Razlog zašto u Svemiru postoji više materije nego antimaterije nije u potpunosti shvaćen. Međutim, postoje neke teorije koje objašnjavaju ovu neravnotežu.Jedna od tih teorija je da je u ranom Svemiru, kada se pojavila prva materija, došlo do naglog procesa asimetrične proizvodnje materije i antimaterije, što je rezultiralo više materije nego antimaterije.Druga teorija povezuje ovu neravnotežu s osobinama fizičkih zakona, sugerirajući da se mala razlika u zakonima kojima se upravlja materijom i antimaterijom proteže tokom vremena i dovodi do neravnoteže.Unatoč ovim teorijama, još uvijek nije potpuno jasno zašto postoji više materije nego antimaterije u Svemiru. Ovaj problem i dalje predstavlja izazov za istraživanje i razumijevanje svemira.
Naučnici otkrivaju da se galaksije mogu kretati povezano jedna s drugom na ogromnim udaljenostima, što je suprotno predviđanjima osnovnih kosmoloških modela. To bi moglo promijeniti sve što mislimo da znamo o svemiru.
Mliječni put, galaksija u kojoj živimo, jedna je od stotina milijardi galaksija razasutih po svemiru. Njihova raznolikost je zapanjujuća: spirale, prstenaste galaksije u obliku petlji sa zvijezdama i drevne galaksije koje zasjenjuju gotovo sve ostalo u svemiru.
Ali uprkos njihovim razlikama i zapanjujućoj udaljenosti između njih, naučnici su primijetili da se neke galaksije kreću zajedno po čudnim i često neobjašnjivim obrascima, kao da su povezane ogromnom nevidljivom silom.
Galaksije unutar nekoliko miliona svjetlosnih godina jedna od druge mogu gravitacijski utjecati jedna na drugu na predvidljive načine, ali naučnici su primijetili misteriozne obrasce između udaljenih galaksija koje nadilaze te lokalne interakcije.
Ova otkrića upućuju na zagonetan utjecaj takozvanih „struktura velikih razmjera“ koje su, kako samo ime govori, najveći poznati objekti u svemiru. Ove nejasne strukture napravljene su od plinovitog vodika i tamne tvari i imaju oblik filamenata, listova i čvorova koji povezuju galaksije u ogromnu mrežu zvanu kosmička mreža. Znamo da ove strukture imaju velike implikacije na evoluciju i kretanje galaksija, ali jedva smo zagrebali površinu korijenske dinamike koja ih pokreće.
Naučnici su željni da steknu ove nove detalje jer neki od ovih fenomena osporavaju najosnovnije ideje o svemiru.
Teorija svega (TOE ili TOE/ToE ), konačna teorija, ultimativna teorija, objedinjena teorija polja ili glavna teorija je hipotetički, jedinstveni, sveobuhvatni, koherentni teorijski okvir fizike koji u potpunosti objašnjava i povezuje sve aspekte univerzuma. Pronalaženje teorije svega jedan je od najvećih neriješenih problema u fizici. Teorija struna i M-teorija su predložene kao teorije svega.
Tokom proteklih nekoliko vijekova, razvijena su dva teorijska okvira koji, zajedno, najviše liče na teoriju svega. Ove dvije teorije na kojima počiva sva moderna fizika su opća teorija relativnosti i kvantna mehanika. Opća teorija relativnosti je teorijski okvir koji se fokusira samo na gravitaciju za razumijevanje svemira u područjima velikih razmjera i velikih masa: planete, zvijezde, galaksije, jata galaksija itd. S druge strane, kvantna mehanika je teorijski okvir koji se fokusira samo na tri negravitacijske sile za razumijevanje svemira u regijama i vrlo malih razmjera i male mase: subatomske čestice, atomi, molekule itd. Kvantna mehanika je uspješno implementirala standardni model koji opisuje tri negravitacijske sile: jaku nuklearnu, slabu nuklearnu i elektromagnetnu silu – kao i sve posmatrane elementarne čestice.
Opća teorija relativnosti i kvantna mehanika su više puta potvrđivani u svojim odvojenim oblastima relevantnosti. Budući da su uobičajene domene primjenjivosti opće relativnosti i kvantne mehanike toliko različiti, većina situacija zahtijeva da se koristi samo jedna od dvije teorije. Dve teorije se smatraju nekompatibilnim u oblastima ekstremno malih razmera – Plankova skala – kao što su one koje postoje unutar crne rupe ili tokom početnih faza univerzuma (tj. u trenutku neposredno nakon Velikog praska). Da bi se razriješila nekompatibilnost, mora se otkriti teorijski okvir koji otkriva dublju temeljnu stvarnost, ujedinjujući gravitaciju s ostale tri interakcije, kako bi harmonično integrirao područja opće relativnosti i kvantne mehanike u besprijekornu cjelinu: teorija svega je jedinstvena teorija koja je u principu sposobna da opiše sve fizičke pojave u ovom svemiru.
Ime
U početku se pojam teorija svega koristio s ironičnim upućivanjem na razne pretjerano generalizirane teorije. Na primjer, poznato je da je djed Ijona Tichyja – lika iz ciklusa naučnofantastičnih priča Stanisława Lema iz 1960-ih – radio na „Općoj teoriji svega“. Fizičar Harald Fritzsch koristio je taj termin u svojim predavanjima u Varenni 1977. godine. Fizičar John Ellis tvrdi da je uveo akronim “TOE” u tehničku literaturu u članku u Nature 1986. Vremenom se termin zaglavio u popularizaciji istraživanja teorijske fizike.
Izvori informacija:
0 Wikipedija
Fran De Aquino (1999). “Theory of Everything”. arXiv:gr-qc/9910036.
Steven Weinberg (2011-04-20). Dreams of a Final Theory: The Scientist’s Search for the Ultimate Laws of Nature. Knopf Doubleday Publishing Group. ISBN 978-0-307-78786-6.
Stephen W. Hawking (28 February 2006). The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe. Phoenix Books; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.
NASA je otkrila 5 novih nevjerovatnih fotografija sa svemirskog teleskopa James Webb, uključujući zvijezde koje nikada nismo vidjeli i “strukture za koje, iskreno, ne znamo ni šta su”.
NASA je u utorak otkrila pet zapanjujućih slika sa svemirskog teleskopa James Webb—najmoćnijeg teleskopa ikada lansiranog u svemir, trenutno udaljen milion kilometara.
JWST je najnoviji i najbolji način čovječanstva da se pogleda duboko u kosmos, sve do perioda neposredno nakon Velikog praska. Teleskop je 100 puta moćniji od Hubblea i sposoban je uhvatiti veće infracrvene valne dužine, što će mu omogućiti da vidi galaksije koje su udaljenije ili sa velikim crvenim pomakom. Svemir je radoznao jer gledanje dalje u daljinu znači i da gledamo u prošlost, pa tako u potrazi za najstarijim zvijezdama i galaksijama, JWST efektivno gleda na početak vremena i prostora.
“Ovo je naša vremenska mašina,” rekao je dr. John Mather, viši naučnik projekta za Webb, tokom NASA-inog emitovanja u utorak. Naravno, Web će se koristiti i za stvaranje više uvida o objektima koji su nam bliži, a ta sposobnost je bila pun prikaz tokom prve velike slike teleskopa.
Prva slika: Duboko polje
Svjetlost zvijezda i galaksija na ovoj slici dolazi prije više od 13 milijardi godina – Veliki prasak se dogodio prije 13,8 milijardi godina, što znači da ova slika prikazuje trenutak nedugo nakon svitanja vremena. Gravitacija klastera iskrivljuje ono što je iza njih, efekat koji se zove “socivanje”, tako da neki objekti izgledaju zamrljano, jer se uvećavaju. Uvećajte ga da otkrijete divlje detalje.
Druga slika: Egzoplaneta
Ovo je “indirektna” slika; vizuelne slike iz svemira se često rekonstruišu iz svetlosnih podataka, tako da je ovo nekako sirovi set. Iako nije tako vizuelno privlačan kao duboko polje, sadrži gomilu informacija za naučnike. Ovo je spektar egzoplanete WASP-96 b, gasnog giganta koji se nalazi 1.120 svjetlosnih godina od Zemlje. Neravnine i pokreti ukazuju na vodenu paru u atmosferi. U budućnosti će biti mnogo više ovakvih podataka sa drugih planeta i asteroida.
Treća slika: Smrt zvijezde
Ovo je izgled, i dva-fer za podizanje. To je vrlo detaljna bliska infracrvena slika magline zvane Južni prsten, koju je izazvala umiruća zvijezda, udaljena 2.500 svjetlosnih godina. “Pjenasti” prsten oko magline uzrokovan je molekularnim vodonikom koji nastaje masivnom eksplozijom. “Zraci” su zapravo rupe u unutrašnjoj maglini koje omogućavaju svjetlosti zvijezde da sija. U središtu magline su dvije zvijezde – naučnici su znali da je Južni prsten binarni zvjezdani sistem, ali sada ih možemo jasno vidjeti.
Četvrta slika: Galaksije
Ovo je slika Stephanovog kvinteta, koji je bliska grupa galaksija koju je prvi otkrio Edouard Stephan 1877. godine. Na fotografiji ih je pet, ali to je malo vizuelni trik. Jedna od galaksija je udaljena oko 40 miliona svjetlosnih godina od Zemlje, ali ostale četiri su istinska kompaktna grupa, a sve one postoje između 210 miliona i 340 miliona svjetlosnih godina od nas. U određenom smislu, to je fotografija koja nas vodi iz obližnjeg, modernog univerzuma, pa sve do drevnog svemira.
Peta slika: Rađanje zvijezde
Ovo je slika “zvjezdanog rasadnika”, regije u kojoj se rađaju nove zvijezde, i prikazuje zvijezde bebe koje su ranije bile skrivene od našeg pogleda. Fokus je na maglini Carina, koja je područje za formiranje zvijezda upravo ovdje u Mliječnom putu. Uprkos tome, Webbova slika otkriva stotine novih zvijezda i kosmičke “strukture za koje, iskreno, ne znamo ni šta su”, kaže Amber Straughn, zamjenica projektnog naučnika za JWST, koja je predstavila fotografiju.
