14 - PERPRETUUM MOBILE

Tri zakona i simetrije

Ali to otvara dublje pitanje: zašto gvozdeni zakoni termodinamike uopšte važe? Ta je misterija kopkala naučnike otkad su formulisani. Kad bismo odgovorili na to pitanje, možda bismo uspeli da otkrijemo rupe u njima, a posledice bi bile dramatične.

Pravo poreklo očuvanja energije za koje sam saznao na studijama ostavilo me je tada bez daha. Jedan od fundamentalnih principa fizike (koji je otkrila matematičarka Emi Neter 1918. godine) kaže: kad god sistem ima simetriju, na snazi je zakon o očuvanju. Ako se zakoni svemira ne menjaju tokom vremena, sledi zadivljujući zaključak da sistem održava energiju. Povrh toga, ako se zakoni fizike ne menjaju u kom god smeru se vi kretali, i impuls se održava u svakom smeru. A ukoliko se zakoni fizike ne menjaju prilikom rotacije, održava se moment impulsa.

Na to sam se zabezeknuo. Saznao sam da analiza svetlosti zvezda iz galaksija udaljenih milijardama svetlosnih godina, na samom obodu vidljivog svemira, otkriva da je spektar svetlosti identičan spektru na Zemlji. U prastaroj svetlosti emitovanoj milijardama godina pre rođenja Zemlje ili Sunca nepogrešivo nalazimo „otiske prstiju“ spektra vodonika, helijuma, ugljenika, neona i tako dalje, čega ima danas i na Zemlji. Drugim rečima, osnovni zakoni fizike nisu se promenili milijardama godina i konstantni su sve do samih granica svemira.

Uvideo sam da teorema Emi Neter u najmanju ruku znači kako će održanje energije verovatno važiti milijardama godina, ako ne i zauvek. Koliko nam je poznato, nijedan fundamentalni zakon fizike nije se promenio otkad je veka – zato se energija održava.

Implikacije teoreme Emi Neter po modernu fiziku duboke su. Kad god fizičari definišu novu teoriju, bilo da se odnosi na poreklo svemira, interakcije kvarkova i drugih subatomskih čestica ili na antimateriju, počinje se od simetrija koje važe u sistemu. Zapravo, simetrije su fundamentalni vodeći principi u formiranju svake nove teorije. Za simetrije se nekad mislilo da su usputne posledice teorija – simpatične, ali beskorisne odlike teorije, elegantne, ali ne i neophodne. Danas nam je jasno da su simetrije presudna karakteristika koja definiše teoriju. U osmišljavanju novih teorija fizičari počinju od simetrije, a potom oko nje grade teoriju.

Nažalost, Emi Neter je poput Bolcmana pre nje morala žestoko da se bori za priznanje. Stalne pozicije u vodećim institucijama bile su joj nedostupne jer je bila žena među matematičarima. Mentor Emi Neter, veliki matematičar David Hilbert, bio je toliko razočaran što nije uspeo da joj obezbedi poziciju predavača, da je izjavio: „Šta smo to mi, univerzitet ili parno kupatilo?“

Ovo što smo izložili navodi nas da postavimo uznemirujuće pitanje. Ako se energija održava zato što se zakoni fizike ne menjaju tokom vremena, da li bi ova simetrija mogla da se naruši u retkim, neobičnim okolnostima? I dalje postoji mogućnost da bi održanje energije moglo da se naruši u kosmičkim razmerama, kad bi se simetrija naših zakona poremetila na egzotičnim i neočekivanim mestima.

Moglo bi se narušiti ukoliko bi se zakoni fizike menjali tokom vremena ili s udaljenošću. U Asimovljevom romanu Bogovi lično ta simetrija je narušena jer postoji rupa u prostoru koja spaja naš svemir s paralelnim svemirom. Zakoni fizike se menjaju u blizini rupe, te je krah zakona termodinamike moguć. Dakle, očuvanje energije moglo bi se poremetiti ako bi postojale rupe u prostoru, odnosno crvotočine.

Druga rupa u zakonima koja je predmet žestoke debate ovih dana jeste pitanje da li energija može da se pojavi niotkud.

Energija iz vakuuma?

Fizičare muče mnoga pitanja, među njima i to je li moguće izdvojiti energiju iz ništavila? Oni su tek nedavno uvideli da ništavilo vakuuma uopšte nije prazno, već da vrvi od aktivnosti.

Jedan od zagovornika ove ideje bio je Nikola Tesla, ekscentrični genije dvadesetog veka, dostojan rival Tomasa Edisona. Zastupao je i ideju o energiji nulte tačke po kojoj bi vakuum mogao da sadrži nemerljive količine energije. Ako je to tačno, vakuum bi bio konačni „besplatni ručak“, izvor neograničene energije dobijene doslovno iz vazduha. Vakuum ne bi bio prazan, lišen bilo kakve materije, već bi bio najveće skladište energije.

