7.  NA GRANICI FIZIČKE REALNOSTI

Zašto je uopšte potrebna Opšta teorija relativnosti ? Zašto se mučiti složenim računima u četvorodimenzionalnom prostor-vremenu kada na i staromodna shvatanja Isaka Njutna ("gravitacija je sila") daju odličnu tačnost svakoj prilici. A matematika Njutnove gravitacije je mnogo jednostavnija od Ajnštajnove. Čak i kad i za slanje ljudi na Mjesec, lansiranje svemirskih brodova ka planetama, stara Njutnova teorija izvanredno funkcioniše pri izračunavanju orbita i trajektorija.

Sve doskora, niko nije sigurno vjerovao da bi u Univjerzumu mogla da postoje mesta gde je prostor-vrijeme ozbiljno zakrivljeno. U blizini Sunca, oko zvijezda i galaksija, gravitacija je prilično slaba i prostor-vrijeme je neznatno zakrivljeno. Zato i staromodna njutnovska shvatanja funkcionišu tako dobro u mnogim prilikama. U slabim gravitacionim poljima, razumno je zameniti efekte zakrivljenog prostor-vremena efektima sile. Tokom 60-tih godina XX vijeka astronomi su najzad počeli da ozbiljnije naprijeduju u razumevanju životnih ciklusa zvijezda. Oni su shvatili da se masivne zvijezde katastrofalno sažimaju pod nesavladivim uticajem gravitacije. Gravitacija oko neke takve masivne zvijezde, koja umire, nije više slaba. I zaista, zakrivljenost prostor-vremena postaje tako velika da zvijezda osuđena na porast nestaje iz naše vasione, ostavljajući iza sebe rupu u kosmosu.

Zamislimo masivnu zvijezdu na kraju njenog života. Svo unutrašnje termonuklearno gorivo je  potrošeno. Eksplozija supernove upravo je rastrgla zvijezdu,  ali u njenom sagorelom jezgru ostalo je još mnogo mase, više od 2,5 solarnih masa. Nema te sile u prirodi koja može da zadrži takvu mrtvu zvijezdu: ona je osuđena da postane crna rupa. Prije početka gravitacionog kolapsa gravitacija na površini zvijezde je relativno slaba, prostor-vrijeme je još uvijek samo neznatno zakrivljeno. Do kolapsa dolazi naglo, čim gravitacija počne da savlađuje sile između čestica unutar sagorele zvijezde. U nekoliko sekundi zvijezda se strahovito skuplja dok njene čestice (protoni, elektroni, neutroni) bivaju zgnječeni jedni u druge. Dok gravitacija sabija zvijezdu na sve manju i manju zaprijeminu, zakrivljenost prostor vremena oko zvijezde postaje sve izraženija, a svjetlosni zraci koji napuštaju zvijezdu skreću pod sve većim uglovima.

 

Kako se zvijezda sve više približava svojoj neizbežnoj sudbini, sve više svjetlosnih zraka savija prijema njenoj površini. Zakrivljenost prostor-vremena dalje raste, tako da još samo zraci koji skoro vjertikalno napuštaju zvijezdu uspevaju da odu. Kako se sve više i više svjetlosti vraća na zvijezdu, nekom udaljenom posmatraču izgleda da zvijezda postaje naglo gubi svoj sjaj.

Na kraju, u kritičnoj fazi kolapsa, zakrivljenost prostor-vremena postaje tako velika da svi zraci savijaju prijema sve manjoj površini zvijezde. Zvijezda prijestaje da emituje bilo kakvu svjetlost u okolan prostor, postaje skroz crna. A kako se ništa ne može kretati brže od svjetlosti, ništa ne uspeva da pobegne sa zvijezde u spoljnu vasionu. Gravitacija je postala tako jaka da zvijezda bukvalno nestaje iz naše vasione. Kada se kolapsirajuća zvijezda skupi do tog stepena da ništa, čak ni svjetlost, ne može da je napusti, kaže se da je zvijezda upala unutar svog horizonta događaja. Termin "horizont događaja" je veoma pogodan. To je doslovno horizont u geometriji prostora i vremena iza kojeg se ne može videti nijedan događaj. Ne postoji nikakav način da se sazna šta se dešava unutar

horizonta događaja. To je mesto koje je odvojeno od našeg prostora i vremena, to više nije deo naše vasione. Na zvijezdinu nesreću, gravitacija nije zadovoljena time što je sabila zvijezdu unutar horizonta događaja. Kako i dalje nema nikakvih sila u prirodi koje i mogle da održe zvijezdu ona se dalje skuplja pod uticajem sve veće gravitacije. Jačina gravitacije i zakrivljenost prostor-vremena raste sve više dok na kraju čitava zvijezda ne bude sabijena u jednu tačku. U toj tački pritisak i gustina su beskonačni, i što je još važnije zakrivljenost prostor vremena je beskonačna. To je tačka u koju ide zvijezda. Svaki atom i svaka čestica zvijezde potpuno su smrvljeni i uništeni na tom mestu beskonačne zakrivljenosti prostora i vremena. To je samo srce crne rupe, koje se zove singularitet. Crne rupe su veoma jednostavne. One imaju samo dva dela: singularitet i horizont događaja koji ga okružuje. Crna rupa je prazna. Tu apsolutno nema ničega. Nema atoma, nikakvih stena, ni gasova ni prašine. Ničega ! Često se o horizontu događaja govori kao o površini crne rupe, na njemu nema ničega opipljivog. Sva zvijezdana materija je potpuno smrvljena i sabijena u singulartitet u centru crne rupe. Sve što postoji u crnoj rupi je oblast beskonačno zakrivljenog prostora i vremena.