Najjednostavniji oblik astrofotografije bez teleskopa je pejzažna astrofotografija. Osnovno što morate imati je moderan digitalni fotoaparat, te čvrsti fotostativ. Ta oprema će vam ionako trebati za bilo kakvu kvalitetniju astrofotografiju. U ovom slučaju vam treba širokokutni objektiv, žarišne duljine 24 mm ili manje. Kraće žarišne duljine omogućiti će snimanje duljih ekspozicija, a da zvijezde ne postanu crtice zbog rotacije Zemlje oko svoje osi. Širokokutnim objektivom treba uhvatiti što veći dio noćnog neba u kombinaciji sa zanimljivim pejzažem. To mogu biti neke atraktivne građevine, ruševine, otoci u daljini ili planinski vrhovi – naravno, što dalje od umjetne rasvjete i svjetlosnog onečišćenja gradova. Sve postavke moraju biti podešene ručno, a najvažnije je pažljivo ručno izoštravanje na neku sjajnu zvijezdu koristeći “live view” na ekranu. Automatika u mrklom mraku jednostavno – ne funkcionira!
Dobre početne postavke su:
maksimalan otvor objektiva (najmanji f-broj)
vrijeme ekspozicije 15-30 sekundi (ekspozicije mogu biti dulje što je objektiv širokokutniji)
ISO 1600
obavezno spremanje fotografija u RAW formatu
Kod fotografija noćnog neba je izražen digitalni šum zbog kojeg je slika zrnata, što otežava daljnju obradu i gube se detalji. Zato se uvijek radi nekoliko uzastopnih fotografija koje se kasnije u obradi moraju registrirati (preklopiti) jedna preko druge, te uprosječiti kako bi se šum smanjio. Registracija je vrlo važna jer se položaji zvijezda na svim fotografijama moraju točno podudarati. Šum je na pojedinačnim fotografijama uvijek malo drukčiji, pa kad se uprosječi nekoliko fotografija (u slučaju pejzažne astrofotografije dovoljno ih je 10-20) dobijemo znatno “čišću” fotografiju.
Za takvu obradu pejzažnih astrofotografija najčešće se koristi besplatni program Sequator. Na gornjem primjeru (izrez fotografije na 100% veličine) možete primjetiti kako se s 30 sekundi ekspozicije i 20 mm širokokutnim objektivom već vide tragovi zbog rotacije Zemlje. To se definitivno neće vidjeti na slikama pripremljenim za internet i društvene mreže, pa čak niti fotografije izrađene na papiru većih formata se neće gledati iz tolike blizine da bi tragovi smetali ukupnom dojmu. Alternativno, ekspozicija bi se mogla smanjiti na 20 sekundi.
Kako možemo dobiti detaljnije fotke?
OK, pejzažna astrofotografija je cool, ali na njima se vide “samo” sjajnija zviježđa i Mliječni put, a vi zapravo želite detaljnije fotke maglica i galaksija? Vjerovali ili ne, za tu namjenu se i dalje mogu koristiti fotografski objektivi (ili čak mali teleskopi specijalizirani za tu namjenu!) koji će nam omogućiti detaljniji pogled u svemirska prostranstva – bez komplikacija s velikim teleskopima i teškim astronomskim montažama. Ovdje se već govori o “pravoj” astrofotografiji gdje je potrebno koristiti motoriziranu montažu koja će kompenzirati rotaciju noćnog neba, tako da na fotografiji zvijezde ne budu izdužene crtice. Takve male motorizirane montaže se nazivaju “trackeri” – kompaktne su da mogu stati u ruksak ili foto torbu i mogu se postaviti na standardne fotostative. Na trackerima se najčešće koriste objektivi žarišnih duljina od 50 do 200 mm žarišne duljine. Žarišne duljine teleskopa su najčešće od 500 mm na više.
Zvijezde se prividno gibaju kružno oko sjevernog nebeskog pola koji se nalazi u blizini Sjevernjače. Da bi trackeri mogli precizno pratiti gibanje zvijezda, mora ih se precizno i usjeveriti. U tome im pomaže polarni tražilac. Što je preciznije usjeveravanje, biti će moguće snimati dulje ekspozicije i koristiti objektive većih žarišnih duljina. Pojedinačne ekspozicije su najčešće trajanja 2-3 minute.
Naučnici su možda odgovorili na dugotrajno pitanje o tome odakle je tačno Zemljina velika zaliha vode.
Nova studija objavljena u Nature Astronomy postulira da je možda postojao dodatni korak ka uobičajenoj teoriji da zemaljska voda dolazi od ugljičnih asteroida – a uključuje i Sunce.
Korijen početnog pitanja o Zemljinoj vodi, koja pokriva oko 70 posto planete, leži u hemijskom sastavu ugljičnih – također poznatih kao “C-tip” – asteroida. Iako sadrže vodu, ona je bogatija deuterijumom, težom verzijom vode bogate vodonikom koju imamo na Zemlji.
Gledajući dalje od Zemlje, istraživači su primijetili da je Sunce veoma bogato vodonikom. A sada je grupa naučnika pretpostavila da su vjetrovi nastali iz sunčevih baklji možda stupili u interakciju s asteroidima tipa C koji su pogodili ranu Zemlju, što je rezultiralo našim dobrim starim H2O.
„Sitnozrnasta prašina, koju je udario solarni vetar i uvučena u Zemlju koja se formirala pre milijardi godina, mogla bi biti izvor nestalog rezervoara vode na planeti“, rekao je Luke Daly, geolog sa Univerziteta u Glazgovu i glavni autor lista. informativni odjel škole.
Zajedno sa škotskom institucijom, studija je provedena u tandemu s istraživačima iz brojnih drugih škola i organizacija uključujući Univerzitet Purdue, Oxford i NASA.
Kako su autori studije napisali u The Conversation, otkriće bi bilo nemoguće da im nije bio odobren pristup trima “ekstremno rijetka” dijela asteroida Itokawa koje je 2010. prikupila misija Hayabusa Japanske svemirske agencije (JAXA), “svaki otprilike širine ljudske dlake.”
Štaviše, nisu čak ni tražili vodu, već su umjesto toga tražili „proučavanje vanjskih površina ovih čestica prašine na potpuno nov način kako bi vidjeli da li je na njih uticalo Sunce’.”
“Ovo otkriće vode bilo je vrlo neočekivano!” pisali su koautori lista. “Po svemu što smo znali, ovi minerali sa asteroida trebali su biti suvi kao kost.”
Ovo novo otkriće bi, u teoriji, moglo pomoći astrofizičarima da proučavaju vodu na drugim planetama koje bi ljudi mogli naseliti u dalekoj budućnosti.
To bi također, kao logična krajnja tačka, mogla biti ključna informacija u nadolazećim vodenim ratovima – pa aleluja za to.
Prostor-vrijeme može nastati iz fundamentalnije stvarnosti. Smišljanje kako bi se mogao otključati najhitniji cilj u fizici – kvantna teorija gravitacije.
Natalie Paquette provodi svoje vrijeme razmišljajući o tome kako razviti dodatnu dimenziju. Započnite s malim krugovima, razbacanim po svakoj tački u prostoru i vremenu – kovrčavom dimenzijom, zapetljanom na samu sebe. Zatim smanjite te krugove, sve manji i manji, stežući petlju, sve dok se ne dogodi neobična transformacija: dimenzija prestane izgledati sićušna i umjesto toga postane ogromna, kao kada shvatite da je nešto što izgleda malo i blizu je zapravo ogromno i udaljeno. „Smanjujemo prostorni pravac“, kaže Paquette. “Ali kada pokušamo da ga smanjimo preko određene tačke, umjesto toga se pojavljuje novi, veliki prostorni pravac.”
Paquette, teorijski fizičar sa Univerziteta Washington, nije sam u razmišljanju o ovoj čudnoj vrsti dimenzionalne transmutacije. Sve veći broj fizičara, koji rade u različitim oblastima discipline sa različitim pristupima, sve više se približava dubokoj ideji: prostor — a možda čak i vrijeme — nije fundamentalno. Umjesto prostora i vremena mogu se pojaviti: oni bi mogli nastati iz strukture i ponašanja osnovnih komponenti prirode. Na najdubljem nivou stvarnosti, pitanja poput “Gdje?” i kada?” jednostavno možda uopšte neće imati odgovore. „Imamo mnogo nagovještaja iz fizike da prostor-vrijeme, kako ga mi razumijemo, nije fundamentalna stvar“, kaže Paquette.
Ovi radikalni pojmovi potiču iz najnovijih obrta u vjekovnoj potrazi za teorijom kvantne gravitacije. Najbolja teorija gravitacije fizičara je opšta teorija relativnosti, poznata koncepcija Alberta Ajnštajna o tome kako materija iskrivljuje prostor i vrijeme. Njihova najbolja teorija od svega ostalog je kvantna fizika, koja je zapanjujuće precizna kada su u pitanju svojstva materije, energije i subatomskih čestica. Obe teorije su lako prošle sve testove koje su fizičari mogli da osmisle u proteklom vijeku. Sastavite ih zajedno, moglo bi se pomisliti, i imali biste “teoriju svega”.
Ali te dvije teorije ne igraju dobro. Pitajte opštu relativnost šta se dešava u kontekstu kvantne fizike, i dobićete kontradiktorne odgovore, sa neukroćenim beskonačnostima koje se probijaju kroz vaše proračune. Priroda zna kako primijeniti gravitaciju u kvantnim kontekstima – to se dogodilo u prvim trenucima velikog praska, i još uvijek se događa u srcima crnih rupa – ali mi ljudi se još uvijek borimo da shvatimo kako se taj trik izvodi. Dio problema leži u načinima na koji se te dvije teorije bave prostorom i vremenom. Dok kvantna fizika tretira prostor i vrijeme kao nepromjenjive, opća relativnost ih iskrivljuje za doručak.
