliku od naše svakodnevne percepcije, na kvantnom nivou prestaje da bude čvrsta i postaje statistički oblak verovatnoće i tek mogućnosti njenog ispoljavanja. Koncept lokalnosti koji u klasičnom svetu podrazumeva da objekti mogu biti pod uticajem samo onoga što se dešava u njihovoj neposrednoj blizini u kvantnom domenu postaje u najmanju ruku fluidan [sic] i gotovo neuhvatljiv, te se često svodi na to već pomenuto pitanje matematičkih i statističkih verovatnoća, a ne konkretnih, fizičkih, uzroka i posledica.
Upravo zato su i misterije koje obavijaju kvantni svet daleko od razrešenih.
Razrešivih uopšte…
Uistinu, postoji ozbiljna pretpostavka među naučnicima da čitavi segmenti fizike još uvek čekaju na svôje otkriće, dok mi, za sada, nemamo ni najmanje naznake o njihovom postojanju, a kamo li posledičnom delovanju na ostatak šire stvarnosti. Ipak, i pored tih ogromnih ambisa u znanju i razumevanju, nauka je u poslednjim decenijama došla do određenih tragova, fragmenata i otkrića koji nagoveštavaju postojanje nepoznatih dimenzija stvarnosti, pre svega putem Teorije struna (String theory), koje se tek trebaju ispravno proučiti, razumeti i možda jednom praktično primeniti. Zato je s ovim tekstom i cilj da makar malo dublje uronimo u ovu nerešivu enigmu mehanizama kvantne stvarnosti koja je temeljna za sve dalje nivoe prostiranja našeg postojanja, a za koje, uprkos neverovatnoj enigmatičnosti, posedujemo tek neke deliće uvida, te često nepovezane fragmente, u to šta bi moglo da nas čeka iza zavesa ove duboko intrigantne oblasti kako nauke, tako i filozofije. Jer mnoga pitanja koja sada nauka počinje iznova da postavlja itekako nalikuju filozofskim pitanjima kojima se naša civilizacija na druge neke načine, njoj za druge epohe specifične, već i bavila i prošlosti. No sada ta pitanja postaju temeljnija jer ih donekle potvrđujemo unutar ove iracionalne mašinerije univerzuma. Zato sva pitanja koja nam ovde predstoje ne samo da osporavaju granice našeg razumevanja prirodnih zakona, već nas primoravaju da preispitamo fundamentalna shvatanja o prirodi same stvarnosti, prostoru, vremenu, i načinu na koji univerzum uistinu funkcioniše na svojoj najdubljoj, suštinskoj ravni.
I, naravno, ništa što sledi ne mora biti nužno tačno…
.
.
.
Najintrigantniji fenomen savremene fizike
U kontekstu savremene teorijske fizike, pojam inercijalne mase (inertial mass) odnosi se na meru otpornosti koju neko telo pruža kada se nad njime, određenom silom, izvrši uticaj. Odnosno – ubrzanje. Drugim rečima, inercijalna masa predstavlja svojstvo materije koje se manifestuje kao određena teškoća u promeni stanja mirovanja, ili ravnomernog pravolinijskog kretanja. Ali hajmo da to malo detaljnije ilustrujemo kroz primer: kada pokušate da odgurnete kuglu prilikom kuglanja, otpor koji osećate dok je pomerate predstavlja upravo ispoljavanje njene inercijalne mase i tokom vekova bilo je nejasno zbog čega materija poseduje ovu osobinu. Znalo se da je reč o empirijski potvrđenoj činjenici, o aspektu na koji univerzum funkcioniše, ali mehanizam koji stoji u njenoj osnovi dugo je izmicao dubljem razumevanju. Ili ukoliko gurate kuglu uzbrdo, prirodni otpor na koji tada nailazite neizbežno je bio prihvatan kao nešto fundamentalno, ali ne i potpuno shvaćeno.
Ključni pomak u razumevanju ovog fenomena usledio je tek pre nekoliko decenija kada je grupa fizičara, među kojima je bio i čuveni naučnik Piter Higs (Peter Higgs), predložila postojanje posebnog polja koje prožima čitav univerzum — Higsovo polje (Higgs field). Upravo ova teorijska konstrukcija pojavila se kao potencijalno rešenje dugotrajnog pitanja o poreklu mase svih elementarnih čestica. Sâma ideja bila je toliko elegantna, i logična, da je vrlo brzo stekla veoma široku podršku unutar gotovo celokupne naučne zajednice. Međutim, postojala je jedna prepreka — polja, za razliku od čestica, ne mogu se neposredno posmatrati osim ukoliko se na neki način ne manifestuju u obliku kvantifikovanog pobuđenja, odnosno u formi određene čestice. Izazov koji je takođe dugi niz godina ostao nerešen.
Ono što je posebno interesantno po pitanju Higsovog polja, i njegove manifestacije kroz bozon kao čestice H0 koja je nosilac sile tog polja, jeste što njegova suština leži u prividnoj uniformnosti i ona je, koliko je za sada poznato, ravnomerno raspoređena širom celokupnog svemira i zaista su retki uslovi pri kojima energija doseže nivo potreban da se Higsovo polje ispolji u obliku pomenute elementarne čestice. Ali sasvim sigurno jedno od takvih specifičnih okruženja jeste ono u unutrašnjosti sudarača čestica, poput onog Velikog hadronskog (The Large Hadron Collider – LHC) u CERN-u u Švajcarskoj. Reč je kružnoj mašineriji obima 27 kilometara na dubini od oko 180 metara ispod francusko-švajcarske granice koja sada raspolaže energijom od 6.8+ tera-elektronvolti (TeV) po energetskom snopu, te sudaranjem čestica može potencijalno proizvesti i famozni bozon u još delikatnijim i adekvatnijim okolnostima nego li što je to potrebno za mnoge druge čestice koje su već uveliko detektovane. I upravo se to i dogodilo tokom eksperimenta 2012. godine kada je po prvi put naučno registrovan i samim time empirijski potvrđen Higsov bozon, što je automatski proguralo i sve druge naučne teorije koje su predviđale postojanje Higsovog polja kao baze za jednu takvu, slobodno možemo reći, egzotičnu česticu u poređenju sa svim drugim. Drugim rečima: dobili smo veoma važnu potvrdu koja nagoveštava kretanje u ispravnom naučnom smeru za godine koje tek dolaze.
Ali šta je to što ovo polje čini tako posebnim, važnim?
Trenutak detekcije bozona
Na najbazičnijem nivou, Higsovo polje usporava druge čestice dodeljujući im parametar mase i time ih sprečava da se kreću brzinom svetlosti kao što bi to činile da tu masu nemaju, ili da je ona baš blizu nule kao što je na primer slučaj s elektronima. Ovaj fenomen fino možemo uporediti s kašikom koju pokušavate da provučete kroz veoma gust med — dok bi kretanje te iste kašike kroz vakuum bilo lako i gotovo u potpunosti neometano – prisustvo Higsovog polja stvara otpor koji mi detektujemo u formi mase čestica. Bez ovog fundamentalnog mehanizma sve elementarne čestice bile bi bez mase, a time bi i čitava struktura materije kakvu poznajemo kroz atome, molekule… planete, ali i nas sâme — bila nemoguća. I veoma teško uopšte zamisliva iz sadašnje perspektive.
Iako je otkriće Higsovog bozona predstavljalo veličanstven trijumf moderne fizike, ono je, paradoksalno, otvorilo i Pandorinu kutiju misterija u vidu čitavog niza novih pitanja i nerazrešenih problema.
Par njih glasi:
Trenutno nemamo odgovor na ovo pitanje, ali ukoliko se ispostavi da postoje druge varijante ove čestice, one bi mogle biti ključni kandidati za objašnjenje tamne materije — te nevidljive supstance koja čini oko 27% ukupne mase i energije čitavog univerzuma, a koja do danas i dalje izmiče direktnom posmatranju i bilo kakvom utemeljenom proučavanju.
