Džim Pibls, slika iz osamdesetih, sa vrhunca njegove kreativne karijere i skica širenja svemira od rane do sadašnje faze, koji su bili predmet njegovih istraživanja.

 

Kako je objavljeno 8. oktobra, Nobelovu nagradu za fiziku 2019-te godine dele, za zasebna otkrića, jedan kosmolog i dva astronoma. Opisaćemo ovde doprinos kosmologa Džima Piblsa (Jim Peebles, ili zvanično P.J.E. Peebles), kome je dodeljena jedna polovina nagrade. Kao što ćemo videti, ovo priznanje je koliko zaslužno toliko u nekom smislu i anti-klimaktično.

Pibls je rođen 1935. godine, poreklom Kanađanin iz prostrane provincije Manitoba. Posle svršenih studija na matičnom univerzitetu doktorirao je na Prinstonu u SAD gde je zatim i proveo svu karijeru. Po formalnom penzionisanju, njegovo sadašnje zvanje je ništa manje nego zaslužni, titularni „Albert Ajnštajn profesor prirodnih nauka.“ Drugim rečima, profesor počasne katedre nazvane po Ajnštajnu.

Pod uticajem svog mentora, čuvenog fizičara Roberta Dikija (Robert Dicke, 1916-1997) koji je bio retko kreativan i kao teoretičar i kao eksperimentalac, Pibls je započeo istraživanja ranog svemira u najbolje vreme, sredinom šezdesetih godina, kada se tehnologija primakla granici mogućih posmatračkih potvrda teorije. U narednoj deceniji nuklearni fizičari i fizičari elementarnih čestica polako su počeli da shvataju da je rani svemir idealna laboratorija za njihovu fiziku. Jer što je svemir bio manji, bio je topliji, pa su se tu spontano odigravali visoko-energetski procesi kojima se bave nuklearna fizika i fizika elementarnih čestica. Pibls je gotovo jedini živi svedok početka te savremene, poluvekovne epohe, čijem stvaranju je sam toliko doprineo, u kojoj je kosmologija od uske, visoko teorijske i špekulativne oblasti postala precizna nauka koja se bavi obiljem posmatranih i izmerenih fenomena.

 

Period ranog svemira koji smo bolje upoznali zahvaljujući i Džimu Piblsu počinje otprilike od stotog dela sekunde posle Velikog praska i proteže se do sadašnjeg vremena. Ili od regiona van sadašnjeg vidljivog svemira pa do naše bliske okoline. Izvor.

Sam Pibls je uveo i popularizovao termin „fizička kosmologija“, koji je danas manje u upotrebi, da podvuče razliku između starijih kosmoloških razmatranja koja su se bavila iskjučivo geometrijom svemira koristeći Ajnštajnovu Teoriju relativnosti, i novih, detaljnijih istraživanja koja uz Teoriju relativnosti koriste i poznate zakone atomske, nuklearne, i fundamentalne fizike. Njegove radove je uvek odlikovalo odlično poznavanje posmatračkih činjenica, potpuno razumevanje neophodne fizike i direktan, eksplicitni prilaz, bez ustezanja od kompleksnih, preciznih računa. Imao je takođe i takmičarski duh, uvek u trci da bude korak ispred svojih rivala i da formuliše glavne teme istraživanja kao „radnu dogmu“ svog vremena, što je uopšte zamorna karakteristika fizičara sa Prinstona, jednog od vodećih istraživačkih univerziteta u svetu.

Da bi ih razumeli šta je to Pibls uradio treba se prvo podsetiti osnovne fizičke slike: ako rastojanja između grupa i jata galaksija sada rastu, u prošlosti ona su bila manja.

Naprimer, na udaljenosti od oko 50 miliona svetlosnih godina od naše Galaksije vidimo takozvano galaktičko jato Device sa oko hiljadu i po galaksija. Kada je svemir bio recimo hiljadu puta manji to rastojanje je bilo samo oko 50 hiljada svetlosnih godina. To je jedva polovina prečnika naše Galaksije, ali sada u tom prostoru imamo i našu Galaksiju, i preko hiljadu galaksija jata Device, i stotine onih galaksija koje su između. Jasno ja da tada ni galaksije ni same zvezde nisu mogle da postoje kao zasebne celine - nije bilo mesta za to! Kosmolozi zato zamišljaju da je materija u tom dobu postojala kao „prvobitna supa,“ kao topli gas ili plazma atoma ili njihovih još manjih sastavnih delova.

