Свемир и црне рупе: Како је тишина доказала њихово постојање

Једног свежег септембарског дана 1964. године, Роџера Пенроуза посетио је његов стари пријатељ.

Британски космолог Ајвор Робинсон вратио се у Енглеску из Даласа, у Тексасу, где је живео и радио.

Кад год су се њих двојица срела, никад им не би понестајало тема за причу, а њихов разговор овог пута није имао краја и дотакао се широког распона тема.

Док су њих двојица пролазила поред Пенроузове канцеларије на колеџу Биркбек у Лондону, застали су накратко уз ивичњак, чекајући да се рашчисти саобраћај.

Њихов застој у ходу поклопио се станком у разговору и они су ућутали док су прелазили пут.

У том тренутку, Пенроузу су одлутале мисли.

Отпутовале су 2,5 милијарди светлосних година кроз вакуум у спољном свемиру до узавреле масе усковитланог квазара.

Замислио је како се одиграва гравитациони колапс, који увлачи читаву галаксију дубље и ближе центру. Као уметнички клизач који се обрће око своје осе и приближава руке уз тело, маса се окретала све брже и брже како се скупљала.

Овај кратки ментални бљесак довео га је до просветљења - које ће му 56 година касније донети Нобелову награду за физику.

Као и многи релативисти — теоријски физичари који раде на тестирању, истраживању и проширивању Опште теорије релативности Алберта Ајнштајна — Пенроуз је провео ране шездесете проучавајући необичну, али прилично замршену контрадикцију познату као „проблем сингуларитета".

Ајнштајн је објавио своју Општу теорију 1915. године, направивши револуцију у научном разумевању простора, времена, гравитације, материје и енергије.

До педесетих година прошлог века, Ајнштајнова теорија била је изузетно успешна, али су се многа њена предвиђања и даље сматрала мало вероватним или немогућим за доказивање.

Његове једначине су показивале, на пример, да је теоријски могуће да гравитациони колапс сабије довољно материје у довољно мали простор да постане бескрајно густ, формирајући „сингуларитет" од ког ни светло не може да побегне. То је постало познато као црна рупа.

Али у оквиру таквог сингуларитета, познати закони физике — укључујући Ајнштајнову властиту теорију релативности која га је предвидела — више не важе.

Сингуларитети су били фасцинантни за математичке релативисте управо из тог разлога. Већина физичара, међутим, слагала се да је наш Универзум сувише уређен да би садржао такве области.

А чак и ако сингуларитети постоје, не постоји начин да се они виде.

„Дуго је владао огромна скептицизам", каже Пенроуз. „Људи су очекивали да дође до повратка: да објекат колабира, крене да се обрће на неки компликовани начин и да се уз фијук врати у пређашње стање."

Крајем педесетих, опсервације са новог поља радио астрономије учиниле су ове идеје још узбудљивијим.

Радио астрономи открили су нове космичке објекте који су деловали као веома јарки, веома далеки и веома мали.

Прво познати „као квази-звездани објекти" - касније скраћени на „квазари" - ови објекти изгледали су као да емитује превише енергије у премалом простору.

Иако је деловало немогуће, свака нова опсервација указивала је на идеју да се квазари древне галаксије налазе у процесу колапса у сингуларитет.

Научници су били присиљени да се запитају да ли су сингуларитети заиста толико мало вероватни као што су сви веровали?

Теоријски физичар Роџер Пенроуз имао је тренутну инспирацију која је окренула наглавачке наше схватање Универзума. Да ли је то предвиђање из теорије релативности више од пуке математичке маштарије?

У Остину, Принстону, Москви, на Кембриџу и Оксфорду, у Јужној Африци, на Новом Зеланду, у Индији и на другим местима, космолози, астрономи и математичари упели су се да открију коначну теорију која би могла да објасни природу квазара.

Већина научника приступила је овом изазову покушавши да пронађе високо специјализоване околности у којима може да дође до сингуларитета.

Пенроуз, тада предавач на колеџу Биркберк у Лондону, одлучио се за другачији приступ. Његов природни инстинкт одувек је био да тражи општа решења, суштинске принципе и основне математичке структуре.

Проводио је дуге сате у Биркбеку, радећи на огромној табли са кредом исписаним кривама и уврнутим дијаграмима које је сам осмислио.

Тим руских теоретичара предвођених Исаком Калатниковим објавио је 1963. године цењену студију која је потврдила оно у шта је већина научника и даље веровала - сингуларитети нису део нашег физичког Универзума.

У Универзуму, тврдили су они, колабирајући облаци прашине или звезде заправо би се раширили назад пре него што би стигли до тачке сингуларитета. Мора да је постојало него друго објашњење за квазаре.

Пенроуз је био скептичан.

„Имао сам снажан осећај да је према методама које су они користили мало вероватно да би могли да изведу чврсте закључке о томе", каже он. „Изгледало ми је да проблему мора да се приступи на општији начин од онога што су они радили, са донекле ограниченим фокусом."

Иако је одбацио њихове аргументе, и даље није могао да дође до општег решења за проблем сингуларитета.

И тако је било све до Робинсонове посете. Иако је и Робинсон истраживао проблем сингуларитета, њих двојица се нису дотакли ове теме у њиховом разговору тог јесењег дана 1964. године у Лондону.

У краткој тишини која је уследила током тог судбоносног преласка улице, међутим, Пенроуз је схватио да Руси греше.

Сва та енергија, покрет и маса који колабирају заједно би створили толико јаку топлоту да би радијација избила у свим правцима на свакој таласној дужини. Што би били мањи и бржи, то би она била јаркија.

