— Objavljeno 07/08/2018 / Bug.hr.
Fizika polazi od pretpostavke da su prirodni zakoni uvijek i svugdje isti, no nema garancije da je zaista tako; dugogodišnji eksperiment s atomskim satovima nije pokazao promjenu prirodnih zakona
Prije 332 godine Isaac Newton objavio je svoju knjigu Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ili Matematička načela prirodne filozofije (prirodna filozofija predhodila je onome što danas nazivamo prirodnom znanošću). U toj slavnoj knjizi, skraćeno zvanoj Načela, Newton je iznio i svoj opći zakon gravitacije. U današnjem matematičkom formalizmu to je ona formula koja je poznata svakom srednjoškolcu: (gravitacijska) sila kojom se privlače dva (točkasta) tijela razmjerna je umnošku masa tih tijela, a obrnuto razmjerna kvadratu njihove udaljenosti.
Točkasta tijela nisu doslovno matematičke točke nego su dva tijela čije su dimenzije puno manje od njihove međusobne udaljenosti. Ako su dva tijela kuglasta, bez obzira koliko su velika, onda im dimenzije ne moraju biti puno manje od udaljenosti njihovih središta, a da opet vrijedi isti matematički izraz. No, u ovoj priči naglasak nije na samom matematičkom izrazu nego na pitanju za koja to dva tijela vrijedi. Odgovor je: za bilo koja. Kako vrijedi za Zemlju i jabuku (teško je pobjeći od tog klišea kad je Newton u pitanju) tako vrijedi za Zemlju i Mjesec. Otuda pridjev opći. Newtonov opći zakon gravitacije vrijedi za bilo koja dva tijela u svemiru.
Danas općenitost prirodnih zakona uzimamo zdravo za gotovo, no u Newtonovo je doba takva ideja bila revolucionarna. Jer, zašto bi zakonitost koju smo pronašli pri opisu gibanja kamena bačenog na Zemlji morala vrijediti i pri opisu gibanja nekog Jupiterovog satelita? Newton na to pitanje nije znao odgovoriti (ne znamo ni mi danas), no uočio je da je to tako. Kasnije je ideja općenitosti proširena s gravitacije na ostale prirodne zakone. Za sve prirodne zakone, koje smo otkrili na Zemlji, držimo da su opći, da vrijede uvijek i svugdje u svemiru. I to nije metafizička pretpostavka. To je pretpostavka koju možemo provjeriti i koju smo dosad bezbroj puta provjerili. I bezbroj puta potvrdili. Ali i dalje nemamo garanciju da su prirodni zakoni baš svugdje u svemiru potpuno isti, niti da s vremenom ostaju isti.
.
Što je uopće prirodni zakon?
Da bismo razumjeli zašto nismo sigurni da su prirodni zakoni isti uvijek i svugdje treba znati što je uopće prirodni zakon. Prirodni zakon nije – bez obzira što većina čovječanstva tako misli – propis kojim nam nekakvo nadnaravno biće nešto određuje, uređuje, dopušta ili zabranjuje. Prirodni zakon nije ni – bez obzira što to piše u rječniku hrvatskog jezika – utvrđena znanstvena istina. Prirodna znanost ne poseže za nadnaravnim, niti utvrđuje istinu.
Prirodni zakon je ona znanstvena teorija koja je dobila nebrojene potvrde. A sama znanstvena teorija nije drugo nego naša ideja o tome kako funkcionira svijet. Doduše ne bilo kakva ideja, nego ideja koja daje neko predviđanje i koja se može provjeriti (štoviše, koja se može opovrgnuti) i čija se provjera može reproducirati. Ideja s navedenim svojstvima, koja je dosad puno puta potvrđena a nijednom oborena, je znanstvena teorija. Znanstvene teorije su, primjerice, teorija evolucije, teorija velikog praska i opća teorija relativnosti. Prirodnim zakonima obično nazivamo manje kompleksene ideje, recimo: drugi zakon termodinamike, Hubbleov zakon, treći Newtonov zakon. U svakom su slučaju to naše ideje koje opisu neku prirodnu pojavu i koje načelno, u svjetlu novih činjenica, mogu biti oborene.
Postoji zgodna knjižica o prirodnim zakonima, Osobitosti fizikalnih zakona, slavnog fizičara Richarda Feynmana, doduše samo iz područja fizike, čiji je prijevod nedavno ponovo tiskan. Novo izdanje objavljeno je povodom stote godišnjice Feynmanovog rođenja, a izvorne snimke svih predavanja, na temelju kojih je knjiga i nastala, odnedavno su dostupne na stranicama sveučilišta Cornell.
.
