Kako Sunce svijetli? Da li su zakoni fizike isti u cijelom svemiru? Što je uopće znanost?

Posebno su mi zanimljiva znanstvena otkrića koja, barem na prvu, se čine posve kontra-intuitivno, jer stvaraju onaj osjećaj čuđenja i istraživanja svijeta kojeg najviše imaju djeca. Nešto se čini da bi trebalo biti onakvo ili ovakvo, a ispadne sasvim različito - nova prilika za učenje, re-evaluaciju starih mišljenja, usvajanje novih. Koliko se može, jasno, jer ipak smo ljudi. Što me dovodi do prve teme...

Science advances one funeral at a time

Dok sam radio na fakultetu nisam ozbiljno shvaćao ovu izjavu, no iskustvo me razuvjerilo. Njen smisao je da je znanost ljudska konstrukcija i znanstvenici ljudi, sa svojim dobrim i lošim stranama - entuzijazmom, željama, životnim problemima, raspoloženjima. Ljudi smo, i osobni interesi (svjesni ili nesvjesni) su najčešće puno jači od društvenih. Na primjer, kapitalizam puno jače potiče napredak znanosti od socijalizma jer obećava ljudima koji smisle nešto da će se osobno obogatiti, dok ovaj drugi samo obećava zahvalnost društva. Vrlo se rijetko dogodi da neka drastično nova ideja bude brzo prihvaćena, čak i ako matematički i eksperimentalno stoji. Kao da se tu opet pojavljuje ljudska osobina gdje je puno jači strah od gubitka (starih ideja, postojećih vjerovanja i znanja) na štetu prihvaćanja novih (koji su možda riskantni). Tek vrlo rijetko nešto što je otkriveno ili dokazano postane brzo prihvaćeno, i to obrnuto proporcionalno tome koliko je zapravo novo i različito od postojećeg: male promjene se brže prihvaćaju. Velike obično trebaju izmjenu bar jedne generacije znanstvenika.

{width="80%"}

Da prihvaćanje znanstvenih teorija od strane znanstvenika nije instantno i da su i oni ljudi sa svojim pristranostima ilustiraju primjeri oko Einstenove Opće relativnosti. Najzanimljiviji primjer je "Njemačka fizika" gdje je nekoliko poznatih njemačkih fizičara 1930-tih odbilo prihvatiti Einstenove teorije, među ostalim, od svih razloga, jer je bio Židov. Takav stav je Nijemce koštao nuklearnog programa u WW2, koji dobrim dijelom ovisi o njegovim teorijama. To nije jedini slučaj, i među razlozima za odbijanje Eisteinovih teorija su: jer su znanstvenici vjerovali da su sve sile u prirodi zapravo različita djelovanja elektromagnetske sile, jer mjerni instrumenti početkom 20-og stoljeća nisu bili dovoljno precizni da ih izravno potvrde (zadnji detalji Einstenove teorije su eksperimentalno potvrđeni tek prošle godine), jer su vjerovali u postojanje kozmičkog Etera i jer im se jednostavno ideje nisu sviđale ili ih nisu razumjeli.

Općenito u fizici i životu, daleko je veći broj tvrdnji, izjava, ideja koje su neistinite nego onih koje su istinite (praktički za bilo koju definiciju "istine" - a ima ih više) - to je na neki način intelektualni ekvivalent zakona termodinamike: postoji daleko više načina na koji sustav može biti u neredu nego na koji može biti u redu.

Kako Sunce svijetli?

Jedan primjer toga kako je često potrebna izmjena generacija da bi se neka ideja prihvatila je pitanje: kako zvijezde svjetle? Većina nas je čula negdje tijekom školovanja priču da su zvijezde velike termonuklearne bombe u stalnoj eksploziji, zato što zbog njihove veličine gravitacija stišće atome u jezgri tako jako da se jednostavno spoje (to "fuzija" znači: spajanje). Međutim, ispostavilo se da to ne stoji jer su izračuni na temelju preciznijih mjerenja pokazali da unatoč ogromnosti Sunca (a više od 90% mase svih stvari u Sunčevom sustavu zajedno otpada na Sunce samo po sebi), gravitacija u njegovom središtu nije dovoljno jaka da približi jezgre atoma dovoljno blizu jedne drugima da se spoje (spriječava ju to što se pozitivno nabijeni protoni međusobno odbijaju).