Drugim rečima, da li postoji mogućnost da ova čestica utiče na sopstvena kvantna stanja? Ovo pitanje ne samo da je fundamentalno za razumevanje stabilnosti materije, već ima i dalekosežne implikacije na drugim, dubljim kosmološkim nivoima.
.
Ali možda najzagonetniji aspekt Higsovog bozona baš leži u njegovoj masi, odnosno u suptilnoj razvnoteži, kao i o zastrašujućem potencijalu nestabilnosti. Jer fascinantno je to što vrednost bozona u masi nikako nije proizvoljna — naprotiv, ona je smeštena u veoma uskom potezu koji omogućava dugoročnu stabilnost atoma i, posledično, postojanje svih daljih složenih struktura poput molekula i sâmog života. Jer – ukoliko bi njegova masa bila iole veća, jezgra svih atoma složenijih od vodonika H ne bi mogla da opstanu i univerzum bi bio gotovo pust, bez ikakve stabilne materije. Ovako fino podešena vrednost određenih parametara univerzuma pokreće mnoga naučna ali i zaista duboka filozofska pitanja o prirodi kosmosa i mogućem postojanju višestrukih univerzuma u kojima fundamentalne konstante mogu varirati na, bezmalo, bezbroj načina.
A kao što smo nagovestili, ovu misterioznu česticu čini fascinantnom, i potencijalno terminalno opasnom, mogućnost njene kvantne nestabilnosti jer prema nekim teorijskim predviđanjima Higsovo polje možda nije apsolutno stabilno. Ova opaka nestabilnost mogla bi, u nekom trenutku, da izazove efekat nasumičnog kvantnog tunelovanja (quantum tunnelling) koje bi ceo sistem (univerzum) moglo da uvede u novo, još niže i stabilnije energetsko stanje, a iz postojećeg lažnog vakuuma — i to bez ikakvog detektabilnog upozorenja ili spoljašnjeg uzroka na koji bi ikako mogli smisleno da reagujemo. Poput kosmičkog gliča koji bi resetovao sva ovouniverzumska podešavanja fundamentalnih sila koja njime upravljaju, te kako možete i sami zdravorazumski pretpostaviti, posledice ovakvog jednog prelaza u stanje novog, još nižeg a verovatno i dalje lažnog vakuuma [jer nema garancija da bi ovo novo zaista bilo apsolutno stabilno takođe] bile bi katastrofalne:
• svi zakoni fizike bi se promenili;
• čestice bi izgubile sve svoje sadašnje osobine;
• strukture materije bi se momentalno raspale;
× i to bi bio trenutni kraj univerzuma kakav poznajemo i svega unutar njega!
.
No, verovatnoća za ovakav jedan pakleni scenario izuzetno je mala, procene govore o vremenskom rasponu reda veličine 10¹⁰⁰ godina — ali činjenica je da takva mogućnost svakako nije nemoguća, nije ravna nuli, upravo izaziva jednu duboku, metafizičku nelagodu spram postojeće stabilnosti života ušuškanog u trenutnu vrednost Božanske čestice. Iz tog razloga ne možemo biti ne fascinirani sistemom kojeg smo deo, a čiji su potencijali nezamislivi našoj najluđoj, galopirajućoj mašti.
I baš zato je Higsov bozon poznat kao:
jer Njegova Volja o Svemu odlučuje, sudi
.
Otuda u bozonu nije samo ključ za razumevanje mase i postojanja stabilne materije, već i prozor u dublje, apsolutno nerazjašnjene slojeve stvarnosti za koje je veliko pitanje hoćemo li im ikada dorasti. Bozon nam jasno pokazuje koliko je naš univerzum delikatno izbalansiran, ali nas istovremeno upozorava i na suštinske, kobne misterije postojanja ovog privida kvantne stabilnosti. Otkriće Higsovog bozona na kraju je, naravno, donelo mnogo više pitanja nego li odgovora, otvarajući vrata ka novim teorijama i potencijalno revolucionarnim saznanjima. I dok nauka neumorno traga za istinom, ostaje nam samo da se divimo složenosti i nepredvidivosti sveta u kojem postojimo, obitavamo — sveta koji, zahvaljujući Higsovom polju, uopšte može postojati.
.
.
Iluzija kosmičke uniformnosti i inflatona
Jasno je da univerzum koji promatramo predstavlja prostor koji je ispunjen brojnim zagonetkama i neobičnostima, međutim, jedna od najupečatljivijih karakteristika svemira nije njegova složenost, niti raznolikost struktura koje obuhvata, već upravo njegova krajnje iznenađujuća uniformnost i to posmatrano na najvećim kosmičkim razinama. Naime, kada astronomi usmere teleskop u bilo kom pravcu, dakle bez obzira na smer posmatranja, oni opažaju veoma slične rasporede zvezda, galaksija i drugih još grandioznijih nebeskih struktura i upravo ova izuzetno ujednačena raspodela materije u svemiru nije trivijalna, niti je očekivana ukoliko se oslonimo isključivo na standardne teorije iz domena fizike, a posebno ukoliko se pozovemo na Ajnštajnovu Specijalnu teoriju relativnosti (Special theory of relativity) – teorijski okvir koji je višestruko potvrđen eksperimentalnim dokazima i koji tvrdi da informacije ne mogu putovati brže od brzine svetlosti. Otuda baš ova uniformnost i stvara paradoks. Naime, ukoliko je univerzum nastao iz jednog veoma vrućeg i gustog stanja, kao što to predviđaju Standardni model i Veliki prasak, kako je onda moguće da različiti delovi svemira, koji nikada nisu ni bili u bilo kakvoj vrsti kontakta (jer čak ni svetlost nije imala dovoljno vremena da ih poveže), ipak pokazuju gotovo identične fizičke osobine? Ako bi informacija o temperaturi, gustini ili drugim parametrima morala da putuje brže od svetlosti kako bi se uspostavila ovakva uniformnost, to bi direktno kontriralo temeljnim zakonima savremene fizike.
Ovaj problem, poznat kao problem horizonta (horizon problem), ili homogenosti (homogeneity problem), dugo je mučio kosmologe, te postoji nekoliko mogućih rešenja ovog kosmološkog paradoksa:
• postoji mogućnost da su na delu nama još uvek nepoznati fizički zakoni koji dopuštaju nadsvetlosni prenos informacija;
• druga hipoteza sugeriše da je (mali) deo univerzuma koji nam je dostupan za posmatranje posebno uniforman segment mnogo veće (možda čak beskonačne) celine koja ne mora deliti ovu osobinu ujednačenosti;
• dok trenutno najprihvaćenija teorija kaže da su fundamentalni zakoni fizike mogli biti drgačiji od sadašnjih, tokom vrlo ranih faza kosmičkog razvoja.
.
I upravo iz ove poslednje, treće pretpostavke proistekla je revolucionarna ideja o kosmičkoj inflaciji (cosmological inflation) – ekspanziji ranog kosmosa koja prkosi intuiciji, ali i podacima o svemiru koji su savremenoj nauci dostupni. Kosmička inflacija označava izuzetno kratkotrajni, ali krajnje intenzivan period ubrzanog širenja univerzuma, a koji se odigrao u trenutku nakon Velikog praska.
U vremenskom okviru od:
do
sekundi nakon početka kosmičke ekspanzije
.