Ta epoha i njene posledice, specijalno, kako od te epohe širenjem dolazi do našeg sadašnjeg svemira, bile su oblast istraživanja Džima Piblsa.

NAGRADA

Nobelova fondacija eksplicitno navodi pet njegovih doprinosa. Razmotrimo ih sada redom.

Sinteza helijuma u toplom, ranom svemiru. Što je svemir bio manji, to je „prvobitna supa“ elementarnih čestica bila toplija. Ako je postojalo doba u kome je temperatura širenjem opadala sa oko milardu na desetak miliona stepeni, tada, po onome što znamo o nuklearnim procesima, moralo je u tom periodu da dođe do spajanja protona i neutrona u prosta jezgra teškog vodonika (takođe poznat kao deuterijum; jedan proton i jedan neutron) i helijuma (dva protona i dva neutrona), kao i u još par lakših elemenata i njihovih izotopa.

Šematičan prikaz procesa sinteze deuterijuma (₁²H, teškog vodonika) i helijuma (₂⁴He) iz protona i neutrona u doba kada je svemir bio od deset miliona do milijardu puta manji. Izvor.

Pibls je računao te procese 1966-te, i Nobelova fondacija posebno ističe njegov zaključak o vezi sadašnje procentualne koncentracije helijuma i ukupne srednje gustine svemira, parametra koji kontroliše geometriju svemira i koji su astronomi pokušavali da izmere u toku bezmalo pet decenija. 

Ključni zaključak tih proračuna je da materija u našem sadašnjem svemiru prevashodno postoji u formi vodonika i helijuma u odnosu 3:1. To predviđanje je brilijantno potvrđeno nizom posmatranja zvezda, i međuzvezdanog i međugalaktičkog gasa. Na osnovu toga mi onda indirektno znamo da je naš svemir u prošlosti bio bar do milijardu puta manji, u stanju tople „primordijalne supe“ sa temperaturom do miljardu stepeni.

Grafikon savremenih računa koji pokazuje kako je u toku prvih nekoliko minuta postojanja svemira (kada su sadašnja rastojanja bila između milijardu i oko deset miliona puta manja). Vidi se kako su se koncentracije prostih jezgara ustalile pri kraju te epohe (desno), kao i da gustinom svemira dominiraju vodonik (H) i helijum (He). Treba primetiti rast koncentracije helijuma (zelena linija) od nule do jedne četvrtine. Izvor. Ovakav zaključak je brilijantno potvrđen merenjima obilnosti raznih hemijskih elemenata u sadašnjem svemiru.

Mikrotalasno pozadinsko zračenje (CMB). Daljim širenjem svemira temperatura i dalje opada, jačina sudara takođe pada, pa pozitivno naelektrisani protoni koji zahvate negativno naelektrisane elektrone mogu da opstanu kao neutralni atomi vodonika i helijuma (mnogo teži elementi još nisu postojali). Posledica je da je svemir postao proziran! Naime, nalektrisane čestice, kao što su slobodni protoni i elektroni, efikasno rasejavaju svetlost a neutralni atomi daleko slabije, tako da raniju fazu možemo da zamislimo kao „maglu“ a postepen prelaz u neutralne atome kao ivicu te magle.

Kao što posmatrač desno prima svetlost samo sa ivice oblaka tako i astronom levo prima zračenje samo iz dalekih regiona sa kojih nam tek danas stiže zračenje emitovano u doba kada je svemir postao proziran. Izvor.

Svemir je odavno prošao kroz tu fazu ali u svako doba do nas dolazi svetlost sa „ivice magle“ negde daleko, svetlost koja je do nas putovala svo vreme od onda do sada! To zračenje je dobilo ime Kosmička mikrotalasna pozadina (CMB), jer nam dolazi iz svih pravaca na nebu a u sadašnje vreme ima najveći intenzitet na talasnoj dužini od oko 2 milimetra.

Pibls je 1965-te proračunao i taj proces i predvideo postojanje pozadinskog zračenja i njegovu približnu temperaturu. Klasika istorije kosmologije je priča kako su to zračenje prvo detektovali pedantni radio-fizičari Arno Penzijas i Robert Vilson, ne znajući o čemu se radi dok im Diki i Pibls nisu to objasnili.  Činjenica da primamo to zračenje je potvrda da možemo direktno da posmatramo daleke regione našeg svemira u fazi kada je svemir bio oko hiljadu puta manji, ispunjen toplim gasom na temperaturi od oko 4000 stepeni (otprilike dvaput toplije od plamena aparata za zavarivanje).