Nekako bi teorija kvantne gravitacije morala pomiriti ove ideje o prostoru i vremenu. Jedan od načina da se to uradi bio bi da se eliminiše problem na njegovom izvoru, samo prostor-vreme, tako što bi prostor i vrijeme proizašli iz nečeg fundamentalnijeg. Posljednjih godina nekoliko različitih pravaca istraživanja sugeriralo je da, na najdubljem nivou stvarnosti, prostor i vrijeme ne postoje na isti način na koji postoje u našem svakodnevnom svijetu. Tokom protekle decenije ove ideje su radikalno promijenile način na koji fizičari razmišljaju o crnim rupama. Sada istraživači koriste ove koncepte kako bi razjasnili rad nečeg još egzotičnijeg: crvotočine – hipotetičke veze poput tunela između udaljenih tačaka u prostor-vremenu. Ovi uspjesi održali su živom nadu u još dublji proboj. Ako se prostor-vrijeme pojavljuje, onda otkrivanje odakle dolazi – i kako bi moglo nastati iz bilo čega drugog – može biti samo ključ koji nedostaje koji konačno otključava vrata teoriji svega.
TEORIJA STRUNA
Danas je najpopularnija teorija kvantne gravitacije među fizičarima teorija struna. Prema ovoj ideji, njegove istoimene žice su temeljni sastojci materije i energije, što dovodi do bezbrojnih osnovnih subatomskih čestica koje se mogu vidjeti u akceleratorima čestica širom svijeta. Oni su čak odgovorni i za gravitaciju – hipotetička čestica koja nosi gravitacionu silu, “graviton”, neizbježna je posljedica teorije.
Ali teoriju struna je teško razumjeti – ona živi na matematičkoj teritoriji za koju su fizičarima i matematičarima bile potrebne decenije da istraže. Veći dio strukture teorije još uvijek nije ucrtan, ekspedicije su još uvijek planirane, a karte treba napraviti. Unutar ovog novog područja, glavna tehnika za navigaciju je kroz matematičke dualnosti – korespondencije između jedne i druge vrste sistema.
Jedan primjer je dualnost s početka ovog članka, između malih i velikih dimenzija. Pokušajte ugurati dimenziju u mali prostor, a teorija struna će vam reći da ćete na kraju dobiti nešto što je matematički identično svijetu u kojem je ta dimenzija ogromna. Te dvije situacije su iste, prema teoriji struna – možete slobodno ići naprijed-natrag od jedne do druge i koristiti tehnike iz jedne situacije da biste razumjeli kako druga funkcionira. “Ako pažljivo pratite osnovne građevne blokove teorije,” kaže Paquette, “prirodno ćete ponekad otkriti da… možete razviti novu prostornu dimenziju.”
Slična dualnost sugerira mnogim teoretičarima struna da je sam prostor nastao. Ideja je započela 1997. godine, kada je Juan Maldacena, fizičar na Institutu za napredne studije, otkrio dualnost između vrste dobro shvaćene kvantne teorije poznate kao teorija konformnog polja (CFT) i posebne vrste prostor-vremena iz opšte teorije relativnosti kao anti-de Sitter prostor (AdS). Čini se da su te dvije potpuno različite teorije – CFT nema nikakvu gravitaciju u sebi, a AdS prostor sadrži svu Ajnštajnovu teoriju gravitacije. Ipak, ista matematika može opisati u oba svijeta. Kada je otkriveno, ova AdS / CFT korespondencija je pružila opipljivu matematičku vezu između kvantne teorije i punog univerzuma sa gravitacijom u sebi.
Zanimljivo je da je AdS prostor u AdS/CFT korespondenciji imao jednu dimenziju više nego što je to imao kvantni CFT. Ali fizičari su shvatili ovu neusklađenost jer je to bio potpuno razrađen primjer druge vrste korespondencije začete nekoliko godina ranije, od fizičara Gerard’s Hooft sa Univerziteta Utrecht u Holandiji i Leonarda Susskinda sa Univerziteta Stanford, poznatog kao holografski princip. Na osnovu nekih osebujnih karakteristika crnih rupa, ‘t Hooft i Susskind su posumnjali da bi svojstva područja prostora mogla biti u potpunosti “kodirana” njegovom granicom. Drugim riječima, dvodimenzionalna površina crne rupe sadržavala bi sve informacije potrebne da se zna šta se nalazi u njenoj trodimenzionalnoj unutrašnjosti – poput holograma. „Mislim da je mnogo ljudi mislilo da smo ludi“, kaže Saskind. “Dva dobra fizičara su pukla.”
Slično tome, u korespondenciji AdS / CFT, četverodimenzionalni CFT kodira sve o petodimenzionalnom AdS prostoru s kojim je povezan. U ovom sistemu, čitava oblast prostor-vremena je izgrađena od interakcija između komponenti kvantnog sistema u teoriji konformnog polja. Maldacena ovaj proces upoređuje sa čitanjem romana. „Ako pričate priču u knjizi, postoje likovi u knjizi koji nešto rade“, kaže on. „Ali sve je tu red teksta, zar ne? Iz ovog retka teksta zaključuje se šta likovi rade. Likovi u knjizi bili bi poput teorije masovne [AdS]. A red teksta je [CFT].”
Ali odakle dolazi prostor u AdS prostoru? Ako se ovaj prostor pojavljuje, iz čega nastaje? Odgovor je posebna i čudna kvantna vrsta interakcije u CFT-u: zapetljanost, veza između objekata na daljinu, trenutna korelacija njihovog ponašanja na statistički nevjerovatne načine. Zapetljanost je čuveno uznemirila Ajnštajna, koji je to nazvao “sablasnom akcijom na daljinu”.
Hoćemo li ikada znati pravu prirodu prostor-vremena?
Ipak, uprkos svojoj sablasnosti, zapetljanost je ključna karakteristika kvantne fizike. Kada bilo koja dva objekta stupe u interakciju u kvantnoj mehanici, oni se općenito zapetljaju i ostat će zapetljani sve dok ostanu izolirani od ostatka svijeta – bez obzira na to koliko su udaljeni jedan od drugoga. U eksperimentima, fizičari su održavali isprepletenost između čestica udaljenih više od 1.000 kilometara, pa čak i između čestica na zemlji i drugih čestica koje su poslane na satelite u orbiti. U principu, dvije zapletene čestice mogle bi održati svoju vezu na suprotnim stranama galaksije ili svemira. Čini se da udaljenost jednostavno nije bitna za zapletanje, zagonetku koja decenijama muči mnoge fizičare.
Ali ako se prostor pojavljuje, sposobnost zapetljanosti da opstane na velikim udaljenostima možda i nije strašno misteriozna – na kraju krajeva, udaljenost je konstrukt. Prema studijama o AdS/CFT korespondenciji fizičara Shinsei Ryua sa Univerziteta Princeton i Tadashija Takayanagija sa Univerziteta Kyoto, zapetljanost je ono što proizvodi udaljenosti u prostoru AdS-a na prvom mjestu. Bilo koja dva obližnja područja prostora na AdS strani dualiteta odgovaraju dvije visoko isprepletene kvantne komponente CFT-a. Što su više zamršeni, to su regije prostora bliže jedna drugoj.
Posljednjih godina fizičari su posumnjali da bi se ovaj odnos mogao primijeniti i na naš svemir. „Šta je to što drži prostor na okupu i sprečava ga da se raspadne u zasebne podregije? Odgovor je zapetljanost između dva dijela prostora”, kaže Saskind. “Kontinuitet i povezanost prostora duguju svoje postojanje kvantno-mehaničkom zapetljanju.” Preplitanje, dakle, može podpreti strukturu samog prostora, formirajući osnovu i potku koji dovode do geometrije svijeta. „Ako biste nekako mogli da uništite zapetljanost između dva dijela [prostora], prostor bi se raspao,“ kaže Saskind. “To bi učinilo suprotno od pojavljivanja. Nestalo bi se.”
Ako je prostor napravljen od isprepletenosti, onda se zagonetka kvantne gravitacije čini mnogo lakšom za rješavanje: umjesto pokušaja da se objasni iskrivljenje prostora na kvantni način, sam prostor izlazi iz fundamentalno kvantnog fenomena. Saskind sumnja da je to razlog zašto je teoriju kvantne gravitacije bilo tako teško pronaći. “Mislim da je razlog zašto to nikada nije dobro funkcionisalo taj što je počelo sa slikom dve različite stvari, [opšte relativnosti] i kvantne mehanike, i spojilo ih”, kaže on. „I mislim da je poenta zapravo u tome da su oni previše blisko povezani da bi se rastavili i onda ponovo sastavili. Nema takve stvari kao što je gravitacija bez kvantne mehanike.”
Ipak, obračunavanje prostora za pojavu samo je pola posla. S obzirom da su prostor i vrijeme tako blisko povezani u relativnosti, svaki izvještaj o tome kako nastaje prostor mora također objasniti vrijeme. „Vrijeme također mora nekako nastati“, kaže Mark van Raamsdonk, fizičar sa Univerziteta Britanske Kolumbije i pionir u vezi između isprepletenosti i prostor-vremena. “Ali ovo nije dobro shvaćeno i aktivno je područje istraživanja.”
Još jedna aktivna oblast, kaže on, koristi nove prostorno-vremenske modele za razumijevanje crvotočina. Ranije su mnogi fizičari vjerovali da je slanje objekata kroz crvotočinu nemoguće, čak ni u teoriji. Ali u proteklih nekoliko godina fizičari koji su radili na AdS/CFT korespondenciji i sličnim modelima pronašli su nove načine da konstruišu crvotočine. „Ne znamo da li bismo to mogli da uradimo u našem univerzumu“, kaže van Raamsdonk. “Ali ono što sada znamo je da su određene vrste prolaznih crvotočina teoretski moguće.” Dva rada — jedan iz 2016. i jedan iz 2018. godine — dovela su do stalnog naleta posla u ovoj oblasti. Ali čak i kada bi se mogle izgraditi prolazne crvotočine, one ne bi bile od velike koristi za svemirska putovanja. Kao što Saskind ističe, “ne možete proći kroz tu crvotočinu brže nego što bi trebalo [svetlosti] da ide dug put.”