Tokom ovog gotovo nezamislivo kratkog vremenskog intervala, univerzum je uvećao svoje gabarite, obim, za faktor koji je višestruko veći od svega onoga što bi se moglo očekivati iz standardne teorije u vezi sa širenjem svemira. I upravo je ovaj proces, suštinski, omogućio da regije koje su nekada bile izuzetno blizu jedna drugoj sada postanu, u trenu, enormno udaljene, tek ostavljajući iza sebe samo tragove i fragmente iste uniformnosti koju su nekada delile. Na ovaj način kosmička inflacija pruža elegantno rešenje ne samo problema horizonta već i niza drugih fundamentalnih pitanja u kosmologiji. Na primer, inflacija takođe objašnjava zašto je kosmičko pozadinsko zračenje (cosmic microwave background radiation, CMBR) — tzv. reliktna svetlost Velikog praska koja prožima čitav univerzum — zapanjujuće homogeno. Iako postoje blage fluktuacije u temperaturi CMBR-a (koje su od ključnog značaja za formiranje galaksija), prosečna vrednost ovog zračenja gotovo je identična na svim meridijanima neba. Ista ta inflacija razjašnjava i zašto univerzum, na najvećim mogućim skalama, pokazuje gotovo ravnu geometriju, odnosno zašto se čini da prostorvreme nije zakrivljeno. Bez ovog fenomena, očekivali bismo ili sferični (zatvoreni) ili hiperbolički (otvoreni) univerzum. Još jedna kosmološka misterija koju ovo neobjašnjivo nadsvetlosno širenje uspešno razrešava jeste pitanje magnetskih monopola (magnetic monopole), jer prema određenim teorijama velikog sjedinjenja, ovakvi hipotetički entiteti morali su biti prisutni nekada u ogromnim količinama. Ipak, uprkos intenzivnim potragama, magnetski monopoli nikada nisu opaženi. Inflacija sugeriše da je njihova gustina tokom širenja univerzuma toliko razređena da bi njihovo otkrivanje danas bilo gotovo nemoguće.
Iako teorija inflacije zadovoljavajuće objašnjava mnoge kosmološke enigme, postavlja se i dalje jedno od najtežih pitanja:
Koji kosmički mehanizam je pokrenuo ovu neverovatnu, bržu-od-svetlosti ekspanziju?
Svakako jedan od najpopularnijih predloga u ovom kontekstu jeste predlaganje postojanje hipotetičke čestice:
Inflaton se ptuda može shvatiti i kao svojevrsno kvantno polje, ono čija je energija upravo i dominirala u tim pomenutim ranim fazama univerzuma, delujući poput kakvog kosmičkog okidača, pokretača za inflatorno širenje koje je ubrzo nastupilo. Dok odmah po prestanku ovog perioda, inflaton bi se raspao, oslobađajući ogromne količine energije koje su kasnije oblikovale sve poznate čestice Standardnog modela. No ono što čini inflaton posebno intrigantnim jeste sličnost njegovih predviđenih svojstava sa svojstvima malopre analiziranog Higsovog bozona i upravo je ova upadljiva sličnost dovela do hipoteze kako inflaton možda nije nikakva posebna čestica, već da je u nekoj od tih ranih faza univerzuma upravo Higsov bozon ispoljavao sve osobine teorijskog modela inflatona, a da je kasnije, kako su se kosmički uslovi menjali, i on promenio svoje parametre i samim time i ponašanje. Međutim, zašto bi do takve transformacije došlo i kakvi bi bili dublji uzroci te i takve promene – ostaju pitanja na koja savremena fizika još nema odgovor.
Zato potraga za inflatonom nije samo potraga za još jednom česticom u nizu, već bi njeno potencijalno otkriće, ili, pak, odbacivanje, moglo iz temelja da preoblikuje naše razumevanje univerzuma, vremena i prostora. Jer ako inflaton postoji, njegovo proučavanje moglo bi osvetliti ne samo poreklo mase i energije, već i fundamentalne principe koji stoje iza postanka čitave stvarnosti. No ono što komplikuje ovu potragu jeste priroda eksperimentalne fizike: inflacija se dogodila na energijama koje su daleko izvan dometa svih današnjih akceleratora častica, pa tako i onog u CERN-u. Dok napredni instrumenti, poput teleskopa koji proučavaju polarizaciju kosmičkog zračenja, mogu pružiti indirektne tragove o inflaciji, direktni dokazi o inflatonu i dalje su predmet spekulacija i jedino teorijskih modela. Zato ova hipoteza koja se bavi pitanjem inflatona otvara i krajnje filozofska pitanja o finoj podešenosti univerzuma kojeg nastanjujemo.
Jer da li je postojanje čestice koja omogućava nastanak složenosti i na kraju i života kakav poznajemo posledica strogih zakona fizike, ili možda naznaka postojanja multiverzuma — beskonačnog sklopa univerzuma, od kojih je ovaj naš tek jedan sa slučajno pogodnim parametrima?
Zato zbog svega prethodno izrečenog, slobodno možemo reći da koncept inflatona stoji na raskrsnici kosmologije, kvantne fizike i filozofije. Njegova potraga predstavlja ne samo izazov za naučne instrumente, već i za ljudsku maštu, radoznalost, intelektualnu hrabrost i spremnost da se suočimo s idejom da univerzum možda poseduje nivoe složenosti koji daleko nadmašuju našu trenutnu sposobnost razumevanja. Dok se nauka neumorno trudi da prodre u te dubine, inflaton, bilo kao stvarna čestica, ili plod teorijskog modela, ostaje simbol večne potrage čovečanstva za odgovorima na najdublja pitanja postojanja.
.
.
Najmisterioznija supstanca univerzuma
Tamna materija u savremenoj astrofizici i kosmologiji predstavlja jednu od najzagonetnijih, ako ne i najintrigantniju od svih pojava u univerzumu, i ova enigmatična supstanca, koja prema savremenim procenama čini čak oko 27% ukupne mase i energije kosmosa, ostaje u potpunosti izvan dometa svakog našeg savremenog mernog instrumenta. Naučnici je ne mogu videti, dodirnuti, niti uočiti na sve konvencionalne načine, jer ona ne emituje, ne apsorbuje niti reflektuje elektromagnetno zračenje. Uprkos tome, njeno postojanje snažno impliciraju gravitacioni efekti koje ispoljava na vidljivu materiju (ujednačena rotacija galaktičkih diskova), radijaciju, ali i sâmu strukturu čitavog vidljivog univerzuma. Međutim, pitanje da li tamna materija zaista postoji, ili je možda posledica našeg nepotpunog razumevanja gravitacije, izaziva žustre debate u naučnoj zajednici. Jedan deo istraživača smatra da je tamna materija neophodna za koherentno objašnjenje dinamike galaksija, kao i klastera istih; dok drugi zagovaraju alternativne teorije gravitacije koje ne zahtevaju prisustvo ove misteriozne tamne supstance da bi ona mogla biti objašnjena.
No, bez obzira na razlike u tumačenjima, konsenzus je sledeći:
U popularnoj SF kulturi tamna materija je često prikazivana gotovo kao magijski element jednačine — nevidljiva sila koja može slobodno prolaziti kroz gotovo sve barijere, materijalizovati se čak i u paralelnim dimenzijama, ili egzistirati kao čitavi alternativni svetovi koji se preklapaju s našim sopstvenim. Takav vid mistifikacija, iako jeste inspirativan za maštu, suštinski odvlači pažnju od stvarnih naučnih istraživanja i teorijskih okvira koji stoje iza koncepta tamne materije jer istina je možda mnogo, mnogo jednostavnija, a time ne i manje fascinantna jer: možda tamna materija nije ništa drugo do skupna manifestacija čestice koju još nismo uspeli da detektujemo, jer priroda poseduje čitavo bogatstvo subatomskih čestica koji takođe čekaju da budu otkrivene u nekom trenutku u budućnosti, a spram rasta količine energije koju iz godine u godinu ulažemo u njihovo sudaranje te rastavljanje na proste činioce tokom kolizija.
Otuda je zanimljivo kako već poznajemo jednu vrstu čestica koja svojim osobinama veoma podseća na ono što bi tamna materija mogla biti:
.