Merenje inteziteta pozadinskog zračenja u dijapazonu talasnih dužina omogućava da se odredi njegova temperatura. Ona je sada mala, tek ispod 3 stepena iznad absolutne nule. U doba kada je svemir bio oko hiljadu puta manji ona je bila toliko puta veća, što odgovara temperaturi prelaza iz plazme protona i elektrona u gas neutralnih atoma. Izvor.

Zrnasta strutura ranog svemira. Prva merenja pozadinskog zračenja su pokazala da je njegova temperatura ista u svakom pravcu na nebu. To se očekivalo, jer svemir u srednjem ima ravnomernu gustinu. Međutim, u njemu postoje i gusta „zrnca“ materije čija gustina znatno odstupa od srednje – to su galaksije i jata galaksija. Pošto sila gravitacije zgušnjava, teorijski scenario je da su galaksije i jata galaksija nastala od „zrnaca“ u ranom svemiru čija se gustina prvobitno tek malo razlikovala od ondašnje srednje gustine. Rasejanje svetlosti na tim prvobitnim zgušnjenjima materije bi onda dovelo do sličnih malih varijacija u temperaturi pozadinskog zračenja koje bi u principu mogli da vidimo.

Predikcija Piblsa i Ju-a iz 1970-te. Na horizontalnoj osi je u suštini ugaona veličina zgušnjenja u doba kada je svemir bio hiljadu puta manji onako kako ga vidimo na našem nebu. Na vertikalnoj osi je veličina odstupanja od srednje temperature pozadinskog zračenja. Izvor. Uporediti sa slikom dole.

Rezultat savremenih merenja varijacija temperature pozadinskog zračenja kao funkcija ugaone veličine na našem nebu zgušnjenja iz doba kada je svemir bio oko hiljadu puta manji. Izvor. Vidi se kvalitativno slaganje sa predikcijom Piblsa i Ju-a gore.

Sa svojim doktorantom Jer Cang Ju (Jer Tsang Yu) Pibls je oko 1970-te proračunao kako varijacije u temperaturi pozadinskog zračenja zavise od ugaone veličine „prvobitnih zrnaca“ na nebu. Gotovo 40 godina kasnije ti proračuni su veoma dobro potvrđeni preciznim merenjima satelitske opservatorije „Plank.“  Taj takozvani spektar varijacija otslikava početnu distribuciju zgušnjenja iz doba kada je svemir bio oko hiljadu puta manji, „zrnaca“ koja su postepenim daljim zgušnjavanjem dovela do početka formiranja galaksija i jata galaksija.

Jedan od najlepših rezultata u istoriji nauke: raspored varijacija temperature pozadinskog zračenja na nebu kako ju je izmerio satelit „Plank.“ Ona direktno odgovara rasporedu malih zgušnjenja materije u doba kada je svemir bio oko hiljadu puta manji, iz kojih su daljim zgušnjavanjem nastale galaksije i jata galaksija. Matematička distribucija intenziteta ovih varijacija je prikazana na prethodnoj slici. Izvor.

Uloga tamne materije. Kada su kosmolozi detaljnije razmatrali takav scenario formiranja galaksija pojavio se problem. Računi su pokazali da postojanje galaksija i jata galaksija dovodi do zrnaste strukture pozadinskog zračenja koja bi tada (početkom osamdesetih) već trebalo da bude viđena sa preciznošću koja je onda bila dostignuta. A pošto te varijacije temperature nisu viđene to znači da je „zrnatost“ u ranom rasporedu materije bila manja, što znači da njihovo zgušnjavanje do sadašnjeg vremena bi bilo manje nego što je očekivano pa galaksije kakve znamo ne bi trebalo da su već formirane! 

Pibls je bio jedan od kosmologa koji su predložili moguće rešenje. Brojna astronomska posmatranja su ukazivala da oko galaksija i između njih postoji nevidljiva masa, takozvana „tamna materija“, čija gravitacija utiče na kretanje zvezda  u galaksijama i galaksija u jatu, ali da mi tu komponentu ne vidimo. Dakle ona niti absorbuje niti emituje svetlost!

Pojavila se tako mogućnost za sledeći scenario. Ako su u ranom svemiru postojala veća zgušnjenja takve „tamne materije“ ona bi povukla i običnu, atomsku materiju i dovela do formiranja galaksija pre sadašnjeg vremena. A pošto su ta rana zgušnjenja prevashodno „tamna materija“ koja nema interakciju sa svetlošću, ona ne doprinosi varijacijama temperature pozadinskog zračenja.