Ako su teoretičari struna u pravu, onda je prostor izgrađen od kvantne isprepletenosti, a moglo bi biti i vrijeme. Ali šta bi to zaista značilo? Kako se prostor može „napraviti“ od isprepletenosti između objekata osim ako su ti objekti sami negdje? Kako se ti objekti mogu zapetljati ako ne iskuse vrijeme i promjene? I kakvo bi postojanje stvari mogle imati bez naseljavanja istinskog prostora i vremena?
Ovo su pitanja koja su na granici filozofije – i zaista, filozofi fizike ih shvaćaju ozbiljno. “Kako je, dovraga, prostor-vrijeme moglo biti nešto što se može pojaviti?” pita se Eleanor Knox, filozof fizike na Kraljevskom koledžu u Londonu. Intuitivno, kaže ona, to izgleda nemoguće. Ali Knox ne misli da je to problem. „Naša intuicija je ponekad strašna“, kaže ona. Oni su “evoluirali u afričkoj savani u interakciji sa makro objektima i makro fluidima i biološkim životinjama” i imaju tendenciju da se ne prenesu u svijet kvantne mehanike. Kada je u pitanju kvantna gravitacija, „Gde je stvar?“ I „Gde živi?“ Nisu prava pitanja za postavljanje“, zaključuje Knoks.
Svakako je tačno da predmeti žive na mjestima u svakodnevnom životu. Ali kao što Knox i mnogi drugi ističu, to ne znači da prostor i vrijeme moraju biti fundamentalni – samo da moraju pouzdano proizaći iz svega što je fundamentalno. Zamislite tečnost, kaže Christian Wüthrich, filozof fizike sa Univerziteta u Ženevi. „Na kraju krajeva, to su elementarne čestice, poput elektrona, protona i neutrona ili, što je još fundamentalnije, kvarkova i leptona. Da li kvarkovi i leptoni imaju svojstva tečnosti? To jednostavno nema smisla, zar ne?… Ipak, kada se ove fundamentalne čestice spoje u dovoljnom broju i pokažu određeno ponašanje zajedno, kolektivno ponašanje, tada će se ponašati na način koji je poput tečnosti.”
Prostor i vrijeme, kaže Wüthrich, mogli bi funkcionirati na isti način u teoriji struna i drugim teorijama kvantne gravitacije. Konkretno, prostor-vrijeme može nastati iz materijala za koje obično mislimo da žive u svemiru – same materije i energije. „Nije [da] prvo imamo prostor i vrijeme, a onda dodajemo nešto“, kaže Wüthrich. „Pre nešto materijalno može biti neophodan uslov da bi postojali prostor i vreme. To je još uvijek vrlo bliska veza, ali je upravo suprotno od onoga što ste prvobitno mislili.”
Ali postoje i drugi načini tumačenja najnovijih otkrića. AdS / CFT korespondencija se često smatra primjerom kako prostor-vrijeme može nastati iz kvantnog sistema, ali to zapravo nije ono što pokazuje, prema Alyssa Ney, filozofkinji fizike sa Univerziteta u Kaliforniji, Davis. „AdS/CFT vam daje ovu mogućnost da pružite priručnik za prevođenje između činjenica o prostor-vremenu i činjenica iz kvantne teorije“, kaže Ney. “To je kompatibilno s tvrdnjom da je prostor-vrijeme emergentno, a da je neka kvantna teorija fundamentalna.” Ali i obrnuto, kaže ona. Korespondencija bi mogla značiti da se kvantna teorija pojavljuje i da je prostor-vrijeme fundamentalno – ili da nijedno nije fundamentalno i da postoji još dublja fundamentalna teorija. Nastanak je jaka tvrdnja, kaže Ney, i otvorena je za mogućnost da je to istina. “Ali barem samo gledajući AdS/CFT, još uvijek ne vidim jasan argument za pojavu.”
Nedvojbeno veći izazov teoriji struna slike o pojavljivanju prostor-vremena skriven je na vidiku, upravo u nazivu same korespondencije AdS/CFT. „Mi ne živimo u anti-de Sitter prostoru“, kaže Saskind. “Živimo u nečemu mnogo bližem Sitter prostoru.” De Sitterov prostor opisuje svemir koji se ubrzava i širi poput našeg. „Nemamo ni najmaglu ideju kako se [holografija] tamo primjenjuje“, zaključuje Saskind. Smišljanje kako postaviti ovu vrstu korespondencije za prostor koji više liči na stvarni univerzum jedan je od najhitnijih problema za teoretičare struna. “Mislim da ćemo moći bolje razumjeti kako da uđemo u kosmološku verziju ovoga”, kaže van Raamsdonk.
Konačno, tu su vijesti – ili nedostatak istih – iz najnovijih akceleratora čestica, koji nisu pronašli nikakve dokaze za dodatne čestice predviđene supersimetrijom, idejom na koju se oslanja teorija struna. Supersimetrija nalaže da bi sve poznate čestice imale svoje “superpartnere”, udvostručavajući broj osnovnih čestica. Ali CERN-ov Veliki hadronski sudarač u blizini Ženeve, koji je dijelom dizajniran za traženje superpartnera, nije vidio ni traga od njih. „Sve zaista precizne verzije [pojavnog prostor-vremena] koje imamo nalaze se u supersimetričnim teorijama“, kaže Saskind. “Jednom kada nemate supersimetriju, sposobnost matematičkog praćenja jednačina jednostavno nestaje iz vaših ruku.”
ATOMI PROSTOR-VREMENA
Teorija struna nije jedina ideja koja sugerira da se prostor-vrijeme pojavljuje. Teorija struna “nije ispunila svoje obećanje kao način da ujedini gravitaciju i kvantnu mehaniku”, kaže Abhay Ashtekar, fizičar sa Pennsylvania State University. “Moć teorije struna sada je u pružanju izuzetno bogatog skupa alata, koji se naširoko koristi u cijelom spektru fizike.” Ashtekar je jedan od originalnih pionira najpopularnije alternative teoriji struna, poznate kao kvantna gravitacija petlje. U kvantnoj gravitaciji u petlji, prostor i vrijeme nisu glatki i kontinuirani na način na koji su u opštoj relativnosti – umjesto toga oni su napravljeni od diskretnih komponenti, koje Ashtekar naziva „komadići ili atomi prostor-vremena“.
Ovi atomi prostor-vremena povezani su u mrežu, s jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim površinama koje ih spajaju u ono što praktičari kvantne gravitacije u petlji nazivaju spin pjenom. I uprkos činjenici da je pjena ograničena na dvije dimenzije, ona stvara naš četverodimenzionalni svijet, sa tri dimenzije prostora i jednom vremenskom. Aštekar to poredi sa komadom odeće. “Ako pogledate svoju košulju, izgleda kao dvodimenzionalna površina”, kaže on. “Ako samo uzmete lupu, odmah ćete vidjeti da su sve jednodimenzionalne niti. Samo što su te niti toliko gusto zbijene da za sve praktične svrhe, košulju možete zamisliti kao dvodimenzionalnu površinu. Dakle, slično, prostor oko nas izgleda kao trodimenzionalni kontinuum. Ali zaista postoji ukrštanje ovih [atoma prostor-vremena].”
Suočeni s nedostatkom dokaza, većina fizičara svoje nade polaže u nebo. U najranijim trenucima Velikog praska, cijeli svemir je bio fenomenalno mali i gust – situacija koja zahtijeva kvantnu gravitaciju da bi ga opisali. A odjeci tog doba možda će ostati na nebu i danas. “Mislim da je naš najbolji izbor [za testiranje kvantne gravitacije] kroz kosmologiju,” kaže Maldacena. “Možda nešto u kosmologiji za što sada mislimo da je nepredvidivo, što se možda može predvidjeti kada shvatimo punu teoriju, ili nešto novo o čemu nismo ni razmišljali.”
Da li je fizički univerzum nezavisan od nas ili ga stvaraju naši umovi, kao što sugeriše naučnik Robert Lanza?
Nova studija tvrdi da su mreže posmatrača odgovorne za određivanje fizičke stvarnosti. Naučnici predlažu da posmatrači generišu strukture vremena i prostora. Rad bi mogao pomoći da se stekne uvid u Božiju jednačinu, koja pokušava ujediniti kvantnu mehaniku i opštu relativnost.
Postoji li fizička stvarnost koja je nezavisna od nas? Postoji li uopće objektivna stvarnost? Ili je struktura svega, uključujući vrijeme i prostor, stvorena percepcijama onih koji je promatraju? To je revolucionarna tvrdnja novog rada objavljenog u časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Među autorima rada je Robert Lanza, stručnjak za matične ćelije i regenerativnu medicinu, poznat po teoriji biocentrizma, koja tvrdi da je svijest pokretačka snaga postojanja svemira. On vjeruje da fizički svijet koji opažamo nije nešto što je odvojeno od nas, već stvoreno našim umom dok ga promatramo. Prema njegovom biocentričnom gledištu, prostor i vrijeme su nusproizvod “vrtloga informacija” u našoj glavi koju naš um isprepliće u koherentno iskustvo.
Njegov novi rad, čiji su koautori Dmitrij Podolski i Andrej Barvinski, teoretičari kvantne gravitacije i kvantne kosmologije, pokazuje kako posmatrači utiču na strukturu naše stvarnosti.
Prema Lanzi i njegovim kolegama, posmatrači mogu dramatično uticati na “ponašanje vidljivih veličina” kako na mikroskopskim tako i na masivnim prostorno-vremenskim skalama. Zapravo, neophodna je “duboka promjena u našem uobičajenom svakodnevnom svjetonazoru”, napisao je Lanza u intervjuu za Big Think. Svijet nije nešto što se formira izvan nas, već samo postoji na način da na kraju: „Promatrači na kraju definišu strukturu same fizičke stvarnosti“, naveo je on.