Mnogi čudni efekti OTR – isti oni koji su tako zanemarljivo mali ovde na Zemlji, ili u blizini Sunca, uvećani su prijeko svake mjere u blizini crne rupe. Usporavanje vremena, na primer, je na Zemlji potpuno zanemarljivo, ali na horizontu događaja koji okružuje crnu rupu vrijeme se potpuno zaustavlja. Unutar horizonta događaja pravci prostora i vremena su izmenjeni ! Ovde na Zemlji postoji sloboda kretanja kroz prostor, u bilo kom od tri pravca: gore-dole, levo-desno, naprijed-nazad. Ali, voleli mi to ili ne kroz vremenski pravac idemo samo u jednom smeru. Unutar crne rupe postoji sloboda kretanja kroz vrijeme, ali od toga nema nikakve koristi. Koliko se slobode dobije na kretanju kroz vrijeme, toliko se gubi u jednom od pravaca kretanja kroz prostor. Kroz prostor crne rupe moguće je ići samo u jednom smeru, a taj smer vodi pravo u singularitet. Crne rupe spadaju u najjednostavnije objekte u vasioni, ali to su najvjerovatnije i najčudniji objekti u našoj vasioni. Posmatranjem dijagrama uronjavanja, o kojima je već bilo reči, i primenom OTR može se doći do nekih vrlo egzotičnih svojstva crnih rupa.

Zamislimo jednu masivnu zvijezdu prijed kraj njenog života. Prijed početak kolapsa dijagram uronjavanja oko zvijezde izgleda kao prijeterana vjerzija dijagrama uronjavanja oko našeg Sunca. Sa naprijedovanjem kolapsa gravitacija unutar zvijezde postaje sve jača i jača. Zakrivljenost prostor-vrijeme postaje sve naglašenija, a deprijesija u dijagramu uronjavanja postaje sve dublja i dublja. Konačni oblik dijagrama uronjavanja koji prati stvaranje crne rupe, prvi su ispitali Ajnštajn i Rozen 30-tih godina ovog vijeka. Na njihovo iznenađenje našli su da se dijagram otvara i povezuje sa drugom vasionom ! Ovo neobično svojstvo crne rupe nazvano je Ajnštajn-Rozenov most. Ali to nije bilo sve. Kasnije se došlo do zaključka da je samo jedna od mogućnosti da most spaja našu vasionu sa nekom zasebnom oblašću prostor-vremena, koja je potpuno odvojena i nema nikakve veze sa našom vasionom. Ali jednako je bila prihvatljiva i zamisao da je to deo naše vasione. Ovakvi "tuneli" između paralelnih vasiona ili između udaljenih delova jedne iste vasione nazivaju se crvotočine. Treba napomenuti i to da crvotočine mogu da spajaju našu vasionu samu sa sobom na mnogo mesta, ali to bi bila različita mesta u prostor- vremenu. Drugim rečima, ulaskom u jednu od tih "drugih vasiona" mogli bismo ponovo ući u našu vasionu, na istom mestu, ali u nekom drugom vremenu. To je mašina za putovanje kroz vrijeme. Teorijski, kad bi smo zaronili u rotirajući crvotočinu i pažljivo pilotirali našim vasionskim brodom mogli bi smo se ponovo pojaviti u našoj vasioni prije milijardu godina i posetiti Zemlju prije nego što su se na njoj pojavili dinosaurusi. Da li je to zaista moguće ? Da li su neka od ovih fantastičnih predviđanja zaista istinita ? Na kraju krajeva sva ova predviđanja su direktna, logična posledica naše najbolje teorije gravitacije: opšte teorije relativnosti. Ipak, da li treba vjerovati u sve ovo ?

Tu ima nekoliko problema. Na primer, ako bi smo koristili crvotočinu kao vremensku mašinu i vratiti se u vrijeme prije milijardu godina, onda bi svakako mogli da se vratimo na Zemlju jedan sat prije nego što smo je napustili. Mogli bismo da sretnemo sami sebe i

ispričati samom sebi kako je putovanje bilo lepo i zanimljivo. Zatim bi smo obojica mogli ući u raketu i kruniti opet ! I opet ! I opet ! Očigledno, ovo bi bilo veoma čudno stanje stvari. Ipak, da bi smo prošli kroz crvotočinu trebali bi da se krećemo sasvim blizu beskonačno zakrivljenog prostor-vremena ne upadajući u njega. Šta znači stajati blizu singulariteta ? Kakvi se procesi dešavaju u blizini beskonačno zakrivljenog prostor- vremena ? Odgovore na ova pitanja ne znamo, ali teško da bi čovjek mogao da priježivi ono što se tamo dešava pa prijema tome od naših putovanja kroz crvotočine najvjerovatnije nema ništa.