Neutrino spada u red elementarnih čestica izuzetno male mase i koja skoro nikada ne reaguje s običnom materijom, te kao takvi neutrini neprestano prolaze kroz nas u desetinama milijardi svake sekunde. Isto tako neometano prolaze i kroz našu planetu, sve druge planete… zvezde. Kroz sve kosmičke objekte. I samo retko, izuzetno retko, slučajnom interakcijom, neutrino će se sudariti sa drugim subatomskim česticama, što onda omogućava naučnicima da ga detektuju pomoću posebnih sofisticiranih instrumenata napravljenih posebno za tu svrhu (MiniBooNE – Cherenkov detector experiment, Fermilab). Te ako sa sigurnošću sada znamo za postojanje jedne ovakve slabo-interagujuće-čestice, logično je postaviti naredno pitanje:
• Da li u univerzumu postoje i druge čestice sličnih osobina?
• I, ako je odgovor potvrdan, da li se ključ razumevanja tamne materije možda krije upravo u toj klasi čestica?
.
A svakako jedan od najperspektivnijih kandidata u ovoj potrazi jesu takozvane WIMP čestice (Weakly Interacting Massive Particles), odnosno svojevrsne, a u nedostatku boljeg opisa: masivne slabo-interagujuće čestice. Ova klasa čestica direktno se nadovezuje na hipotezu kako tamna materija nije sastavljena od egzotičnih, ili kakvih natprirodnih supstanci, već od određenih masivnih čestica koje, slično neutrinima, veoma slabo reaguju sa standardnim tipom materije i glavna karakteristika im je ta da poseduju znatno veću masu od njima sličnih. I upravo ta njihova nespecifična masa omogućava im da gravitiraju i utiču na kretanje zvezda unutar galaksija, stabilizujući spiralne strukture koje bismo inače očekivali da se raspadnu usled centrifugalnih sila. Jer, na primer, ukoliko posmatramo rotaciju galaktičkih diskova primetićemo da je brzina tog rotirajućeg kretanja mase galaksije pri njenom centru podjednaka kretanju mase pri rubovima tog galaktičkog diska. Jer da je u pitanju delovanje samo gravitacione sile, to kretanje nikako ne bi moglo biti ujednačeno – otuda zaključujemo kako je tu na delu još neka od prirodnih sila.
Prednost WIMP hipoteze leži i u tome što se ona savršeno uklapa u postojeće teorijske modele, kao što su supersimetrija (Supersymmetric theory) i teorije velikog ujedinjenja (Grand unified theory, GUT). Prema ovim modelima, univerzum bi, pored čestica standardnog modela, trebalo da sadrži i njihove teže i stabilnije partnere od kojih bi neki mogli predstavljati tamnu materiju. Računanja pokazuju da bi WIMP čestice trebalo da su nastale tokom ranih faza univerzuma kada su visoke temperature omogućavale formiranje raznih elementarnih čestica. S vremenom, kako se univerzum hladio, većina tih čestica se anihilirala, poništila, no određeni broj WIMP-ova mogao je opstati i formirati tamnu materiju kakvu danas indirektno beležimo. Njihovo otkriće moglo bi otvoriti vrata ka novim tehnologijama, razotkriti tajne početaka univerzuma i samim tim moglo bi nam omogućiti razumevanje struktura koje nadmašuju i granice mašte. A ako, pak, njihovo postojanje bude odbačeno, to će nas primorati da razmislimo o konceptima koje smo do sada smatrali temeljnim i nepobitnim.
Naravno, i ovde imamo jedan ključni problem: uprkos decenijama intenzivne potrage:
Eksperimenti u dubokim podzemnim laboratorijama, koji koriste superohlađene detektore za izbegavanje interferencija s kosmičkim zračenjem, nisu uspele da potvrde njihovo postojanje. Isto važi i za pokušaje detekcije putem velikih akceleratora čestica, među kojima je i pominjani Veliki hadronski sudarač (LHC), koji do sada nisu pružili nikakve konkretne tragove u ovom smeru. A neuspeh u pronalaženju WIMP-ova otvorio je prostor za razmatranje alternativnih kandidata, te se među njima izdvaja ideja o aksionu (axion) — hipotetičke čestice izuzetno male mase, kao i kod sterilnih neutrina, varijacije poznatih neutrino čestica koje bi imale dodatne osobine koje ih čine prikladnim kandidatima za nosioce tamne materije.
Mogućnost je, svakako, i da tamna materija nije sačinjena od čestica koje smo pomenuli, već da se iza nje krije potpuno nova fizika koja nadilazi dosadašnja teorijska očekivanja.
Zato najradikalnija hipoteza i glasi:
Jer prema pristalicama modifikovane teorije gravitacije (kao što je MOND – Modified Newtonian Dynamics), ono što pripisujemo tamnoj materiji mogla bi biti posledica pogrešnog razumevanja gravitacionog zakona na velikim razmerama. Ako se ovaj stav na kraju ispostavi tačnim tada bi univerzum mogao funkcionisati i bez potrebe za bilo kakvom nevidljivom supstancom, ali bi to ujedno zahtevalo korenito preispitivanje svih temelja moderne fizike što, složićete se, veliki problem sam za sebe.
Svakako potraga za tamnom materijom i razumevanje njenog porekla jedno je od najuzbudljivijih i najizazovnijih pitanja savremene nauke. Bez obzira da li je rešenje u WIMP, ili drugim neotkrivenim subatomskim česticama, ili fundamentalno novim zakonima prirode, potraga za odgovorima ne donosi samo bolje razumevanje kosmičkog pejzaža, već i dublji uvid u prirodu sâme stvarnosti.
.
.
Hipotetički kvant gravitacije
Gravitacija kao jedna od četiri fundamentalne sile prirode na našem svakodnevnom planu postojanja deluje sasvim očigledno i neposredno, da, jer:
• ona vas upravo sada drži prikovanima za stolicu;
• omogućava planetama da ostanu na svojim orbitama;
• čini da predmeti padaju na tlo onda kada ih ispustimo.
.
Međutim, kada se gravitacija uporedi sa ostalim fundamentalnim silama: elektromagnetnom (electromagnetism), jakom nuklearnom (strong nuclear force) i slabom nuklearnom silom (weak force) – postaje jasno da je njena snaga uistinu zanemarljiva. A zašto je to tako ostaje jedna od najvećih misterija savremene fizike. Još je upitno i to da li gravitacija uopšte poseduje pravu, čestičnu prirodu kao ostale tri pobrojane. Prema Standardnom modelu čestica, gravitacija bi trebalo da se prenosi hipotetičkom česticom poznatom kao graviton. Ipak, postoje istaknuti fizičari koji sugerišu da je takva čestica možda potpuno nepotrebna, budući da Opšta teorija relativnosti uspešno opisuje gravitaciju kao zakrivljenje prostorvremena koje proizvode masa i energija. Dakle: bez potrebe za kvantnom komponentom.
Ukoliko graviton, pak, postoji njegovo otkrivanje predstavljaće gotovo nemoguć zadatak. U stvari, problem s otkrivanjem gravitona nije samo u njegovoj neverovatno slaboj prirodi i interakciji s materijom, već zbog toga i u gotovo nepojmljivim eksperimentalnim zahtevima za njegovo potencijalno detektovanje usled slabosti sâme sile. U teorijskom smislu, da bismo uopšte imali šansu da registrujemo tako slabe gravitone, morali bismo da konstruišemo neverovatno snažni sudarač čestica koji bi morao biti reda veličine jednog planetarnog gasnog giganta – poput planete Jupiter – i koji bi toliki morao biti tačno postavljen u neposrednoj blizini neke neutronske zvezde, jer su samo tamo, pod tako specifičnim uslovima, gravitacioni talasi dovoljno izraženi da bi se sa njima na ovaj način radilo u potrazi za gravitonima. Ali čak i pod takvim gotovo neizvodljivim okolnostima i uslovima, najoptimističnije procene sugerišu da bismo detektovali svega nekoliko gravitona godišnje. Zato i tehnološki i logistički izazovi realizacije ovakvog jednog poduhvata trenutno prevazilaze sve što je čovečanstvo sposobno da zamisli, a kamoli sprovede i u bilo kakvoj doglednoj budućnosti. Ako i ikada.