Kako posmatrači mogu kreirati stvarnost? Kako ovo funkcionira? Lanza tvrdi da je mreža posmatrača neophodna i da je “inherentna strukturi stvarnosti”. Kako objašnjava, posmatrači – vi, ja i bilo ko drugi – žive u kvantnom gravitacionom univerzumu i dolaze do “globalno dogovorenog kognitivnog modela” stvarnosti razmjenom informacija o svojstvima prostor-vremena. „Jer, kada jednom izmjerite nešto“, piše Lanza, „val vjerovatnoće za mjerenje iste vrijednosti već ispitane fizičke veličine postaje ‘lokaliziran’ ili se jednostavno ‘kolapsira’.“ Tako stvarnost postaje dosljedno stvarna za sve nas. Kada nastavite da mjerite količinu iznova i iznova, znajući rezultat prvog mjerenja, videćete da je rezultat isti.
“Slično, ako od nekoga saznate o ishodima njihovih mjerenja fizičke veličine, vaša mjerenja i mjerenja drugih posmatrača utiču jedno na drugo – zamrzavanje stvarnosti prema tom konsenzusu”, dodao je Lanza, objašnjavajući dalje da “konsenzus različitih mišljenja o strukturi stvarnosti definira samu njenu formu, oblikujući temeljnu kvantnu pjenu”, objasnio je Lanza.
U kvantnom smislu, posmatrač utiče na stvarnost kroz dekoherenciju, koja obezbeđuje okvir za kolapse talasa vjerovatnoće, “u velikoj meri lokalizovanih u blizini kognitivnog modela koji posmatrač gradi u svom umu tokom svog životnog veka”, dodao je.
Lanza kaže: „Promatrač je prvi uzrok, vitalna sila koja urušava ne samo sadašnjost, već i kaskadu prostorno-vremenskih događaja koje nazivamo prošlošću. Stephen Hawking je bio u pravu kada je rekao: ‘Prošlost je, kao i budućnost, neodređena i postoji samo kao spektar mogućnosti.’
Može li svemir biti simulacija?
Može li vještački inteligentni entitet bez svijesti sanjati naš svijet? Lanza vjeruje da biologija igra važnu ulogu, kako objašnjava u svojoj knjizi Veliki biocentrični dizajn: Kako život stvara stvarnost, koju je napisao u koautorstvu s fizičarem Matejem Pavšićem.
Dok bi bot mogao biti posmatrač, Lanza misli da je svjesno živo biće sa sposobnošću pamćenja neophodno za uspostavljanje strele vremena. „Promatrač bez mozga ne doživljava vrijeme i/ili dekoherenciju s bilo kojim stepenom slobode“, piše Lanza. To dovodi do uzročno-posledičnih veza koje možemo primijetiti oko sebe. Lanza misli da “možemo samo sa sigurnošću reći da svjesni promatrač zaista kolapsira kvantnu valnu funkciju.”
Jednačina Boga
Kao što je Robert Lanza također napisao za Big Think, još jedan ključni aspekt njihovog rada je da rješava “užasnu nekompatibilnost između kvantne mehanike i opšte relativnosti”, što je bila ključna tačka čak i za Alberta Ajnštajna. (Pogledajte video Michio Kakua koji objašnjava nekompatibilnost i njegov prijedlog, teorija struna, da se obje teorije ujedine.)
Prividna neusklađenost ova dva objašnjenja našeg fizičkog svijeta – s kvantnom mehanikom koja gleda na molekularni i subatomski nivo i opštom relativnošću na interakcije između masivnih kosmičkih struktura poput galaksija i crnih rupa – nestaje kada se uzmu u obzir svojstva posmatrača.
Iako sve ovo može zvučati spekulativno, Lanza kaže da se njihove ideje testiraju korištenjem Monte Carlo simulacija na moćnim kompjuterskim klasterima MIT-a i da će uskoro biti eksperimentalno testirane.
Titanija (/ tɪˈtɑːniə /), koja se takođe naziva Uran III, najveći je od Uranovih mjeseca i osmi po veličini Mjesec u Sunčevom sistemu promjera od 1.578 kilometara. Otkrio ga je William Herschel 1787. godine, Titanija je dobila ime po kraljici vila u Shakespeareovom snu Ivanjske noći. Njegova orbita leži unutar Uranove magnetosfere.
Usporedba veličine Zemlje, Mjeseca i Titanije
Titanija se sastoji od približno jednakih količina leda i kamena, a vjerovatno se diferencira na stjenovitu jezgru i ledeni plašt. Na granici jezgra – plašta može biti prisutan sloj tečne vode. Čini se da je površina Titanije, koja je relativno tamna i blago crvene boje, oblikovana i udarcima i endogenim procesima. Prekriven je brojnim udarnim kraterima promjera do 326 kilometara, ali je manje krateriran od Oberona, najudaljenijeg od pet velikih Uranovih mjeseci. Titanija je vjerovatno doživjela rani endogeni događaj koji je izbrisao njezinu stariju, jako krateriranu površinu. Površinu Titanije presijeca sistem ogromnih kanjona i ostataka, što je rezultat širenja njene unutrašnjosti tokom kasnijih faza njene evolucije. Kao i svi glavni mjeseci Urana, Titanija je vjerovatno nastala od akrecijskog diska koji je okruživao planetu neposredno nakon njenog formiranja.
Titanija
Infracrvena spektroskopija provedena od 2001. do 2005. otkrila je prisustvo vodenog leda kao i smrznutog ugljičnog dioksida na površini Titanije, što je pak sugeriralo da mjesec može imati slabu atmosferu ugljen-dioksida s površinskim pritiskom od oko 10 nanopaskala (10− 13 bara). Mjerenja tokom okultacije zvijezde u Titaniji stavljaju gornju granicu površinskog pritiska bilo koje moguće atmosfere na 1–2 mPa (10–20 nbar).
Uranski sistem je izbliza proučavan samo jednom, svemirskom letjelicom Voyager 2 u januaru 1986. Snimljeno je nekoliko slika Titanije, što je omogućilo mapiranje oko 40% njegove površine.
Historija Titaniju je otkrio William Hershel 11. januara 1787, istog dana kada je otkrio Uranov drugi po veličini mjesec, Oberon. Kasnije je izvijestio o otkrićima još četiri satelita, iako su naknadno otkrivena kao lažna. Gotovo pedeset godina nakon njihovog otkrića, Titaniju i Oberona ne bi mogao primijetiti nijedan instrument osim Williama Herschela, iako se Mjesec sa Zemlje može vidjeti današnjim vrhunskim amaterskim teleskopom.
Poređenje veličine Zemlje, Mjeseca i Titanije. Svi Uranovi mjeseci nazvani su po likovima koje su stvorili William Shakespeare ili Alexander Pope. Ime Titanija preuzeto je od kraljice vila u “Snu ljetne noći”. Imena sva četiri satelita Urana koja su tada bila poznata predložio je Herschelov sin John 1852. godine, na zahtjev Williama Lassella, koji je godinu ranije otkrio druga dva mjeseca, Ariel i Umbriel.
Titanija je u početku nazivana “prvim satelitom Urana”, a 1848. godine William Lassell je dobio oznaku Uran I, iako je ponekad koristio numeriranje Williama Herschela (gdje su Titanija i Oberon II i IV). 1851.
Lassell je na kraju izbrojio sva četiri poznata satelita po redoslijedu udaljenosti od planete rimskim brojevima, a od tada je Titanija proglašena Uranom III.
Ime Shakespeareova lika izgovara se / tɪˈteɪnjə /, ali se mjesec često izgovara / taɪˈteɪniə /, po analogiji sa poznatim hemijskim elementom titan. Adjektivni oblik, titanijski, istoimean je sa Saturnovim mjesecom Titanom. Ime Titanija je starogrčko porijeklo, što znači “kći Titana”.
Orbita Titanija kruži oko Urana na udaljenosti od oko 436 000 kilometara, što je drugo najudaljenije od planete među njegovih pet glavnih mjeseci. OrbitaTitanije ima malu ekscentričnost i nagnuta je vrlo malo u odnosu na ekvator Urana. Orbitalni period mu je oko 8,7 dana, što se poklapa s njegovim rotacijskim periodom. Drugim riječima, Titanija je sinhroni ili plimovano zaključan satelit, s jednim licem uvijek usmjerenim prema planeti.
Orbitana Titanije leži potpuno unutar uranijske magnetosfere. To je važno, jer hemisfere satelita koji kruže unutar magnetosfere prate hemisferu magnetosferske plazme koja se rotira zajedno s planetom. Ovo bombardiranje može dovesti do zamračenja zaostalih hemisfera, što se zapravo primjećuje na svim uranskim mjesecima, osim Oberona.
Budući da Uran kruži oko Sunca gotovo na boku, a njegovi mjeseci kruže u ekvatorijalnoj ravni planete, oni (uključujući Titaniju) podliježu ekstremnom sezonskom ciklusu. I sjeverni i južni pol provode 42 godine u potpunom mraku, a još 42 godine u neprekidnoj sunčevoj svjetlosti, sa Suncem koje se uzdiže blizu zenita nad jednim od polova na svakom solsticiju. Prolet leta Voyager 2 poklopio se s ljetnim solsticijom južne hemisfere 1986. godine, kada je bila osvijetljena gotovo cijela južna hemisfera. Jednom u 42 godine, kada Uran ima ekvinocij i njegova ekvatorijalna ravan presijeca Zemlju, postaju moguće međusobne okultacije Uranovih mjeseci. U periodu 2007–2008. zabilježen je niz takvih događaja, uključujući dve okultacije Titanije od strane Umbriel 15. avgusta i 8. decembra 2007.