Događa se nešto drugo: dok gravitacija samo malo približi atome, jednostavna koncentracija atoma, broj atoma koji su blizu jedni drugome, je dovoljna da neki od njih kvantno tuneliraju jedan u drugi i tako se spoje.

Kvantno tuneliranje je, koliko za sada razumijemo fiziku (a i to je upitno), posljedica esencijalne nesigurnosti u položaj čestica na subatomskoj i atomskoj razini (sjetite se da je atom vodika sastavljen od samo dvije subatomske čestice: protona i elektrona). Heisenbergova poznata teorija opisuje da što preciznije znamo momentum čestice (na hrvatskom je to "količina gibanja", a na svakom jeziku umnožak mase i brzine), to slabije znamo gdje je ta čestica. Namjerno kažem da teorija "opisuje" stanje jer nipošto nije jasno "zašto" bi to bilo tako. Ali jedna posljedica koja je izmjerena i po svemu sudeći potvrđena je da je ta tvrdnja dvosmjerna: za svaku česticu, možemo postaviti pitanje: koliko je vjerojatno da će se naći na nekom mjestu (odnosno, koliku energiju čestice trebaju imati da se neki postotak njih nađe na nekom mjestu) i odgovor neće biti 0. Biti će vrlo blizu nule, toliko blizu da je u gotovo svim slučajevima ta vjerojatnost zanemariva, čak i ako radimo s kvantnom fizikom - ali nije zanemariva ako se radi o nečem što je tako masivno kao zvijezda koja sadrži 10E56 atoma: 10 iza kojeg slijedi 56 nula. Kad je tako puno atoma na hrpi, možemo postaviti pitanje: od svih njih, s energijama koje imaju u središtu Sunca, koliko ih je takvih da je njihov položaj usred drugog atoma, i dobiti ćemo odgovor: nije nula. Na tu količinu atoma, ima ih dovoljno da se zbog kvantnog tuneliranja dio njih završi doslovno teleportiran usred drugih atoma, gdje se spoje i u tom spajanju emitiraju višak energije (otprilike kao da je ta energija ono što ih drži razdvojenim) - i Sunce svijetli.

Znači istina je, Sunce svijetli zbog fuzije, ali ta fuzija nije posljedica gravitacije koja zbija atome, nego kvantnog tuneliranja koje kaže da atomi imaju ekstremno malu, ali postojeću šansu, da se nađu bilo gdje, pa i unutar drugih atoma. Da se bilo kakva slično velika masa atoma nađe na istom mjestu u isto vrijeme, dogoditi će se isto.

(Ovaj rezultat su prigrlili razne new age grupe kao "dokaz" da sve utječe na sve drugo, pa se tako na primjer atomi sa zvijezde Sirius mogu naći čas ovdje-čas ondje. Tehnički, to je točno prema gore opisanom mehanizmu, ali ako se prihvaća taj mehanizam, mora se prihvatiti u cijelosti a ne samo dijelovi koji odgovaraju nekoj filozofiji. A u cijelosti znači dvije stvari: prvo, da je takvo tuneliranje fantastično rijetko, da je potrebna cijela ogromna zvijezda puna ioniziranih atoma da se statistički dogodi da se neki primjetan broj čestica "premjesti" u susjedne čestice, na fantastično malim udaljenostima, doslovno među 2 protona. Da, tehnički, moguće je da proton iz Sirijusa kvantno tunelira do vašeg srca, ali vjerojatnost za to je negdje nula cijelo tisuću nula pa onda nešto. Drugim rječima, vjerojatnost da se neki proton iz Sirijusa stvorio negdje u cijelom ogromnom sunčevom sustavu tijekom cijelog vremena postojanja zemaljske kugle je još uvijek nešto kao nula cijela devetsto nula. Druga stvar: čak i ako se to dogodi, to je jedan jedini proton, beznačajan čak i za jednu bakteriju koja ima oko 50 milijardi atoma, odnosno oko 600 milijardi protona.)

Što je zapravo Svemir?

Ako ste mislili da je gornji opis kako zvijezde svijetle novi pronalazak, neka nova teorija, pa se zato još ne uči u školama - nije. On je rezultat izračuna kvantnog tuneliranja i poznat je i masovno prihvaćen već negdje oko 60-tak godina. Malom Perici u školi vjerojatno nije naročito bitno da li Sunce svijetli zbog gravitacije ili zbog kvantnog tuneliranja, ali ovaj opisani mehanizam je još zanimljiviji od prošlog!