A ukoliko pođemo od toga da bi jedan ovakav podvig eventualno mogla da izvede nekakava potencijalna visoko razvijena, III stepena Kardaševe skale (The Kardashev scale), napredna vanzemaljska civilizacija i uspešno izgradi jedan takav detektor gravitona u orbiti neutronske zvezde, paradoksalno bi bilo to što bi onda lakše bilo detektovati sâm taj detektor, kao tehnopotpis neke ultra-napredne vanzemaljske civilizacija, nego li što bi oni njime hvatili graviton. Ovakav hipotetički artefakt – masivna struktura koja orbitira oko neutronske zvezde – mogao bi da odaje svoje postojanje svojim poprilično jakim elektromagnetnim emisijama, ili anomalijama u gravitacionim talasima, koje bismo mogli da uočimo. Međutim, čak i ako bismo pravovremeno uočili ovakav tip strukture, ostaje pitanje: kako bi znali šta ta civilizacija zapravo radi s tim gigantskim uređajem? Osim, naravno, ako bi vanzemaljski entiteti odlučili da nam tu informaciju eksplicitno saopšte – na primer, emitovanjem jakog radio-signala u kojem jasno deklarišu ishod svojih istraživanja – tumačenje takvog otkrića ostalo bi spekulativno.
Zanimljivo je da, uprkos intenzivnim istraživanjima u oblasti gravitacionih talasa, koji su eksperimentalno potvrđeni 2015. godine detekcijom kolizije, te stapanja dveju crnih rupa, sami gravitoni i dalje ostaju neuhvatljivi. Dok gravitacioni talasi predstavljaju kolektivne kvantne fenomene prostorvremena, graviton bi bio njihov pojedinačni kvant, analogno fotonu elektromagnetizma. Detektovanje pojedinačnih gravitona zahteva tehnologiju koja prevazilaze i najambicioznije planove za narednih nekoliko vekova, možda i milenijuma, osim ako se ne otkrije neko krajnje revolucionarno rešenje koje bi dovelo do radikalnog preispitivanja zakona fizike. Nije nemoguće, ali je malo verovatno.
Ukoliko se ikada u budućnosti, u eri kada bi čovečanstvo moglo kolonizovati delove Mlečnog puta, postavi detektor dovoljno sofisticiran za registraciju gravitona, to bi označilo jedno od najznačajnijih otkrića u istoriji nauke. Do tada graviton ostaje teorijska tvorevina – intrigantna, ali skrivena iza gotovo nepremostivih eksperimentalnih barijera.
.
.
Peta sila prirode
Ako se detekcija gravitona već sama po sebi čini kao gotovo nemoguć zadatak u savremenoj fizici, zamislite onda koliko bi bilo teže otkriti postojanje čitave jedne pete fundamentalne sile prirode, koja bi, po svim dosadašnjim pretpostavkama, mogla biti čak i slabija od najslabije od svih – slabija od gravitacije. Takva hipotetička sila, ako uopšte postoji, mogla bi da poseduje sopstvenu česticu nosioca koja bi bila toliko suptilna i neuhvatljiva da bi čak i za najrazvijenije zamišljene civilizacije – uključujući i onu koja bi dostigla treći stepen Kardaševe skale, sposobnu da upravlja energijom cele svoje galaksije – bile skoro nemoćne da je ikada uoče. Stvari dodatno komplikuje i činjenica da bi moglo postojati ne samo pet, već i više fundamentalnih sila koje su nam za sada izmiču pažnji, te i dalje deluju kao poptuno nama nepoznate i od nas skrivene na drugim ravnima, dimenzijama. Jedan od najsugestivnijih nagoveštaja postojanja takvih novih sila pojavio se 2021. godine, zahvaljujući eksperimentima sprovedenim u Fermi laboratoriji (Fermi National Accelerator Laboratory – Fermilab) u Sjedinjenim Američkim Državama. Ova saznanja nisu samo izazvala uzbuđenje u naučnoj zajednici već su i otvorila mnoga pitanja koja zadiru u (potencijalno novu?!) srž razumevanja kosmosa.
U ovom kontekstu, posebno se izdvaja misterija tamne energije (dark energy):
.
Za razliku od ranog perioda kosmičke inflacije, kada je univerzum prolazio kroz izuzetno brzo širenje, višestruko brže od brzine svetlosti, današnje širenje svemira, iako mnogo sporije, iz nepoznatih razloga ponovo ubrzava. Ova neočekivana akceleracija, koju astrofizičari i kosmolozi ne uspevaju da objasne postojećim teorijama, zahteva postojanje nečega što bi moglo da je pokreće – a to nešto nazivamo, logično, tamnom energijom. Iako o prirodi tamne energije ne znamo gotovo ništa, jedna od vodećih teorijskih pretpostavki vezanih za ovaj fenomen upravo podrazumeva postojanje famozne pete sile, one koju naučnici za sada nazivaju kvintesencijom (quintessence). Pojam kvintesencije u savremenoj fizici inspirisan je antičkim konceptom petog elementa – suštinskom supstancom koja prožima vasceli univerzum. A ako bi kvintesencija zaista postojala kao fundamentalna sila, ona bi trebala biti slabija čak i od gravitacije, koja je već poznata kao najmanje intenzivna od četiri fundamentalne sile (elektromagnetizma, jake i slabe nuklearne sile i gravitacije).
Međutim, slabost kvintesencije ne predstavlja jedini izazov za njeno otkrivanjem, jer ukoliko ova sila poseduje odgovarajuću česticu-nosača, njena masa i energija bile bi toliko neznatne da čak i najosetljiviji detektori potrebni za detekciju neutrina i gravitona ne bi bili dovoljni da je primete. Zbog toga se postavlja logično pitanje da li će kvintesencija, ukoliko zaista postoji, zauvek ostati neuhvatljiva misterija prirode, skrivena iza granica naše tehnološke i intelektualne spoznaje svih živih stvorova ikada?!
Bilo-kako-bilo, ova potraga se nastavlja, jer, kako su istorija nauke i univerzum više puta pokazali i dokazali – najveće misterije često leže upravo tamo gde ih, ali i kada ih, najmanje očekujemo.
.
.
Inertni neutrino
U savremenoj nauci teorija o postojanju svojevrsnog sterilnog neutrina (sterile, inert neutrinos) predstavlja još jednu krajnje intrigantnu hipotezu, a koja je tu s ciljem da ponudi objašnjenja za neka od najupornijih pitanja o strukturi i evoluciji svemira. Dok su slabo interagujuće masivne čestice (WIMPs), koje smo u ovom tekstu već pokrili, do sada bile jedan od glavnih kandidata za tamnu materiju, sve više se razmatra mogućnost da ono što tumačimo kao WIMP možda zapravo predstavlja jednu veliku populaciju neutrina, uključujući i njihove nama nepoznate varijante koje su nam do sada čak i teoretski izmicale iz vidokruga. Svakako da je neutrino, koji po svojoj prirodi predstavlja elementarnu česticu iz klase fermiona, poznat po svojoj gotovo potpunoj neinteraktivnosti sa standardnim tipom materije, te bi, samim time, velika većina ovih čestica prošla kroz bilo kakav vid materijalne barijere bez ikakve interakcije sa njom i to je ono što je čini enigmom za detekciju. Ipak, postoje trenuci kada se dogodi po neka retka interakcija, ona koja ipak na tren omogući naučnicima da ih indirektno detektuju pomoću sofisticiranih podzemnih detektora (Deep Underground Neutrino Experiment – DUNE) napravljenih za tu svrhu. No, sterilni neutrino se, međutim, izdvaja po tome što se pretpostavlja da ne deluje apsolutno nikako drukčije osim gravitaciono.