Sedamdesetih godina XX vijeka Stiven Hoking, sa univjerziteta u Kembridžu, je došao na ideju da na crne rupe "primeni" kvantnu teoriji, i to je dovelo do još čudnijih zaključaka. On je pokazao da crne rupe ustvari nisu tako crne.

Vratimo se Hajzenbergovom principu neodređenosti koji prijedstavlja osnovu kvantne teorije. Već je rečeno da postoji neodređenost između položaja i brzine, ali analogna neodređenost postoji između energije i vremena. Ne možemo saznati tačnu energiju sistema u svakom  vremenskom  trenutku.  U  kratkom  vremenskom  intervalu  može postojati velika neizvesnost u pogledu količine energije u subatomskom svijetu. Jedan od najvažnijih zaključaka Ajnštajnove STR je ekvivalentnost mase i energije. Kako  jedna vjerzija principa neodređenosti objašnjava postojanje uzajamne neodređenosti između energije i vremena, princip se može izraziti i drugačije, kao uzajamna  neodređenost između mase i energije u kvantnom svijetu. Dugim rečima,  u  veoma  kratkom vremenskom intervalu ne možemo biti svesni koliko materije ima u nekom delu prostora. U kratkom trenutku treptaja prirode čestice i antičestice se mogu spontano  pojaviti  i nestati. Jedna od osnovnih ideja subatomske fizike  glasi  "Ako  nešto  nije  strogo zabranjeno, onda će se to dogoditi". "Nešto" se ovde odnosi na bilo koji kvantni proces. Prijema tome, parovi svih mogućih čestica i antičestica stalno se  stvaraju  i  uništavaju svuda, na svakom mestu u našoj vasioni. Naravno, nema načina za direktno posmatranje tih parova čestica i antičestica. To zabranjuje princip neodređenosti : parovi jednostavno postoje samo u kratkim vremenskim intervalima da je bilo kakvo posmatranje nemoguće. Zbog toga se oni nazivaju virtuelnim parovima.

 

Kako ovi virtuelni parovi nastaju svuda u vasioni, oni nastaju i u blizini horizonta događaja. Zamislimo sada jedan takav par koji se pojavljuje pored crne rupe. U jednom trenu čestica i antičestica se razdvajaju, ali jedna od tih dveju čestica biva "progutana", od strane crne rupe. Njen partner ostaje napušten, i zbog toga ova čestica ne može više da nestane. Napuštena čestica tako je prinuđena da postane realna čestica u realnom svijetu. Kad bi neko iz daljine posmatrao ovaj proces činilo bi mu se da je čestica izašla iz crne rupe. Tako bi dio doveden do apsolutno

zapanjujućeg   saznanja   da   crna   rupa   emituje

čestice ! Hoking je došao do logičkog zaključka, ističući da energetski bilans prirode mora biti zadovoljen. Energija stvaranja ovih čestica mora doći odnegdje. Očigledan izvor energije je energija gravitacionog polja crne rupe. Kako crna rupa emituje čestice, ona mora da gubi energiju i zbog toga njena masa mora da se smanjuje, odnosno crne rupe isparavaju ! Dok materija curi iz crne rupe, vasionu ulazi nova informacija. Materija koju neka   od   rupa   izbacuje   ima   boju,   strukturu,

hemijski sastav sve svježi, novi podaci koji nisu ranije postojali u vasioni. Crna rupa je

jedan "izvor informacija". Kvantni procesi koji leže u osnovi Hokingovog mehanizma isparavanja su potpuno slučajni. Zbog principa neodređenosti, ne može se predvidjeti gdje i kada će se pojaviti neka nova čestica. Zbog toga su i podaci koji se izbacuju u vasionu iz neke od crnih rupa sasvim slučajni. To je suština skoro formulisanog Hokingovog principa slučajnosti. Kao i Hajzenbergov princip neodređenosti i on je iskaz o osnovnim ograničenjima naše sposobnosti da spoznajemo realnost. Ako u vasioni ima

crnih rupa koje stvaraju nove čestice, onda podaci i informacije ulaze u vasionu na potpuno slučajan način.

Albert Ajnštajn nikada nije volio kvantnu mehaniku, mada je i sam dao veliki doprinos njenom razvoju. Iako je sve do sada rečeno u osnovi bilo o Ajnštajnovom geniju, u jednoj stvari on nije bio u pravu. Kvantna mehanika funkcioniše. U kvantnom svijetu postoji jedna neizvjesnost. Ali, s obzirom na Hokingova otkrića, možda postoji i neki nivo slučajnosti koji se proteže prijeko cijele vasione. O tome govori i Hokingov "odgovor" Ajnštajnu : "Bog ne samo da se igra kockicama, nego ponekad baci kockice tamo gdje se one ne mogu vidjeti."