Kvantna fizika je u mnogočemu neintuitivna i unutar nje postoje mnoge, često nekompatibilne teorije koje objašnjavaju primijećene pojave. To također ilustrira zašto se dogodilo ono s Einsteinom: neki znanstvenici nisu prihvatili njegove teorije jer je bilo puno raznih teorija, za koje su mislili da su točnije, iz raznih razloga.

Takva je trenutna situacija s kvantnom fizikom u kontekstu najopsežnijeg pitanja od svih: Što je Svemir? Evo nekoliko odgovora o kojima se ozbiljno raspravlja. Predložene su razne teorije koje interpretiraju ono što su eksperimenti otkrili na način koji, s raznih gledišta, izgledaju više ili manje točno. Jedna od njih je možda točna i za 50 ili 100 godina ćemo spominjati samo nju, a ostale će biti zaboravljene kao Eter, ili možda nijedna od njih nije točna i stvarnost je daleko čudnija nego što sada možemo pretpostaviti.

Najviše fizičara trenutno prihvaćaju Kopenhagensku interpretaciju, koja u osnovi kaže: ne znamo ali možda nije ni bitno. Napravljen je matematički model u koji se uklapaju eksperimenti ("Standardni model"), i taj model je dovoljno dobar da predviđa rezultate eksperimenata koji su načinjeni poslije njega, dakle čini se točnim ili dovoljno točnim koliko možemo izmjeriti. Ova interpretacija kaže da je kvantni svemir totalno različit od naše predodžbe o tome kako bi se on "trebao ponašati" da čak nema smisla ni postavljati pitanja tipa "koliki je momentum čestice kojoj smo izmjerili poziciju". Na neki način, ova interpretacija kaže da je naša intuicija o prostoru i vremenu posve nedovoljna (ili čak pogrešna) da na temelju nje stvaramo predodžbu stvarnosti, da naši koncepti prostora, vremena i gibanja nemaju nikakvog smisla kad se radi o kvantnim pojavama, i jedino što vrijedi je matematika koja predviđa kontra-intuitivne stvari, ali koja se za sada slaže s eksperimentima. Na pitanja "zašto" nije moguće odgovoriti.

"Multiverse" interpretacija, odnosno teorija paralelnih svemira, pokušava riješiti paradoks toga da čestice ne idu tamo gdje bi intuitivno mislili da trebaju ići tako da pretpostavlja da čestice idu u svim smjerovima u kojima uopće mogu ići, i svaki put kad se to dogodi, svaki od tih smjerova se dogodi u paralelnom svemiru. Prema tome, postoji doslovno beskonačno svemira u kojima su ostvarene sve mogućnosti koje ikada mogu postojati, i u svakom svemiru je ostvaren drugačiji od mogućih ishoda. Ova teorija nema razrađenu matematiku oko toga kako se točno to događa, i, na primjer, odakle se stvaraju (ili već postoje?) ti paralelni svemiri, i više je slikovita i filozofska nego praktična.

Relacijska kvantna mehanika paradoks nesigurnosti oko čestica pokušava riješiti tako da pretpostavlja da sve ovisi o promatraču na način da postoji dodatna osobina kvantnih sustava koju još ne znamo točno definirati, koja kontrolira "odnos" među česticama, i da je zapravo taj odnos ono što eksperimenti mjere. Prema ovoj teoriji, ne postoji apsolutno stanje čestice: ne postoji apsolutna pozicija ili momentum, nego samo pozicija i momentum u odnosu na druge čestice, sve do eksperimentalnih uređaja i preko njih do naših mozgova. Na neki način, proton u Siriusu ostaje u Siriusu zato što smo mi ovdje. Da smo mi negdje drugdje, možda bi izmjerili drugačije. Ili da smo dinosauri.

Informacijska interpretacija je, ovisno koga se pita, ili još luđa, ili još genijalnija od interpretacija s paralelnim svemirima. U osnovi kaže da je lako moguće da sve što smo eksperimentima primjetili govori više o nama nego o samom svemiru. Da je kvantna fizika kao takva može samo opisati naš odnos, ili naše sučelje, prema svemiru, a ne i sam svemir. Znači da zapravo ne proučavamo svemir, nego samo manipuliramo (ili samo sakupljamo) informacije o svemiru. Nije bitan (i u ekstremnim interpretacijama ne postoji) svemir, nego postoji samo skup informacija o nečemu što nazivamo svemir. Puno znanstvenika kroz povijest, od Newtona do Nielsa Bohra, se pitalo da li postoji i kakav je odnos matematičkog opisa svemira i samog svemira - uključujući i nemalu količinu pitanja "zašto": zašto matematika tako dobro opisuje svemir? Ova teorija ide u smjeru da kaže da to nije bitno: u neku ruku da matematika jeste svemir, ali još i jače: da ni matematika sama ne postoji, zbog istog razloga, nego postoje samo informacije. Ako vas ovaj opis podsjeća na film Matrix, to je namjerno.