 

Ilustracija uloge „tamne materije“ na varijacije temperature pozadinskog zračenja. Ako „tamnoj materiji“ pripada samo ako 10% ukupne gustine svemira, sračunate varijacije (plava linija na slici levo) su veće od posmatranih (crvena linija). Da tamne materije uopšte nema plava linija bi bila još višlja i takve varijacije bi bile viđene još pre četiri decenije. Ako „tamnoj materiji“ pripada čitavih 20% gustine svemira sračunate varijacije temperature pozadinskog zračenja (plava linija na slici desno) su manje i veoma dobro se slažu sa posmatranjima (crvena linija). Izvor. Najbolje vrednosti prema najnovijim merenjima su nešto veće, kao što je prikazano na sledećoj slici, ali slaganje je i dalje dobro.

Pibls je tako 1982-ge sračunao da prisustvo ranih zgušnjenja „tamne materije“ daje zaista dovoljno gravitacije da zgusne galaksije od prvobitnih zrnaca ali da su njima uzrokovane varijacije u temperaturi pozadinskog zračenja oko 100 manje nego što se očekivalo, što objašnjava zašto ih još nismo videli!

To brilijantno predviđanje je ubrzo potvrđeno detaljnijim računima i kasnijom detekcijom varijacija na novo-očekivanom nivou. U jednom potezu, ti rezultati potvrđuju scenario formiranja galaksija i pokazuju nepohodnost postojanja „tamne materije.“

Potreba za kosmološkom konstantom. Osamdesetih godina prošlog veka kosmolozi su uvideli još jedan problem. Posmatranja su ukazivala da kombinovana gustina obične (atomske) i „tamne“ (nevidljive) materije predskazuje da je geometrija našeg svemira takozvanog „otvorenog“ tipa: dve naoko paralelne linije su u stvari postepeno udaljavaju. S druge strane, fundamentalna fizika elementarnih čestica je sugerirala fascinatni scenario takozvane inflacione kosmologije, po kojoj se u vrlo ranoj fazi svemir širio eksplozivno i ubrzano. To ogromno širenje je neophodno vodillo do zaključka da geometrija sadašnjeg svemira mora da bude sa visokom preciznošću „ravna“: dve linije koje vidimo kao paralelne u blizini ostaju paralelne i do granice vidljivog svemira. 

Osnovno svojstvo relativističkog opisa širenja svemira je da je njegova geometrija vezana za njegovu gustinu. Problem je dakle bio da posmatranja pokazuju da svemir ima malu gustinu, dok inflaciona kosmologija predskazuje veću, takozvanu kritičnu gustinu.

Pible je 1984-te kritički razmotrio tada poznate posmatračke činjenice o gustini materije kao i teorijski scenario formiranja galaksija, i pokazao da je moguće da naš svemir ima malu ukupnu gustinu obične i „tamne materije“ a da u isto vreme ima geometriju „ravnog“ svemira. Šta onda kompletira gustinu našeg svemira do beophodne kritične gustine koju zahteva „ravna“ geometrija? Pibls je sugerisao logično i naoko neprirodno rešenje: takozvanu energiju osnovnog stanja, energiju vakuma koja je ravnomerno raspoređena kroz prostor, bez okakve zrnatosti i bez sposobnosti zgušnjavanja. Takva komponeta se obično naziva Ajnštajnovom kosmološkom konstantom.

 

Sastav naše Vasione po savremenim merenjima. „Ordinary matter“ je obična atomska materija u formi zvezda, galaksija i međugalaktičkog gasa. „Dark matter“ je „tamna“, u stvari nevidljiva materija koja je zgusnuta oko galaksija i jata galaksija. „Dark energy“ je „tamna energija,“ to jest nevidljiva, negativna masa, takođe poznata kao „kosmološka konstanta“, koja je ravnomerno raspoređena kroz svemir usled svog anti-gravitacionog odbijanja koje ne dozvoljava njeno zgušnjavanje. Izvor.

„Neprirodnost“ te hipoteze je bila u tome što nije tada postojalo zadovoljavajuće objašnjenje za poreklo te komponente i za specifičnu vrednost koju bi imala. Međutim, 14 godina, brilijantna kampanja astronomskih posmatranja je potvrdila prisustvo tako male „kosmološke konstante“ koja je ubrzo dobila mistifikujuće ime „tamna enegrija“!