Provjera općenitosti prirodnih zakona
Ima li smisla u općenitost prirodnih zakona uopće sumnjati? Bernoullijeva jednadžba očito je jedanko vrijedila prije tri tjedna, kad sam letio iz Madrida za Kanare, kao što vrijedi i danas, kad letim nazad. Zahvaljujući toj jednadžbi, koja opisuje zakon dinamike fluida, znamo kako stroj od 100 tona držati satima u zraku. Newtonovi zakoni, prema kojima će istodobno ispušteni čekić i pero, u prostoru bez zraka, istodobno pasti na tlo jednako vrijede na Zemlji i na Mjesecu. Na Zemlji se to može demonstrirati tako da se iz prostora u kojem tijela padaju isiše zrak (takav se pokus često izvodi u okviru sveučilišnih predavanja iz fizike, ne s čekićem i perom doduše nego s manjim kamenom i komadićem papira). Na Mjesecu, gdje zraka nema, to je izveo astronaut David Scott u okviru misije Apollo 15. Bilo je to napravljeno iz pedagoških razloga, ne zato što su fizičari sumnjali u ishod takvog pokusa. Isti Newtonovi zakoni koji su na Zemlji omogućili lansiranje letjelice Rosetta, omogućili su 10 godina kasnije, spuštanje lendera Philae, kojega je nosila Rosetta, na komet Churyumov-Gerasimenko. Konačno, procesi na dalekim kozmičkim objektima, koji su se zbivali milijardama godina ranije, a koje opisujemo primjenjujući poznate nam prirodne zakone, rezultiraju upravo onakvim zračenjem kakvo danas i opažamo teleskopima na Zemlji.
Nije li sve to dovoljno uvjerljivo? Vjerovali ili ne – nije! Fizičari su jako sitničava stvorenja. Oni kažu: "dobro, ali... možda se prirodni zakoni samo malo mijenjaju, toliko malo da je to u svim gornjim primjerima zanemarivo". Može li se napraviti eksperiment u kojem bismo to "malo" opazili? Izgleda da može.
Tri američka fizičara dizajnirala su, izgradila i provela takav eksperiment. Ideja je sljedeća: desetak godina pratiti promjene frekvencije atomskih satova koji, zajedno sa Zemljom, putuju oko Sunca. Atomski satovi su nezamislivo precizni uređaji za mjerenje vremena. U 100 milijuna godina njihovo bi kašnjenje bilo manje od sekunde. To je uobičajena točnost. Zajamčena. Atomski sat-rekorder kasnio bi, ili ranio, jednu sekundu tek nakon 15 milijardi godina.
Nadalje, putanja Zemlje oko Sunca nije kružnica nego elipsa. To znači da udaljenost Zemlje od Sunca nije konstantna nego varira. U prosjeku je ta udaljenost oko 150 milijuna kilometara, no razlika najveće udaljenosti (afela) Zemlja-Sunce i najmanje udaljenosti (perihela) Zemlja-Sunce je oko 5 milijuna kilometara. Uglavnom, udaljenost Zemlja-Sunce se neprestano mijenja i zbog toga se, u raznim točkama putanje, neprestano mijenja i gravitacijski potencijal Sunca. Opća teorija relativnosti predviđa promjenu frekvencije atoma atomskog sata proporcionalnu promjeni potencijala. S obzirom da promjena potencijala oscilira s periodom od jedne godine onda s tim istim periodom oscilira i promjena frekvencije. To je mjerljivi učinak. Međutim, prosjek promjene frekvencije u godini dana je nula. Ako godišnji prosjek promjene frekvencije atomskog sata pratimo iz godine u godinu onda bi konstantna nula značila da se ništa ne mijenja. No, statistički značajan rast ili pad godišnjeg prosjeka promjene frekvencije atomskog sata značio bi vremensku promjenu vrijednosti prirodnih konstanti, primjerice gravitacijske konstante. Ako "konstanta" nije konstanta to znači da se i zakon s vremenom mijenja.
Poznati primjer promjene zakona na kozmičkoj vremenskoj skali je Hubbleov zakon. Danas znamo da je Hubbleova "konstanta" mijenjala vrijednost kroz povijest svemira. Današnja vrijednost (67,66 ± 0,42) km/s/Mpc je ono što nazivamo Hubbleovom konstantom i označavamo kao H0. Općenitu vrijednost te veličine, koja je u različitim vremenima imala različite vrijednosti nazivamo Hubbleovom parametrom i označavamo kao H. Nije, dakle, u fizici nepoznato da se zakon s vremenom mijenja. Ali nije ni uobičajeno. Hubbleov zakon je presedan, što ujedno znači da je opravdano pitanje mijenjaju li se i drugi zakoni u vremenu. Ili u prostoru. Spomenuti eksperiment s atomskim satovima, unatoč velikoj preciznosti, nije u 14 godina zapazio takve promjene u gravitacjskoj konstanti ili brzini svjetlosti. Što bi pak značilo da se opća teorija relativnosti ne mijenja. Ili, da budemo skroz korektni, ne mijenja se na skali desetljeća ni unutar Sunčevog sustava. Ali još uvijek postoji mogućnost da se mijenja na većoj vremenskoj ili prostornoj skali. Fizika je The Neverending Story.