Tesla je Srbin rođen u malom mestu u današnjoj Hrvatskoj. U Sjedinjene Države je stigao 1884. godine, praznih džepova. Uskoro je postao asistent Tomasa Edisona, ali postao mu je rival zbog svog ogromnog talenta. Tesla i Edison bili su akteri čuvenog nadmetanja koji su istoričari nazvali Rat struja. Edison je smatrao da može napajati svet električnom energijom pomoću svojih motora na jednosmernu struju, dok je Tesla, tvorac naizmenične struje, uspešno pokazao kako su njegove metode mnogo nadmoćnije a gubici prilikom slanja energije na daljinu znatno su manji. Danas se čitava planeta snabdeva električnom energijom na osnovu Teslinih patenata, a ne Edisonovih rešenja.

Teslinih otkrića i patenata ima preko sedamsto i među njima su neka od najvažnijih, presudnih rešenja u modernoj istoriji električne energije. Istoričari mogu dokazati da je Tesla izmislio radio pre Guljerma Markonija (kome šira javnost pripisuje zasluge za to) i da je radio sa x-zracima pre nego što ih je Vilhelm Rentgen zvanično otkrio. (I Markoni i Rentgen će dobiti Nobelovu nagradu za otkrića do kojih je Tesla verovatno došao godinama ranije.)

Tesla je verovao i da može izdvojiti neograničeno mnogo energije iz vakuuma, ali tu tvrdnju nažalost nije dokazao u svojim beleškama. Energija nulte tačke (iliti energija u vakuumu) na prvi pogled narušava prvi zakon termodinamike. Iako se energija nulte tačke kosi sa zakonima njutnovske mehanike, opažanje energije nulte tačke nedavno je iskrslo iz drugog pravca.

Analizirajući podatke dobijene od satelita koji su trenutno u orbiti oko Zemlje, kao što je WMAP, naučnici su došli do zaprepašćujućeg zaključka da je punih 73 posto univerzuma načinjeno od tamne energije, odnosno energije čistog vakuuma. To znači da je najveći rezervaor energije u čitavom svemiru vakuum koji razdvaja galaksije u njemu. Ova tamna energija je toliko prevlađujuća da gura galaksije jedne od drugih, a mogla bi i da raskomada svemir u Velikom smrzavanju.

Tamna energija je sveprisutna u svemiru, ima je čak i u vašoj sobi i unutar vašeg tela. Količina energije u spoljnom svemiru istinski je astronomska i nadmašuje svu energiju zvezda i galaksija zajedno. Možemo i da izračunamo količinu tamne energije na Zemlji – ispostavlja se da je prilično mala, previše mala da bi se koristila za pokretanje perpetuum mobile mašine. Tesla je bio u pravu u vezi s tamnom energijom, ali pogrešno je procenio količinu tamne energije na Zemlji.

Ili možda nije?

Jedna od najneprijatnijih praznina u modernoj fizici zjapi na mestu gde bi trebalo da stoji cifra koja pokazuje količinu tamne energije, mereno prema podacima iz naših satelita. Primenimo li najnoviju teoriju atomske fizike da izračunamo količinu tamne energije u svemiru, dolazimo do brojke koja je pogrešna 10120 puta! To je jedinica iza koje nanizano 120 nula! Ovo je bez premca najveće razilaženje teorije i eksperimenta u čitavoj fizici.

Ključno je to što niko ne zna kako da izračuna energiju ništavila. To je jedno od najvažnijih pitanja u fizici (jer će na kraju i odrediti sudbinu svemira), ali trenutno nemamo pojma kako da izračunamo tu energiju. Nijedna teorija ne može da objasni tamnu energiju, iako nam eksperimentalni dokazi njenog postojanja bodu oči.

Dakle, vakuum zaista ima energiju, kako je Tesla pretpostavljao. Ali količina te energije verovatno je previše mala da bi se iskoristila kao izvor energije. Iako prostor između galaksija obiluje tamnom energijom, na Zemlji je ima vrlo malo. No suočeni smo s neprijatnom činjenicom da niko ne zna kako da izračuna tu energiju niti se zna otkuda je došla.

Hoću da kažem kako su razlozi za očuvanje energije duboki, kosmološki. Svako kršenje ovih zakona neizbežno bi povlačilo za sobom duboku promenu u našem tumačenju evolucije svemira. A misterija tamne energije nagoni fizičare da se direktno suoče s ovim pitanjem.

Da bismo konstruisali pravi perpetuum mobile, morali bismo da preispitamo fundamentalne zakone fizike na kosmološkom nivou, te perpetuum mobile svrstavam u nemoguće stvari klase III. Tamna energija ostaje među važnim nedovršenim poglavljima u modernoj nauci.

| 1 | 2 | 3 | 4 |

Entropija

Prikaz knjige Fizika nemogućeg

Mičio Kaku

Fizika nemogućeg

304 strana

Cena u knjžarama: 1296 dinara Cena kod izdavača: 990 dinara + poštarina 100 dinara

Cena preko AM: 890 dinara + 100 dinara poštarina