Он је ментално измапирао своје цртеже кредом са табле и скице из дневника на тај удаљени предмет, тражећи у глави тачку коју се Руси предвидели, када би тај облак експлодирао назад у свој претходни облик.

Таква тачка није постојала. У својој глави, Пенроуз је коначно видео да би се колапс неометано наставио. Изван центра згушњавања, објекат би сијао са више светла од свих звезда у нашој галаксији.

И дубоко у себи, светло би се кривило под драматичним угловима, простор-време би се изобличавао, све док се сви правци не би преклопили са свима другима.

Стигло би се до тачке без повратка. Светлост, простор и време би дошли до потпуне тачке прекида. До црне рупе.

У том тренутку, Пенрзоуз је знао да сингуларитет не захтева никакве посебне околности. У нашем Универзитету, сингуларитети нису немогући. Они су неизбежни.

Прешавши на другу страну улице, наставио је разговор са Робинсоном и сместа заборавио о чему је размишљао. Њих двојица су се растали, а Пенроуз се вратио облацима прашине од креде и хрпама папира у својој канцеларији.

Остатак послеподнева наставио се нормално, сем што је Пенроуз био необично добро расположен. Није могао да схвати зашто. Почео је да врти филм од тога дана уназад, покушавши да открије узрок своје еуфорије.

Његов ум вратио се на тај моменат тишине током прелажења улице. И све му је нахрупило назад. Био је решио проблем сингуларитета.

Почео је да записује једначине, тестирајући их, преправљајући, преобликујући. Аргумент је и даље био сиров, али је функционисао.

Гравитациони колапс је захтевао само неке веома опште, лако оствариве енергетске услове, да би пропао у бескрајну густину.

Пенроуз је у том тренутку знао да широм космоса сигурно постоји милијарду сингуларитета.

Била је то идеја која ће обрнути наглавачке наше разумевање Универзума и обликовати све што знамо о њему данас.

У року од два месеца, Пенроуз је почео да држи предавање о својој теореми.

Средином децембра, предао је студију академском часопису Физикал ривју летерс, која је објављена 18. јануара 1965. године - само четири месеца након што је прешао улицу са Ајвором Робинсоном.

Реакција није баш била онаква каквој се надао. Пенроузова теорема сингуларитета је била довођена у питање. Одбацивана. Оспоравана.

Расправа је достигла врхунац на Међународном конгресу опште релативности и гравитације у Лондону касније исте године.

„Није била превише пријатељска атмосфера. Руси су били прилично изнервирани, а људи нису били спремни да признају да су погрешили", каже Пенроуз. Конференција се завршила без коначног закључка.

Али недуго затим, испоставило се да руска студија садржи грешке у прорачунима - њихова математика имала је непоправљиве грешке, њихова теза више није била одржива.

„Постојала је грешка у начину на који су приступили проблему", каже Пенроуз.

Крајем 1965. године, Пенроузова теорема сингуларитета почела је да прави одјеке широм света.

Његов јединствени бљесак просветљења постао је покретачка снага у космологији. Урадио је више него само објаснио шта је квазар - разоткрио је велику истину о суштинској реалности нашег Универзума. Какав год модел Универзума да су људи од тог тренутка смишљали, он је морао да укључи сингуларитете, што је значило научне принципе који иду даље од релативности.

Сингуларитети су такође почели да су увлаче у јавну свест, делом захваљујући томе што су упечатљиво постали познати као „црне рупе", а што је израз који је прва сковала америчка новинарка за науку Ен Јуинг.

Стивен Хокинг се славно ослонио на Пенроузову теорему да би оборио теорије о пореклу Универзума, након што су њих двојица заједно радили на сингуларитетима. Сингуларитети су постали централни за сваку теорију о природи, историји и будућности Универзума.

Експерименталисти су идентификовали друге сингуларитете - укључујући онај у средишту хипермасивне црне рупе у центру наше властите галаксије који су открили Рајнхард Гензел и Андреа Гез, заједнички овогодишњи добитници Нобелове награде за физику са Пенроузом.

Сам Пенроуз развио је алтернативу Теорији Великог праска као Конформну цикличну космологоију, за коју би доказ могао да потиче од заосталих сигнала из древних црних рупа.

Инжењерка и компјутерска научница Кејти Боуман је 2013. године предводила групу истраживача који су израдили алгоритам за који су се надали да ће омогућити да црне рупе буду фотографисане.

У априлу 2019. године, телескоп Ивент хорајзон употребио је овај алгоритам да начини прве снимке црне рупе, пруживши драматичну визуелну потврду и Ајншатајнове и Пенроузове некад контроверзне теорије.

Иако је Пенроуз, сада у 89. години, задовољан што је примио највећу почаст из физике, Нобелову награду, њега тренутно мучи нешто друго.

„Делује страшно необично. Покушавам да се прилагодим. Веома сам поласкан и почаствован и страшно то ценим", каже ми он неколико сати након што је примио вест.

„Али, с друге стране, покушавам да напишем три различита научна чланка истовремено и ово ми то отежава више него икад пре." Телефон, објашњава он, не престаје да звони, док људи покушавају да му честитају а новинари да му закажу интервјуе. А сва та халабука одвлачи му пажњу од концентрације на његову најновију теорију.

Пенроуз зна најбоље од свих колика је моћ тишине и бљесак просветљења који она може да донесе.

*Печен Барс је научни новинар из Торонта и аутор који пише биографију Роџера Пенроуза.

Пратите нас на Фејсбуку и Твитеру. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]