Preciznost posmatranja je znatno porasla od tada i više nema sumnje da mi živimo u svemiru sa „ravnom“ geometrijom i sa čudnom, još neobjašnjenom zašto je to tako, procentualnom raspodelom između obične materije, „tamne materije“, i „tamne energije.“

KOMENTAR

I tako dolazimo do anti-klimaktičnosti ovogodišnje Nobelove nagrade. Piblsovi radovi su brilijantni, unapredili su naše poznavanje svemira i odavno su ušli i u udžbenike i u popularne članke. Međutim svi ti radovi potiču od pre 35 do preko 50 godina! Zašto je onda proteklo toliko vremena do ovog priznanja?

Jedan razlog je neophodno vreme da se teorijska predviđanja potvrde, ali još više uslov Nobelove fondacije da nagradu mogu da podele najviše tri osobe. I tu je bio čvor.

Od 2. svetskog rata ima mnogo više fizičara nego u doba Nobela ili Ajnštajna. Oni sarađuju, takmiče se, ideje se javljaju nezavisno. Nije retko da u kratkom vremenskom razmaku više od jedne osobe dođe do istog ili sličnog rezultata. A neki put je i teško odlučiti da li veću zaslugu ima neko ko je predložio osnovnu ideju, makar iz samo delimično korektnih razloga, ili neko ko je tu ideju kasnije korektno razradio?

Tako da ako bi trebalo nagraditi teoretičare koji su predskazali pozadinsko zračenje, uključujući Piblsa tu je bilo bar 5 kandidata. Za primordijalnu sitenzu helijuma, bar 4 ili možda čak 6. Za „zrnatost“ ranog svemira opet 4 ili čak 7, zavisno od kriterijuma. Za ulogu „tamne materije“ u formiranju galaksija i varijacija pozadinskog zračenja opet do 7, a za moguću ulogu kosmološke konstante recimo do 6.

Diskusije na ove teme se vode decenijama. Na kraju ono što se desilo je da je Pibls nadživeo deo svojih rivala, a drugi su doprineli samo jednoj od pet gore navedenih tema, tako da je Pibls u suštini dobio Nobelovu nagradu za svoj ukupan doprinos kosmologiji, kao nagradu za životno delo. To nije sasvim u skladu sa originalnim Nobelovim kriterijumima, i nije sasvim fer prema drugim fizičarima koje smo samo pobrojali bez imenovanja, ali takva vrsta izbora je pravljena i ranije. Nobelova fondacija zaista nema lak posao.  

Još je bizarnije da su u poslednje dve decenije formulisane bar četiri nove, prestižne nagrade za razne oblasti fizike, uključujući astronomiju i kosmologiju, koje se u suštini takmiče sa Nobelovom nagradom. Kao što je Nobel svoju fondaciju zasnovao na prihodima pronalaska dinamita, i ove nove nagrade su zasnovali drugi uspešni pronalazači i biznismeni. Pibls je već dobio dve takve nagrade: pola Gruberove nagrade za kosmologiju (2000-te godine, 250 hiljada USD) i Šo-vu nagradu za astronomiju (2004-te, 1,2 miliona USD), sa obrazloženjenima koja su u suštini identična sa ovogodišnjim obrazloženjem za Nobelovu nagradu. Svako za sebe to sve ima smisla, ali gledano u celini, čemu sve to?

EPILOG

Tako da je dobro razdvojiti cirkus nagrada i priznanja od same fizike i fizičara. Gore navedeni Piblsovi radovi su u temeljima savremene kosmologije od kojih polaze nova istraživanja. On sam, u svojoj 85-oj godini, i dalje radi, na kako kaže, problemima koji nisu privukli dovoljno pažnje. Njegova sajt navodi tri takva problema: raspored materije oko izolovanih galaksija, neočekivana lokacija starih zvezda u našoj i sličnim galaksijama, i dinamika galaksija u našem Lokalnom jatu.

Kako Pibls kaže, „Šta možemo da naučimo od tema koje su van utabane staze? One su provera onoga što mislimo da znamo, što je uvek dobro, a tu je i šanse da nam je Priroda možda spremila još jedno iznenađenje.“

Veterana nije još uvek napustio njegov takmičarski duh. Dodajmo da je uz sve drugo Pibls i autor tri široko korišćena udžbenika kao i u svoje vreme vrlo popularne monografije o statističkom rasporedu galaksija. 

Džim Pibls, zvanična slika Prinston Univeziteta povodom ovogodišnje Nobelove nagrade. Izvor.