— Published on 09/04/2015 / Bug.hr.
Prostor i vrijeme su, uz materiju i energiju, najosnovnije koncepcije u fizici. No, u udžbenicima iz fizike, od osnovnoškolskih do sveučilišnih, nema definicija ni prostora ni vremena. Ne zato što bi te definicije bile prejednostvne. Nego zato što bi bile prekomplicirane. Stoga fizičari prostor i vrijeme uopće ne definiraju. Umjesto toga oni ih – mjere. Neki filozofi bi rekli da je prostor “apriorna forma zornosti”, a naša intuicija pod prostorom podrazumijeva prazninu koja može biti ispunjena pokretnim ili nepokretnim objektima. Fizičarima je, međutim, prostor daleko od gole praznine. U zadnjih sto godina spoznali smo da prostor nije apsolutan, nego relativan; da nije nužno ravan nego može biti izobličen; da na mikroskopskom nivou nikako nije prazan nego da je poput kipuće vode pun “mjehurića” (virtualnih parova čestica-antičestica) koji neprekidno nastaju i nestaju, zahvaljujući takozvanim kvantnim fluktuacijama. No, prava zemlja čudesa, izgleda, počinje na najmanjim skalama koje su danas eksperimentalno skroz nedostižne: tamo prostor i vrijeme, barem prema postojećim teorijama, čine takve nezamislive petlje od kojih bi vrtoglavicu dobio i sam Escher. Tu psihodeličnu prašumu najmanjih mogućih dimenzija nazivamo kvantnom pjenom. Premda ju ne možemo izravno vidjeti, mogli bismo ju neizravno opaziti kroz neke učinke na kozmičke gama-zrake najviših energija. Upravo na dan kad ovo pišem, 8. travnja 2015. godine, vrhunski znanstveni časopis Physical Review Letters objavio je članak teorijske fizičarke Sabine Hossenfelder u kojem se opisuje kako bi provale gama-zraka mogle biti ključ za opažanje nekih učinaka kvantne pjene.
Provale gama-zraka (engl. gamma-ray bursts) priča su za sebe. Punih četrdeset godina, od njihova otkrića pa do relativno nedavno, provale gama-zraka smatrane su najmisterijoznijom pojavom astrofizike. Mediji su ih nazivali “najvećim eksplozijama nakon velikog praska” premda takva usporedba nije korektna. Veliki prasak uopće nije eksplozija, širenje materije u okolni prostor, nego širenje prostora samog. Provale gama-zraka jesu doslovno eksplozije, i to najsnažnije eksplozije u svemiru. Sa Zemlje ih prepoznajemo kao iznenadne, ekstremno intenzivne i kratkotrajne emisije visokoenergijskih kozmičkih gama-zraka koje potječu iz dalekih galaksija. Riječ provala znači naglo izbijanje ili probijanje kao posljedica unutrašnjeg pritiska, otprilike kao u sintagmama: provala vulkana ili provala oblaka. Radi se o relativno kratkom periodu, od par sekundi do par minuta, iznenadne snažne emisije koja ima nagli rast i pad intenziteta. Pokazalo se da su sve provale gama-zraka povezane s izvorima koji su na kozmološkim udaljenostima, praktički na rubu vidljivog svemira. Jedna vrsta izvora provala gama-zraka su eksplozije hipernova, vrlo masivnih zvijezda u dalekim galaksijama. Takve masivne zvijezde tipične su za rani svemir. U njihovim se ekplozijama vanjski dijelovi zvijezde razlete u okolni prostor, a unutrašnji izravno formiraju crnu rupu. Druga vrsta izvora provala gama-zraka su stapanja dviju neutronskih zvijezda koje su bile kružile jedna oko druge i polako padale jedna prema drugoj. Zadnja faza tog padanja, stapanje dviju zvijezda, jako je nagla te opet uzrokuje nastanak crne rupe. U svakom slučaju, provala gama-zraka je krik rođenja crne rupe. Zahvaljujući satelitima, opažamo prosječno jedan takav događaj na dan, ali u nižem gama-području.
Vratimo se kvantnoj pjeni. Kakve veze provale gama-zraka imaju s kvantnom pjenom. Kao prvo, izvori provala gama-zraka jako su udaljeni – više milijardi godina svjetlosti. Fotoni emitirani u takvim događajima prolaze, dakle, enormno velike udaljenosti. Drugo, ti fotoni imaju dovoljno velike energije, i stoga dovoljno male valne duljine, da mogu “napipati” kvantnu pjenu. Kombinacijom tih dviju činjenica dobije se mjerljiv učinak: fotoni viših energija trebali bi kasniti u odnosu na fotone nižih energija. Evo zašto. Zamislite cestu koja ima mnoštvo sitnih, milimetarskih neravnina, udubljenja i izbočina. Auto s velikim kotačima ne “osjeća” te neravnine i ako vozi svojom maksimalnom brzinom c, imat će i prosječnu brzinu c. A sad zamislite mrava koji trči opet maksimalnom brzinom c. Taj mrav pred sobom nema glatku cestu. On ide gore, dolje, gore, dolje. Efektivno, prevaljuje veći put. Zato mu je prosječna brzina manja od c. E pa, mrav je ekvivalent visokoenergijskog fotona koji, zbog ekstremno male valne duljine, “osjeća” ekstremno male neravnine prostora. Visokoenergijski foton iz provale gama-zraka putuje do Zemlje milijardama godina. I na tom se putu sićušni efekt nakupi do do te mjere da je makroskopski opaziv. Predviđena kašnjenja mjere se u minutama.
Godine 2007. sudjelovao sam u analizi jedinstvenog skupa podataka visokoenergijskog gama-zračenja iz aktivne galaktičke jezgre Mrk 501, udaljene pola milijarde godina svjetlosti. Ti su podaci digli veliku prašinu: činilo se da ukazuju na kašnjenje od četiri minute dijela fotona viših energija, u odnosu na fotone nižih energija. Detaljnije analize pokazale su da takav zaključak ipak nije dovoljno pouzdan. Trebalo je još podataka, veća statistika, za pouzdaniji račun. Drugi, sličan skup podataka, do danas nije opažen. Teleskopi MAGIC, kojima je napravljeno spomenuto opažanje aktivne galaktičke jezgre Mrk 501, posebno su dizajnirani za hvatanje provala gama-zraka. Već više od deset godina pokušavaju detektirati provale gama-zraka u području najviših energija, ali bez uspjeha. Osjetljivost im je, čini se, premala. Ipak, nade nisu izgubljene. Naprotiv. U gradnji je sustav teleskopa, za opažanje visokoenergijskog gama-zračenja, pod nazivom Niz Čerenkovljevih teleskopa (engl. Cherenkov Telescope Array), znatno veće osjetljivosti. Ti će teleskopi u idućih dvadeset godina zasigurno donijeti mnoge nove spoznaje o visokoenergijskim objektima i procesima u svemiru, a moguće i odgovore na neka pitanja iz područja fundamentalne fizike, primjerice o tamnoj tvari ili o kvantnoj pjeni.