Čak ni putem slabe nuklearne sile, za razliku od standardnih tipova neutrina.
Ova hipoteza postaje posebno privlačna kada se razmatra problem asimetrije materije i antimaterije u svemiru, jer, naime, Standardni model predviđa da su u Velikom prasku materija i antimaterija trebale biti proizvedene u jednakim količinama. Ipak posmatranja ukazuju na ogroman disbalans, gde materija nadmašuje antimateriju gotovo u potpunosti. Sterilni neutrino, prema nekim teorijskim modelima, mogao bi da se raspada na način koji favorizuje produkciju materije nad antimaterijom, nudeći tako potencijalno rešenje ovog kosmološkog problema, paradoksa. Jer, strukturalno posmatrano, neutrino kao fermion (composite fermions) poseduje osobinu poznatu kao hiralnost (chirality) i koja se, kao takva, može opisati “levorukom” ili “desnorukom” orijentacijom u kontekstu vzuelizacije spina te čestice, a sva dosadašnja eksperimentalna saznanja ukazuju da standardni neutrino poseduje isključivo levoruku hiralnost. Otuda hipoteza sterilnog neutrinoa ovde predlaže postojanje njegovog desnorukog ekvivalenta. Ukoliko bi postojanje sterilnih neutrina opitno potvrdili, to bi podrazumevalo ne samo proširenje Standardnog modela fizike čestica, već i redefinisanje našeg razumevanja simetrija koje vladaju pri svim fundamentalnim interakcijama.
Samim time još jedan intrigantan aspekt povezan sa sterilnim neutrinoom jeste njegova potencijalna povezanost s takozvanom tamnom radijacijom. Za razliku od tamne materije i tamne energije, koje su već ušle u naučnu nomenklaturu kao sastavni delovi kosmološkog modela ΛCDM (Lambda-CDM model, cold dark matter), tamna radijacija predstavlja hipotezu o nevidljivoj formi zračenja koja može imati suptilne efekte na dinamiku svemira. Analize kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja ukazuju na mogućnost postojanja dodatnih reliktnih čestica koje nisu do sada identifikovane, a sterilni neutrino se u nekim modelima pojavljuje kao mogući kandidat za ovu misteriznu komponentu prirode univerzuma. Međutim, detekcija sterilnog neutrina predstavlja gotovo nesavladiv eksperimentalni izazov budući da bi njegova jedina interakcija bila gravitaciona, te bi tehnologija koja bi omogućila direktnu detekciju zahtevala ne samo dosad neviđenu osjetljivost, već i eksperimentalne aparature koje prevazilaze sve trenutne tehnološke kapacitete čak i najnaprednijih istraživačkih centara poput CERN-a, ili Fermilaba. Uprkos tome, indirektni dokazi koji bi proistekli iz preciznih merenja kretanja galaksija, fluktuacija gustine svemira i dodatnih eksperimenata usmerenih ka proučavanju kosmičkih neutrina mogli bi da pruže važne naznake u ovom pravcu, ako ništa više od toga.
Zanimljivo je na ovom mestu i istaći da se 2021. godine, u okviru istraživanja sprovedenih u Fermilabu, pojavila potencijalna naznaka postojanja neke nepoznate sile koja bi mogla da podrži teoriju o petoj fundamentalnoj interakciji u prirodi. Iako je još prerano donositi konačne zaključke, ukoliko bi se pokazalo da sterilni neutrino ima ulogu u ovom kontekstu, to bi otvorilo vrata novoj eri u fundamentalnoj fizici. Upravo zato u konačnom razmatranju, pitanje postojanja sterilnog neutrinoa ne tiče se samo potrage za još jednom česticom u univerzumu, već je u pitanju potraga za dubljim razumevanjem prirodnih zakona koji oblikuju postojanje svega što nas okružuje. Bez obzira na to da li će sterilni neutrino biti ikada direktno detektovan, sama potraga za njim već sada produbljuje naše razumevanje svemira i inspiriše nove generacije naučnika da postavljaju pitanja na koja čovečanstvo tek treba da pronađe odgovore.
.
.
Jednostavni problem koji je, u stvari, vrlo kompleksan
Jedno od fundamentalnih i još uvek, naravno, nerazrešenih pitanja savremene fizike jeste suštinska priroda tamne materije, kao i stepen njene kompleksnosti i u pokušajima da se pronađe što jednostavnije objašnjenje za ovaj kosmološki fenomen naučnici često razmatraju i mogućnost da tamna materija može biti objašnjena jednim fundamentalnim tipom čestice, analogno načinu na koji standardni model fizike čestica opisuje poznatu materiju kroz ograničen broj osnovnih elemenata. Međutim, dosadašnje iskustvo u fizici ukazuje da priroda retko pruža jednostavna rešenja, a svemir, u svojoj neiscrpnoj složenosti, ne pokazuje nikakvu obavezu da svoje tajne učini lako shvatljivim ili dostupnim ljudskoj spoznaji. Iz tog razloga, sasvim je moguće, pa čak i vrlo verovatno, da svet tamne materije nije samo jednako složen kao vidljivi univerzum, već potencijalno izrazito kompleksniji. Tako na isti način na koji u nama poznatom univerzumu postoje strukture poput galaksija, zvezda, planeta i živih organizama, može se spekulisati da i u tamnom univerzumu postoje analogne pojave ovima – hipotetičke “tamne planete“, “tamni oblici života“, pa samim time i “tamne zvezde” koje bi se pridržavale drugačijeg seta fundamentalnih zakonitosti nego njihovi, nama vidljivi pandani. Iako za sada ne postoji apsolutno nikakav konkretan eksperimentalni, ili opservacioni dokaz koji bi potvrdio postojanje takvih struktura – ova teorijska mogućnost ostaje otvorena. Čeka neko svoje bolje, utemeljenije vreme.
A jedna od ideja koja je proistekla iz ovih spekulacija jeste i koncept nove fundamentalne sile prirode, poznate kao “tamna sila“. Sila čiji bi hipotetički prenosilac bio nazvan “tamni foton” i ova sila, ukoliko postoji, mogla bi biti odgovorna za međusobnu interakciju čestica tamne materije, analogno načinu na koji elektromagnetna sila deluje među česticama u vidljivom univerzumu:
•
.
Ukoliko bi ovaj teoretski model tamnog fotona imao makar delimične sličnosti s poznatim fotonima, odnosno s elektromagnetnim interakcijama, to bi otvorilo mogućnost za postojanje nečega što bi se moglo nazvati i “tamnom hemijom“, “tamnim atomima“. U tom slučaju struktura tamne materije ne bi se ograničavala samo na izolovane čestice, već bi mogla da formira složene sisteme, potencijalno čak i celokupne tamne ekosisteme sa zakonima i procesima koji bi se značajno razlikovali od onoga što poznajemo u standardnoj fizici.