Sastav i unutrašnja struktura Titanija je okruglo sferno tijelo sa osvijetljenom lijevom polovinom. Površina ima šarolik izgled sa svijetlim mrljama na relativno mračnom terenu. Terminator je blago desno od sredine i ide od vrha do dna. Veliki krater sa središnjom jamom može se vidjeti na završnici u gornjoj polovici slike. Još jedan svijetli krater može se vidjeti na dnu ispresijecanim kanjonom. Drugi veliki kanjon prolazi od mraka na donjoj desnoj strani do vidljivog središta tijela. Slika Titanije s najviše rezolucije Voyagera 2 prikazuje umjereno kraterirane ravnice, ogromne pukotine i dugačke škarpe. Pri dnu je područje glatkih ravnica, uključujući krater Ursula, podijeljeno grabenom Belmont Chasma. Titanija je najveći i najmasivniji uranski mjesec i osmi najmasivniji mjesec u Sunčevom sistemu. Njegova gustina od 1,71 g / cm3, koja je mnogo veća od tipične gustine Saturnovih satelita, ukazuje na to da sastoji se od otprilike jednakih proporcija vodenog leda i gustih neledenih komponenata; potonji bi mogli biti izrađeni od kamena i ugljičnog materijala uključujući teška organska jedinjenja. Prisustvo vodenog leda potkrepljeno je infracrvenim spektroskopskim opažanjima napravljenim u periodu 2001–2005, koja su otkrila kristalni vodeni led na površini Mjeseca. Trake upijanja vodenog leda nešto su jače na vodećoj hemisferi Titanije nego na zadnjoj hemisferi. To je suprotno onome što se opaža na Oberonu, gdje zadnja hemisfera pokazuje jače vodne znakove leda. Uzrok ove asimetrije nije poznat, ali može biti povezan s bombardiranjem nabijenim česticama iz magnetosfere Urana, koja je jača na zadnjoj hemisferi (zbog ko-rotacije plazme). Energijske čestice imaju tendenciju da prskaju vodeni led, razgrađuju metan zarobljen u ledu kao klatratni hidrat i potamnjuju druge organske tvari, ostavljajući za sobom tamni ostatak bogat ugljikom.
Osim vode, jedino drugo jedinjenje identificirano na površini Titanije infracrvenom spektroskopijom je ugljični dioksid, koji je koncentriran uglavnom na pratećoj hemisferi. Porijeklo ugljen-dioksida nije potpuno jasno. Može se proizvesti lokalno iz karbonata ili organskih materijala pod uticajem sunčevog ultraljubičastog zračenja ili energetski nabijenih čestica koje dolaze iz magnetosfere Urana. Potonji postupak objasnio bi asimetriju u njenoj distribuciji, jer je zadnja hemisfera podložna intenzivnijem magnetosferskom utjecaju od vodeće hemisfere. Drugi mogući izvor je ispuštanje iskonskog CO2 zarobljenog vodenim ledom u unutrašnjosti Titanije. Bijeg CO2 iz unutrašnjosti može biti povezan s prošlim geološkim aktivnostima na ovom mjesecu.
Titanija se može diferencirati u stjenovito jezgro okruženo ledenim plaštem. Ako je to slučaj, radijus jezgra od 520 kilometara je oko 66% radijusa Mjeseca, a njegova masa je oko 58% mjesečeve mase – proporcije diktira sastav mjeseca. Pritisak u središtu Titanije je oko 0,58 GPa (5,8 kbar). Trenutno stanje ledenog plašta nije jasno. Ako led sadrži dovoljno amonijaka ili drugog antifriza, Titanija može imati podzemni okean na granici jezgra – plašta. Debljina ovog okeana je, ako postoji, do 50 kilometara, a temperatura mu je oko 190 K. Međutim, sadašnja unutrašnja struktura Titanije u velikoj mjeri ovisi o njenoj termalnoj povijesti, koja je slabo poznata.
Karakteristike površine Među Uranovim mjesecima, Titanija je srednja u sjaju između tamnih Oberona i Umbriela i svijetlih Ariel i Mirande. Njegova površina pokazuje snažan opozicioni val: njegova reflektivnost se smanjuje sa 35% pod faznim uglom od 0 ° (geometrijski albedo) na 25% pod uglom od oko 1 °. Titanija ima relativno nizak bond albedo od oko 17%. Njegova je površina uglavnom blago crvene boje, ali manje crvena od Oberonove. No, naslage svježeg udara su plavije, dok su glatke ravnice smještene na vodećoj hemisferi u blizini kratera Ursula i duž nekih grabeža nešto crvenije. Može postojati asimetrija između vodeće i prateće hemisfere; čini se da je prva crvenija od druge za 8%. Međutim, ova je razlika povezana s glatkim ravnicama i može biti slučajna. Pocrvenilo površina vjerovatno je rezultat vremenskih utjecaja u svemiru izazvanih bombardiranjem nabijenih čestica i mikrometeorita tokom starosti Sunčevog sistema. Međutim, asimetrija boja Titanije vjerojatnije je povezana s nakupinom crvenkastog materijala koji dolazi iz vanjskih dijelova uranskog sustava, vjerojatno iz nepravilnih satelita, koji bi se uglavnom taložili na vodećoj hemisferi.
Znanstvenici su prepoznali tri klase geoloških obilježja na Titaniji: krateri, chasmata (kanjoni) i rupije (škarpe). Površina Titanije manje je kraterirana od površina Oberona ili Umbriela, što znači da je površina mnogo mlađa. Prečnici kratera dosežu 326 kilometara za najveći poznati krater Gertrude (može postojati i degradirani bazen približno iste veličine). Neki krateri (na primjer, Ursula i Jessica) okruženi su jarkim udarnim izbacivanjem (zrakama) koje se sastoje od relativno svježeg leda. Svi veliki krateri na Titaniji imaju ravne podove i središnje vrhove. Jedini izuzetak je Ursula, koja u sredini ima jamu. Zapadno od Gertrude nalazi se područje s nepravilnom topografijom, takozvani “neimenovani basen”, koji bi mogao biti još jedan vrlo degradiran udarni bazen prečnika oko 330 kilometara (210 milja).
Površinu Titanije presijeca sistem ogromnih rasjeda ili škrapa. Na nekim mjestima dvije paralelne škarpe označavaju udubljenja u kori satelita, formirajući grabene, koje se ponekad nazivaju kanjoni. Najistaknutiji među kanjonima Titanije je Messina Chasma, koja traje oko 1.500 kilometara (930 mi) od ekvatora gotovo do južnog pola. Grabeži na Titaniji široki su 20–50 km i imaju reljef oko 2–5 km. Škarpe koje nisu povezane s kanjonima nazivaju se rupes, kao što su Rousillon Rupes blizu kratera Ursula. Područja uz neke škarpe i blizu Ursule izgledaju glatko u rezoluciji slike Voyagera. Ove glatke ravnice su vjerovatno ponovo isplivale kasnije u geološkoj historiji Titanije, nakon što je nastala većina kratera. Obnavljanje površine moglo je biti ili endogene prirode, uključujući erupciju fluidnog materijala iz unutrašnjosti (kriovulkanizam), ili je, alternativno, uzrokovano slijepljenjem ejektom udara iz obližnjih velikih kratera. Grabeži su vjerovatno najmlađa geološka obilježja na Titaniji – oni presijecaju sve kratere, pa čak i glatke ravnice.
Na geologiju Titanije utjecale su dvije konkurentske snage: udarni nastanak kratera i endogena obnova. Prvi je djelovao tokom cijele Mjesečeve povijesti i utjecao je na sve površine. Potonji procesi su takođe bili globalne prirode, ali aktivni uglavnom tokom perioda nakon formiranja Mjeseca. Oni su uništili izvorno jako krateriran teren, objašnjavajući relativno mali broj udarnih kratera na današnjoj površini Mjeseca. Dodatne epizode preplakivanja mogle su se dogoditi kasnije i dovesti do stvaranja glatkih ravnica. Alternativno glatke ravnice mogu biti ejektni pokrivači obližnjih udarnih kratera. Najnoviji endogeni procesi uglavnom su bili tektonske prirode i prouzrokovali su stvaranje kanjona, koji su zapravo ogromne pukotine u ledenoj kori. Pucanje kore izazvano je globalnim širenjem Titanije za oko 0,7%.
Atmosfera Prisustvo ugljičnog dioksida na površini sugerira da Titanija može imati slabu sezonsku atmosferu CO2, sličnu atmosferi jovijskog mjeseca Kalista. Drugi plinovi, poput dušika ili metana, vjerojatno neće biti prisutni, jer Slaba gravitacija Titanije nije ih mogla spriječiti da pobjegnu u svemir. Na maksimalnoj temperaturi koja se može postići tokom ljetnog solsticija u Titaniji (89 K), tlak pare ugljen-dioksida je oko 300 μPa (3 nbar).
septembra 2001. godine Titanija je okultirala sjajnu zvijezdu (HIP 106829) vidljive magnitude 7,2; ovo je bila prilika i za pročišćavanje Titanijinog prečnika i efemerida i za otkrivanje bilo kakve postojeće atmosfere. Podaci nisu otkrili atmosferu na površinskom pritisku od 1–2 mPa (10–20 nbar); ako postoji, morao bi biti daleko tanji od onoga kod Tritona ili Plutona. Ova gornja granica je i dalje nekoliko puta veća od maksimalnog mogućeg površinskog pritiska ugljen-dioksida, što znači da mjerenja u osnovi ne ograničavaju parametre atmosfere.
Neobična geometrija uranskog sistema uzrokuje da motrovi dobivaju više sunčeve energije od njihovih ekvatorijalnih područja. Budući da je tlak pare CO2 strma funkcija temperature, to može dovesti do akumulacije ugljičnog dioksida u regijama niske širine Titanije, gdje može stabilno postojati na mjestima visokog albeda i zasjenjenim dijelovima površine u oblik leda. Tokom ljeta, kada polarne temperature dosegnu čak 85–90 K, ugljen-dioksid se sublimira i migrira na suprotni pol i u ekvatorijalna područja, što dovodi do vrste ugljičnog ciklusa. Akumulirani led ugljičnog dioksida može se ukloniti iz hladnih zamki magnetosferskim česticama koje ga raspršuju s površine. Smatra se da je Titanija izgubila značajnu količinu ugljen-dioksida od svog formiranja prije 4,6 milijardi godina.