Interpretacija da svijest utječe na svemir iako zvuči dosta ezoterično, je jedna od teorija o kojoj su razmišljali ozbiljni fizičari. U njoj, problem kvantne nesigurnosti, i to najviše onaj dio koji u eksperimentima izgleda kao da mjerenja utječu na rezultat, se riješava tako da se pretpostavlja da je potrebna svijest koja formira mjerenja i interpretira rezultate, da bi rezultati uopće postojali. Dok standardna interpretacija samo opisuje da postoji skup vjerojatnosti da se nešto dogodi, a tek nakon obavljanja eksperimenta se vidi koja od mogućnosti se zapravo dogodila, ova teorija eksplicitno kaže da je to zato što postoji svjesni promatrač koji je interpretirao mjerenja - da nije njega, čestica čak možda ne bi ni postojala, a kamo li negdje konkretno išla. U nekim stvarima ovo je slično informacijskoj interpretaciji, ali dok ta pretpostavlja objektivno postojanje samo informacija, a i mi i naša svijest smo samo dodatne informacije, ova pretpostavlja da postoji svijest kao nešto zasebno, koja aktivno, po definiciji, utječe na svemir.

Različiti znanstvenici su predlagali, objašnjavali, slagali se ili ne slagali s ovim i mnogim drugim teorijama: postoje ih na desetke. Izgleda kao da je najbolja stvar koju trenutno možemo je nadati se budućnosti u kojem će se pokazati da je neka od njih (ili neka sasvim nova) prava teorija.

A što ja mislim? Poštujem praktičnost Kopenhagenske interpretacije koja kaže "ako želiš postići neki rezultat, evo matematike kojom ćeš ga izračunati, i nemoj pitati zašto." To je model koji zapravo funkcionira i omogućuje nam sve od leta u svemir do proizvodnje mikroprocesora (način na koji rade tranzistori je moguć zbog kvantnog tuneliranja, a u mikroprocesorima su tako blizu i tako mali da bez obzira podliježu kvantnim efektima). S druge strane, želim napisati SF knjigu u kojoj se svemir ponaša s kombinacijom informacijske interpretacije i svjesnosti: ako svi vjeruju da na Mjesecu žive morske sirene, onda će kad raketom dođu do njega naći morske sirene. U takvom svemiru, informacije i propaganda su doslovno oružije.

Je li Svemir svuda isti?

Pod-pitanje toga što je zapravo Svemir je: da li je Svemir posvuda isti? Da li zakoni fizike koje smo izmjerili na Zemlji vrijede i na Sirijusu? A u drugoj galaktici?

Odgovor već sada izgleda da bi mogao biti: ne. Nije još sigurno, no postoje indikacije da su neke osnovne konstante svemira o kojima ovise zakoni fizike, bile različite u prošlosti, a možda su i zbog toga, različite i sada u različitim dijelovima Svemira (možda su se različiti dijelovi svemira drugačije razvijali, možda brže ili sporije).

Posljedice ako bi se pokazalo da različiti dijelovi svemira imaju različite zakone fizike su velike i bizarne: što ako napravimo svemirski brod, koji ode do neke zvijezde, a kad se približi ispadne da je tamo čelik mekši od aluminija? Ili ako su u tom svemirskom brodu neka živa bića, se pokaže da zakoni fizike nise takvi da se događaju kemijske reakcije nužne za život? Da se jednostavno C i O više ne spajaju u CO2?

Još i gore, što ako se ispostavi da sve observacije koje sad radimo o dalekim svemirskim objektima ne stoje, jer na primjer, gravitacija je različita oko različitih zvijezda i galaksija pa se one ne privlače istom mjerom kao što bi se privlačile da su nam bliže? Da su zbog toga teorije o tome kako daleke zvijezde svijetle ili kako orbitiraju oko galaksija, ili kako nastaju crne rupe, zbog toga pogrešne?

Ne znamo još.