Međutim, ljudska nauka još uvek nije ni na pragu razumevanja suštinske prirode ove tzv. tamne materije, te sve što trenutno znamo o njoj zasniva se na njenim gravitacionim efektima na vidljivi univerzum, a ne na direktnim opservacijama bilo kakvih čestica koje bi činile tu nama neznanu materiju. Ipak činjenica da tamna materija jasno interaguje s gravitacijom sugeriše da postoji bar jedna fundamentalna osobina koju deli s poznatim univerzumom. Razumevanje ove interakcije moglo bi da nas dovede do dubljih uvida ne samo u prirodu tamne materije, već i u samu gravitaciju, koja je i dalje među najtajanstvenijim fundamentalnim silama u fizici. U konačnici, dok god ne budemo imali eksperimentalne dokaze koji bi potvrdili, ili opovrgli, hipotezu tamnih fotona i tamne sile, ove teorije će ostati u domenu spekulacija, ali njihov značaj u oblikovanju budućih istraživanja ne sme biti potcenjen. Ako se pokaže da tamni fotoni zaista postoje i ako budu otkriveni načini da se oni posmatraju i proučavaju, to bi moglo otvoriti vrata ka potpuno novom razumevanju strukture svemira, njegovih fundamentalnih zakona i mesta koje zauzimamo unutar tog velikog kosmičkog poretka, mašinerije.
.
.
Brend kosmičkog deterdženta?!
Jedan od mogućih načina da se sagleda ova sada već uveliko pominjana priroda tamne materije/energije, a umesto da se iznova iznova zamišlja u vidu izolovana elementarna čestica jeste da se posmatra kao skup čestica koje prenose neku fundamentalnu silu. Ovakav pristup je važan jer omogućava proširenje mnogih postojećih teorijskih okvira i istovremeno otvara i druga, nova pitanja o interakcijama za sada nepoznatih kvantnih polja i njihovom uticaju na postojeće setove fizičkih zakona. Ali kako smo do sada navikli, i priča o aksionu započinje upravo jednim problemom, jednim od onih koji istovremeno otkrivaju dublju strukturu univerzuma i nagoveštavaju nove slojeve nepoznatog. A i naziv aksion nije slučajno odabran, naprotiv – on, možda na tren kontraintuitivno, potiče od marke deterdženta, budući da se pretpostavlja da ova hipotetička čestica “čisti” jednu od anomalija u teoriji fundamentalnih sila.
Međutim, iako se ova čestica često razmatra kao rešenje ozbiljnog teorijskog problema, pitanje njene egzistencije ostaje neizvesno:
.
U fizici elementarnih čestica, jaka nuklearna sila (strong interaction), ona koja održava kvarkove vezane unutar protona i neutrona, ispostavlja još jedno neobično pitanje. Naime, prema standardnim teorijskim predviđanjima, ova fundamentalna sila ne bi smela da deluje na kvarkove i antikvarkove na identičan način, ali eksperimentalni podaci pokazuju upravo suprotno – ona to čini. Konkretno, neutron bi, bar prema teoriji, trebalo da poseduje značajan električni dipolni moment (electric dipole moment, EDM, for the neutron), ali u stvarnosti on izgleda izuzetno simetričan. Ovo odstupanje između teorije i rezultata opita poznato je kao problem jake CP simetrije (strong CP problem), gde CP označava kombinaciju prostorne inverzije i promene čestične uloge između materije i antimaterije. Da bi se ovaj problem potencijalno rešio, jer još uvek nije rešen, uvedena je “hipoteza o aksionskom polju” – svojevrsnom kvantnom entitetu koji bi uveo određeni mehanizam automatskog usklađivanja i na taj način uspostavio ravnotežu koju posmatramo u eksperimentima. Ključna stvar ovde je što mi ne opažamo aksion direktno, već samo detektujemo efekte koji bi mogli da budu posledica njegovog prisustva. U tom smislu, aksion bi bio analogan gravitonu, koji se ne može posmatrati kao pojedinačna čestica, ali čije postojanje posredno zaključujemo na osnovu serije gravitacionih efekata.
Ono što čak i dodatno čini aksion zanimljivim jeste i što se sve češće razmatra kao ozbiljan kandidat za objašnjenje još jedne fundamentalne misterije – prirode tamne materije. Jer ako aksioni zaista postoje, njihova izuzetno mala masa i slaba interakcija s običnom materijom mogli bi da ih učini savršenim kandidatom za ovu nevidljivu supstancu koja dominira univerzumom. Drugim rečima, aksioni bi mogli biti ključna komponenta kosmičke strukture, igrajući ulogu ne samo u rešavanju teorijskih problema vezanih za jaku silu, već i u objašnjenju velikih gravitacionih anomalija na skali galaksija, kao i galaktičkih klastera. Naravno, ovde postoji i određeni skepticizam među fizičarima kada je reč o tendenciji da se jedan koncept koristi za rešavanje više različitih problema iako istorija nauke često pokazuje da priroda ne voli previše jednostavna rešenja i da se iza prividne urednosti može kriti složenost koja tek treba da bude otkrivena.
Ipak, poslednjih godina upravo svedočimo sve većem broju eksperimentalnih podataka koji nedvosmisleno sugerišu da aksion verovatno postoji i ako bi njegova egzistencija bila potvrđena to bi predstavljalo revolucionarni trenutak u fizici – trenutak u kojem bi deo nepoznatog postao objašnjiv i predvidiv. No, kao što se često dešava u nauci, svako novo otkriće ne znači nužno zatvaranje postojećih pitanja, već otvara nove horizonte i postavlja nova, još dublja i složenija pitanja o prirodi univerzuma.
.
.
Veliko sjedinjenje fundamentalnih sila prirode
U savremenoj teoriji elementarnih čestica poznato je kako sve čestice fundamentalne materije mogu biti razvrstane u dve osnovne kategorije:
q kvarkove
Kvarkovi čine osnovne gradivne elemente hadronskih čestica, uključujući protone i neutrone, koji zajedno s elektronima formiraju atome i svu poznatu materiju u univerzumu;
ℓ leptone
Leptoni obuhvataju čestice poput elektrona, miona, tau-leptona i njihovih odgovarajućih neutrinskih partnera, koje, za razliku od kvarkova, ne učestvuju u jakoj nuklearnoj interakciji.
.
Ove dve fundamentalne grupe čestica predstavljaju osnovu Standardnog modela fizike čestica – teorijskog okvira koji uspešno opisuje tri od četiri poznate fundamentalne sile prirode:
• elektromagnetnu (electromagnetism)
• slabu nuklearnu silu (weak interaction)
• jaku nuklearnu silu (strong interaction)
.
Međutim, iako Standardni model pokazuje izuzetnu eksperimentalnu preciznost, on ostavlja niz otvorenih pitanja koja su podstakla potragu za dubljom, jednom sveobuhvatnijom teorijom koju možemo obuhvatiti potragom za takozvanom Velikim ujedinjenjem fundamentalnih sila (Grand Unified Theory, GUT) koja bi pokazala da su naizgled različite fundamentalne sile samo manifestacije jedinstvenog mehanizma na izuzetno visokim energetskim skalama. U okviru ovakvih teorijskih razmatranja, postavlja se hipoteza da kvarkovi i leptoni, iako se u standardnim uslovima posmatraju kao odvojene klase čestica, mogu postati deo jedne dublje, unificirane strukture. Ova ideja vodi ka mogućnosti postojanja nove vrste čestica, poznatih kao lepto-kvarkovi, koje predstavljaju teoretske entitete sa svojstvima oba tipa čestica. Jer kao što su električna i magnetna sila ujedinjene pod okriljem Maksvelove teorije elektromagnetizma, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“, 1865. godine, očekuje se da bi i jaka, slaba i elektromagnetna sila mogle biti isto tako samo različite manifestacije jedinstvene sile na odgovarajućoj energetskoj skali. Unutar ovakvog teorijskog okvira, leptokvarkovi se predviđaju kao čestice koje mogu da posreduju u procesima konverzije između kvarkova i leptona pri ekstremno visokim energijama. A ako se leptokvarkovi zaista mogu formirati u uslovima koje generišu eksperimentalni sudarači čestica, onda bi oni mogli nositi osobine oba tipa čestica – mogu imati naelektrisanje i spin svojstven leptonskim česticama, ali istovremeno mogu učestvovati i u interakcijama koje su karakteristične za kvarkove. Štaviše, njihovo postojanje bi omogućilo mogućnost direktne transformacije kvarkova u leptone i obrnuto, čime bi se narušila stroga podela između ove dve kategorije elementarnih čestica.