Porijeklo i evolucija Smatra se da je Titanija nastala od akrecijskog diska ili subnebule; disk plina i prašine koji je postojao oko Urana neko vrijeme nakon njegovog formiranja ili je stvoren divovskim udarom koji je Uranu najvjerojatnije dao veliku kosost. Precizan sastav podnebule nije poznat; međutim, relativno velika gustina Titanije i drugih uranskih mjeseci u odnosu na Saturnove mjesece ukazuje da je možda bio relativno siromašan vodom. Značajne količine dušika i ugljenika mogle su biti prisutne u obliku ugljenika monoksid i N2 umjesto amonijaka i metana. Mjeseci koji su nastali u takvoj podnebuli sadržavali bi manje vodenog leda (sa CO i N2 zarobljenim kao klatrat) i više kamena, objašnjavajući njihovu veću gustinu.
Prirast Titanije vjerovatno je trajao nekoliko hiljada godina. Utjecaji koji su pratili nagomilavanje uzrokovali su zagrijavanje vanjskog sloja mjeseca. Maksimalna temperatura od oko 250 K (−23 ° C) postignuta je na dubini od oko 60 kilometara. Nakon završetka formiranja, podzemni sloj se ohladio, dok se unutrašnjost Titanije zagrijavala uslijed raspadanja radioaktivnih elemenata prisutnih u njezinim stijenama. Hladni površinski sloj se smanjio, dok se unutrašnjost proširila. To je izazvalo snažna ekstenzijska naprezanja u mjesečevoj kori koja su dovela do pucanja. Neki od današnjih kanjona mogu biti rezultat toga. Proces je trajao oko 200 miliona godina, što implicira da je bilo kakva endogena aktivnost prestala milijardama godina.
Početno zagrijavanje, zajedno sa kontinuiranim raspadanjem radioaktivnih elemenata, bilo je vjerovatno dovoljno jako da otopi led ako je bilo prisutno antifriz poput amonijaka (u obliku amonijak hidrata) ili soli. Dalje otapanje moglo je dovesti do odvajanja leda od stijena i stvaranja stjenovite jezgre okružene ledenim plaštem. Sloj tečne vode (okeana) bogat otopljenim amonijakom mogao je nastati na granici jezgra i plašta. Eutektička temperatura ove smjese je 176 K (-97 ° C). Da je temperatura pala ispod ove vrijednosti, ocean bi se naknadno smrznuo. Zamrzavanje vode moglo bi prouzročiti širenje unutrašnjosti, što je možda odgovorno za nastanak većine kanjona. Međutim, sadašnje znanje o geološkoj evoluciji Titanije prilično je ograničeno.
Istraživanje Urana Do sada su jedine slike Titanije iz blizine snimljene sondom Voyager 2, koja je fotografirala mjesec tokom leta Urana u januaru 1986. Budući da je najbliža udaljenost između Voyagera 2 i Titanije bila samo 365.200 km (226.900 mi), najbolje slike ovog mjeseca imaju prostornu rezoluciju od oko 3,4 km (samo su Miranda i Ariel snimljene s boljom rezolucijom). Slike pokrivaju oko 40% površine, ali samo 24% je fotografirano s preciznošću potrebnom za geološko mapiranje. U vrijeme leta, južna hemisfera Titanije (poput one ostalih mjeseci) bila je usmjerena prema Suncu, pa sjeverna (tamna) hemisfera se nije mogla izučavati.
Nijedna druga svemirska letjelica nikada nije posjetila uranijski sistem ili Titaniju i trenutno nije planirana misija. Jedna od mogućnosti, koja je sada odbačena, bila je slanje Cassinija sa Saturna na Uran u produženu misiju. Drugi predloženi koncept misije bio je koncept Urana o orbiti i sondi, koji je evaluiran oko 2010. Uran je takođe ispitan kao dio jedne putanje za koncept međuzvjezdane sonde preteče, Inovativni Interstellar Explorer.
NASA-in orbiter naveden je kao treći prioritet za NASA-inu vodeću misiju u NASA-inom Dekadnom istraživanju planetarnih nauka, a idejni nacrti za takvu misiju trenutno se analiziraju.
KLJUČNO
Titanija je najveći Uranov mjesec i deveti po veličini Sunčev sistem. Orbita Titanije nalazi se unutar Uranove magnetosfere. Njegov sastav je mješavina čvrste stijene i leda; njegove površinske značajke uključuju kratere, kanjone i škarpe. Atmosfera se može prirodno formirati sa godišnjim dobima kada se smrznuti ugljen-dioksid na površini sublimira. Ako su prisutne velike količine amonijaka, može imati tečni okean vode između ledenog plašta i stjenovite jezgre.
Proces teraformiranja
Teraformiranje ili kolonizacija ledenog mjeseca i izgradnja kontrolnog centra na njemu mogli bi biti važni za teraformaciju transneptunskih patuljastih planeta. Proces zagrijavanja i otapanja okeana Titanije bio bi vrlo sličan onome kako bi Oberon bio teraformiran. Takođe poput Oberona, i Titaniju će možda trebati promijeniti orbitu oko Urana da bi prestao sa svojim ekstremnim sezonskim ciklusima, što bi zakompliciralo stabilizaciju temperature i atmosfere.
Newton i zakon gravitacije Newton je objavio jedno od najslavnijih naučnih djela, Principia, 1687. godine. U njemu je opisao da je sila koja vuče predmete prema zemlji ista sila koja je u osnovi kretanja planeta i zvijezda.
Da bi došao do ovog zaključka, Newton je zamislio da odnese predmet daleko od površine Zemlje i baci ga. Ako ga bacite s premalo zamaha, on će pasti prema Zemlji, zarobljen gravitacijom poput nas samih. Ako ga bacite s previše zamaha, ubrzaće se od planete, započinjući putovanje u svemirske domete. Ali sa tačno pravim zamahom, možete ga baciti tako da neprestano pada oko Zemlje, okolo i okolo u vječnom natezanju konopa. Predmet pokušava nastaviti putem kojim ste ga bacili, ali gravitacija ga neprestano uvlači. Uz pravilan balans, objekt se sada nalazi u orbiti oko Zemlje – baš poput Mjeseca ili poput Zemlje oko Sunca.
Newton je formulisao ovaj uvid u matematičku jednadžbu, danas poznatu kao zakon univerzalne gravitacije. U kombinaciji sa znanjem o geometriji i ostalim Newtonovim jednadžbama kretanja, možemo ga koristiti za predviđanje kretanja planeta ili putanja kometa ili koliko je snage potrebno da se raketa dovede do Mjeseca.
Newtona priznajemo ne samo zbog njegove ideje, već i zato što ju je formulirao u jednačinu koja je predviđala s većom preciznošću nego ikad prije. Ali nije bilo savršeno – Newtonove jednadžbe dale su neka pogrešna predviđanja i, što je još važnije, nije opisao kako gravitacija djeluje na način na koji to radi. Newton je bio dobro svjestan toga kad je rekao,
Gravitaciju mora prouzrokovati agent koji stalno djeluje u skladu s određenim zakonima; ali da li je ovaj agent materijalni ili nematerijalni, ostavio sam na razmatranje svojim čitateljima. Isaac Newton
Iskrivljenja u prostoru i vremenu Više od 200 godina nakon što je Principia objavljena, svijet je još uvijek bio bez razumijevanja mehanizma gravitacije. Nakon toga je došao Albert Einstein – čovjek koji je na toliko načina trebao promijeniti svijet. Ali prije nego što pređemo na njegov posao, morat ćemo napraviti digresiju.
Ne možete znati krećete li se (konstantnom brzinom)
godine, čak i prije nego što je Newton objavio svoje danas poznato djelo, Galileo Galilei je pisao o relativnom kretanju objekata poznatih u njegovo vrijeme: brodova.
Ako ste u zatvorenoj sobi na brodu koji plovi konstantnom brzinom, a vožnja je savršeno glatka, predmeti se ponašaju kao na kopnu. Ne postoji fizički eksperiment koji biste mogli provesti da li se krećete ili mirujete (pod pretpostavkom da ne virite iz okna). Ovo je srž ideje koja stoji iza relativnosti i isti je razlog zašto ne osjećamo kretanje naše planete oko Sunca ili kretanje našeg Sunčevog sistema kroz galaksiju.
Prostor i vrijeme su povezani Gotovo 300 godina nakon Galileja, Einstein je razmišljao o posljedicama relativnosti u kontekstu važnog faktora: brzine svjetlosti. Nije bio jedina osoba koja je razmišljala o tim temama – drugi su fizičari u to vrijeme bili svjesni da na ovom frontu ima neodgovorenih pitanja. Ali Einstein je bio taj koji je formulirao teoriju – svoju teoriju posebne relativnosti – da objasni postojeće pojave i stvori nova predviđanja. U početku se činilo da posebna relativnost nema puno veze s gravitacijom, ali je Einsteinu bila bitan kamen za razumijevanje gravitacije.
POKRETNI SATOVI OTKUCAVAJU SPORIJE Eksperimenti za vrijeme Einsteina pokazali su da se čini da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira koliko brzo pokušavali da je sustignete, čini se da vam svjetlost uvijek odmiče brzinom od gotovo 300 000 000 metara u sekundi.
Zašto je ovo važno? Pa, zamislimo da sami konstruiramo sat od same svjetlosti. Dva ogledala postavljena su jedno nasuprot drugog, a „otkucaj“ sata je vrijeme potrebno da čestica svjetlosti putuje s jedne na drugu stranu i natrag.