Iako još uvek ne postoji definitivna eksperimentalna potvrda postojanja lepto-kvarkova, određeni podaci dobijeni iz eksperimenata u akceleratorima čestica ukazuju na mogućnost da oni zaista mogu nastati u visokoenergetskim sudarima. Međutim, ukoliko se i pojave, ove čestice su izuzetno kratkotrajnog trajanja, raspadajući se gotovo trenutno u poznate, stabilne čestice. Ovo otežava njihovu direktnu detekciju i zahteva razvoj sve preciznijih i sofisticiranijih eksperimentalnih tehnika kako bi se njihovo postojanje potvrdilo.
Jedan od najzanimljivijih aspekata hipoteze o lepto-kvarkovima jeste mogućnost da bi njihovo postojanje moglo omogućiti raspad protona, što je jedno od fundamentalnih otvorenih pitanja u fizici čestica. Standardni model predviđa da je proton, osnovna čestica atomske strukture, stabilan i praktično večan. Međutim, ukoliko se određene verzije teorije Velike unifikacije ispostave tačnim, tada bi leptokvarkovi mogli poslužiti kao mehanizam koji omogućava da proton spontano propadne u lakše čestice tokom nezamislivo dugih vremenskih perioda. Te ako se proton zaista može raspadati, onda to znači da materija kakvu poznajemo nije apsolutno stabilna i da će, u dovoljno dalekoj budućnosti, svi atomi, zvezde i planete postupno nestajati, pretvarajući se u sve jednostavnije oblike energije i elementarnih čestica. Zato ova mogućnost ima krajnje duboke kosmološke implikacije – ako univerzum nema strukturalno stabilne čestice, tada će kroz nezamislivo dugu vremensku skalu sav preostali materijalni sadržaj univerzuma jednostavno “ispariti“, ostavljajući prostor u stanju potpune entropijske smrti.
.
.
Tromeđa fizike, svesti i fundamentalne realnosti
U savremenoj naučnoj paradigmi, jedan od najdubljih i najintrigantnijih fenomena koji i dalje izmiče makar i teoretskom razumevanju jeste fenomen svesti. Iako je univerzum, prema našim trenutnim saznanjima, strukturisan po zakonima fizike koji su relativno dobro opisani kroz dve fundamentalne teorije:
• Opšta teorija relativnosti (General relativity) – objašnjava dinamiku gravitacije na velikim skalama;
• kvantna mehanika (quantum mechanics) – opisuje bizarna svojstva na malim skalama.
.
No, mogli bi reći kako postoji i treća, enigmatična komponenta stvarnosti koja, potencijalno, ima kapacitet da seže u oba ova pomenuta domena.
Ta komponenta može biti:
· svest – sposobnost refleksivne spoznaje, opažanja i interakcije sa spoljnim svetom, čiji su fundamentalni mehanizmi, suština i kosmičke posledice još uvek daleko od potpunog naučnog razumevanja.
.
U okviru ovog pitanja postoje dve glavne i dijametralno suprotstavljene perspektive.
S jedne strane je:
Ona smatra da je ona isključivo emergentni fenomen biološke evolucije, proizašao iz složenih elektro-hemijskih procesa u neuronskim mrežama mozga. Prema ovom pristupu, svest ne poseduje nikakvu fundamentalnu, ili ontološki zasebnu, ulogu u široj strukturi univerzuma, već je pre nusprodukt prirodnih zakona i složenih interakcija u biološkim sistemima. Drugim rečima, prema ovom pogledu, svest nije ništa više do funkcionalni rezultat neuronske aktivnosti i ne zahteva nikakav dodatni fizički opis izvan poznatih okvira klasične fizike i neurobiologije.
Međutim, čak i u okviru ove redukcionističke perspektive, neosporno je da ljudska svest ima moć da menja materijalni svet – čak i ako je ta moć u potpunosti posredovana fizičkim interakcijama, jer kao svesna bića u stanju smo da manipulišemo materijom u svojoj okolini, gradimo strukture, koristimo alate, menjamo prirodne strukture, kontrolišemo nuklearne reakcije, pa čak i menjamo hemijske i biološke procese na planetarnoj skali. Iako se ova moć može objasniti isključivo kroz klasične mehanizme fizičkog uzročnog delovanja, sama činjenica da svest poseduje sposobnost direktnog uticaja na materijalni univerzum predstavlja fundamentalno intrigantan fenomen.
.
S druge strane imamo alternativu u vidu znatno spekulativnije interpretacije koja sugeriše dâ:
Ovaj pristup delimično proizlazi iz određenih fenomena u pri kvantnoj mehanici kao što su problem svesti posmatrača (observer effect – as disturbance of an observed system by the act of observation), kao i kolaps talasne funkcije (wave function collapse, or reduction of the state vector), koji impliciraju da čin merenja, odnosno posmatranja, može imati direktan uticaj na kvantne sisteme. U kvantnoj fizici, pre nego što se izvede merenje, čestica se nalazi u stanju superpozicije – stanju u kojem istovremeno može posedovati više potencijalnih vrednosti, osobina. Međutim, trenutak merenja dovodi do kolapsa talasne funkcije, pri čemu sistem prelazi iz superpozicije u jedan konkretan, opažen ishod.
.
I upravo putem ovog kvantnog fenomena postavlja se duboko filozofsko pitanje:
Neke teorije sugerišu da bi (svesni) um mogao imati direktnu interakciju sa kvantnim sistemima, pri čemu bi sâma igrala ulogu kvantnog procesa pri definisanju stvarnosti. I upravo ovakve interpretacije otvaraju vrata ka daljoj razradi ideje da bi kvantna mehanika mogla igrati ključnu ulogu u razumevanju same prirode svesti, sugerišući mogućnost da je um neodvojiv od fundamentalnih fizičkih zakona koji upravljaju univerzumom. Naravno, ovde postoji opasnost od skretanja u takozvani kvantni misticizam, gde se kvantna fizika često i neopravdano koristi za objašnjavanje niza fenomena za koje ne postoji dovoljno empirijskih dokaza. U naučnoj zajednici, svaki pokušaj povezivanja kvantnih fenomena sa svešću mora biti zasnovan isključivo na eksperimentalno proverljivim podacima, bez spekulativnih interpretacija koje nisu zasnovane na rigoroznim fizičkim modelima.
Međutim, čak i ako ovde odbacimo sve mistične spekulacije, i dalje ostaje neosporna činjenica da klasična fizika do sada nije uspela da pruži dovoljno zadovoljavajuće objašnjenje uzroka i mehanizma svesti. Ukoliko bi se pokazalo da kvantni efekti imaju direktan uticaj na neurobiološke procese u mozgu, to bi značilo da je sama struktura svesti povezana sa fundamentalnim kvantnim zakonima, a ne samo sa klasičnim elektromagnetnim interakcijama u neuronskim mrežama.
Ova mogućnost otvara mnoga nova pitanja:
• Da li kvantni efekti omogućavaju složenost kognicije?
• Može li se svest proširiti izvan bioloških sistema?
• I na kraju, može li svest postojati nezavisno od materijalnih supstrata?
.
Zato ukoliko se ispostavi da je svest fundamentalno kvantni fenomen, tada bi to značilo da naše razumevanje univerzuma još uvek nije ni približno potpuno. Naprotiv. To bi takođe značilo da je potrebno redefinisati naš pogled na prirodu realnosti i na to kako svest interaguje sa fundamentalnim zakonima prirode. Možda je um daleko kompleksniji aparat za filtriranje stvarnosti nego što smo ikada mogli da zamislimo.