Sada zamislimo da vaš prijatelj, koji je na svemirskom brodu koji zipa pokraj Zemlje, ima jedan od ovih satova. Čini se da za vašeg prijatelja sat radi normalno – čestice svjetlosti putuju gore-dolje, kako se očekivalo, a vrijeme teče na svoj uobičajeni način. Ali iz vaše perspektive, gledajući brod kako prolazi, svjetlost se pomiče i gore i dolje i u stranu, s brodom. Svjetlost putuje veću udaljenost sa svakim otkucajem.
Dakle, za svemirskog putnika svjetlost putuje brzinom od 300 000 000 m / s i samo gore-dolje; a posmatraču koji je vezan za Zemlju, svjetlost putuje 300 000 000 m / s, ali mora preći veću, dijagonalnu udaljenost; tada promatraču uz Zemlju sat treba duže da “otkuca”.
Taj se efekt naziva vremenska dilatacija. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme.
PERSPEKTIVNA PITANJA Ali čije je vrijeme zaista usporeno? Je li to osobe na Zemlji, koja gleda svog prijatelja kako prolazi kroz njen svemirski brod? Ili astronaut, koji tvrdi da ostaje miran dok Zemlja prolazi?
Čudno je da su oba gledišta valjana, ali samo dok su oba u stalnom pokretu.
Za ilustraciju, pretpostavimo da su, kada je astronaut napustio Zemlju, on i njegov prijatelj bili istih godina. Kad on ode, svemirski brod ubrzava od Zemlje. Kad se vrati, svemirski brod usporava kako bi izbjegao pad. I prilikom odlaska i povratka svemirski brod mijenja referentni okvir i naš astronaut može osjetiti promjenu kretanja. Eksperimenti izvedeni unutar svemirskog broda za vrijeme ubrzavanja i usporavanja pokazali bi da se nešto mijenja. To ruši simetriju situacije, a kada se svemirski brod spusti natrag na Zemlju, naš astronaut zaista će biti mlađi od svog kolege vezanog za Zemlju.
Efekti su primjetni samo ako su putovali jako, jako brzo – ali još uvijek je istina reći da će današnji astronauti i piloti borbenih aviona koji se vrate iz brze misije, a ostarit će i malo i manje od ostalih tokom te misije.
ČETIRI DIMENZIJE PROSTORNOG VREMENA Slijedom ovoga, umjesto da razmišljamo o tri dimenzije prostora i jednoj zasebnoj dimenziji vremena, možemo ih smatrati četiri dimenzije „prostora-vremena“. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme i obrnuto.
OBJEKTI PRI KRETANJU SE SAŽIMAJU U PROSTORU Još jedna posljedica posebne relativnosti je da se čini da se objekti koji se brzo kreću skupljaju u smjeru svog kretanja. (I opet, ovo se preokreće, ovisno iz čije perspektive gledate.)
To proizlazi iz izobličenja vremena – uostalom, možete izmjeriti dužinu nečega prema količini prostora koji nešto putuje kroz vrijeme (npr. Svjetlosne godine, svjetlosne sekunde). I dok je lukavo zamisliti mjerenje dužine predmeta u pokretu iz tuđe perspektive, kontrakcija dužine je stvarni, fizički efekt, a ne samo rezultat nepreciznih mjerenja.
Za razliku od dobnih razlika koje mogu nastati dilatacijom vremena, ne postoje rezidualni efekti zbog kontrakcije dužine nakon što se pokretni objekt i posmatrač ponovo sjedine.
Razumijevanje gravitacije Einsteinov opis gravitacije dovodi do situacija jednako bizarnih kao i posebna relativnost – uključujući putovanje kroz vrijeme!
UBRZANJE I GRAVITACIJA MOGU DA SE NE MOGU RAZLIKOVATI Zamislite da se budite u svemirskom brodu, ubrzavajući kroz svemir. Baš kao što ste gurnuti natrag u sjedište automobila koji ubrzava, svemirski brod koji vas ubrzava odgurne vas u stranu nasuprot onoj prema kojoj ubrzavate. Uz određenu brzinu ubrzanja, set vaga mogao bi vam reći da težite potpuno isto kao i kad ste kod kuće na Zemlji.
Postoji li bilo kakav fizički eksperiment koji biste mogli obaviti u granicama svog svemirskog broda da biste utvrdili jeste li zaista ubrzavali kroz svemir (pod pretpostavkom da nije bilo prozora kroz koji ste mogli gledati) ili ste se, umjesto toga, nalazili u svemirskom brodu stacionarnom na površini Zemlja? Einstein je rekao ne – baš kao što je Galileo zamišljao nerazlučivost osobe u jedrenjaku s konstantnim kretanjem (zatvorenim bez prozora) i osobe na kopnu, Einstein je shvatio da se i efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati. To se naziva principom ekvivalencije.
Einstein je shvatio da se efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati.
PROSTOR SE ZAKRIVLJUJE ISPOD UBRZANOG POKRETA Jednom kada je Einstein formulirao princip ekvivalencije, gravitacija je postala manje misteriozna. Svoje znanje o ubrzanju mogao je primijeniti kako bi bolje razumio gravitaciju.
Možda znate da ubrzanje ne znači uvijek promjenu brzine, kao kad ubrzavate u automobilu, gurajući vas na naslon sjedala. To također može značiti promjenu smjera, na primjer kada zaobiđete kružni tok, zbog čega ćete se nagnuti prema boku automobila.
Da to dalje proširimo, zamislimo cilindričnu karnevalsku vožnju gdje ste vi i vaši suputnici prikovani za vanjsku površinu. Cilindar se okreće sve brže i brže dok ubrzanje ne popusti i kretanje ne ostane konstantno. Ali čak i kad je brzina konstantna, i dalje osjećate ubrzano kretanje – osjećate se prikovanim za vanjski rub vožnje.
Da je ova okretaja bila dovoljno velika i kretala se dovoljno brzo, počeli biste primjećivati neke bizarne efekte u samoj vožnji, ne samo sa stajališta nekoga tko stoji izvan nje.
Svakom rotacijom oni na rubu vožnje prelaze puni opseg cilindra – dok se u samom središtu gotovo uopće ne pomiče. Dakle, ako bi netko stajao u samom središtu vožnje (možda ga drži ograda, sprečavajući ga da padnu na rub), primijetio bi sve one čudne efekte koje smo vidjeli u posebnoj relativnosti – da će se oni na rubu promijeniti u dužini, i njihovi će satovi otkucavati sporije.
GRAVITACIJA JE ZAKRIVLJENJE PROSTOR – VREMENA Princip ekvivalencije govori nam da se efekti gravitacije i ubrzanja ne mogu razlikovati. Razmišljajući o primjeru cilindrične vožnje, vidimo da ubrzano kretanje može iskriviti prostor i vrijeme. Tu je Einstein spojio tačke sugerirajući da je gravitacija iskrivljenje prostora i vremena. Gravitacija je zakrivljenost svemira uzrokovana masivnim tijelima koja određuje put kojim predmeti putuju. Ta zakrivljenost je dinamična, kreće se kako se ti objekti kreću.
U Einsteinovom pogledu na svijet, gravitacija je zakrivljenost prostor – vremena uzrokovana masivnim objektima. Izvor slike: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.
Ova teorija, opća relativnost, predviđa sve, od orbita zvijezda do sudara asteroida do jabuka koje padaju s grane na zemlju – sve što smo očekivali od teorije gravitacije.
Prostor vrijeme zahvaća masu, govori joj kako da se kreće … Masa zahvaća prostor vrijeme, govori mu kako da se zakrivi. Fizičar John Wheeler
Uspjeh opšte relativnosti Baš kao što je Newtonova formulacija zakona gravitacije bila dragocjena zbog njihove prediktivne moći, isto vrijedi i za Einsteinove. Do danas su njegova predviđanja – koliko god čudno zvučala – izdržala test vremena.
Dokazi o Einsteinovoj teoriji gravitacije uključuju savijanje zvjezdane svjetlosti (ili, u ovom slučaju, svjetlosti čitavih galaksija) oko masivnih objekata. Izvor slike: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons.
Gravitacijski talasi EHO JAKO UDALJENE KATAKLIZME Zamislite dva vrlo masivna predmeta, poput crnih rupa. Ako bi se ti objekti sudarili, potencijalno bi mogli stvoriti ekstremne poremećaje u tkivu svemira, krećući se prema van poput mreškanja u jezercu. Ali koliko su se daleko mogli osjećati takvi valovi? Einstein je predvidio da gravitacijski valovi postoje, ali vjerovao je da će biti premali da bi se otkrili dok su stigli do nas ovdje na Zemlji.
Tako je s velikim uzbuđenjem 11. februara 2016. godine znanstvena zajednica bila puna objave da je otkriven gravitacijski val. Bili su nam potrebni instrumenti sposobni za otkrivanje signala promjera jednog desethiljaditog dijela promjera protona (10-19 metara). To je upravo ono što Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), kojom upravljaju Kalifornijski institut za tehnologiju i Massachusetts Institute of Technology, može.
LIGO EKSPERIMENT U LIGO eksperimentu laser se usmjerava u veliku strukturu tunela. Laserski snop je podijeljen tako da polovina putuje niz jedan od 4 kilometra dugih „krakova“, a druga polovina u isto vrijeme pada niz drugi krak od 4 kilometra. Na kraju svake ruke zrcalo reflektira svjetlost od lasera natrag odakle je došla, a dvije zrake se stapaju u jednu.
Uobičajeno, laserski zraci trebali bi se rekombinirati u isto vrijeme. Ali ako se gravitacijski talas talasa kroz svemir dok su detektori uključeni, to valjanje će ispružiti jedan krak strukture u obliku slova L prije rastezanja drugog. Gravitacijski talas narušava prolazak svjetlosti, što rezultira određenom vrstom interferencijskog svjetlosnog uzorka koji se detektira na kraju.
ASTRONOMIJA GRAVITACIONIH TALASA Uspješni LIGO eksperiment otvorio je novu eru astronomije. Prije toga, astronomi su se uglavnom fokusirali na proučavanje elektromagnetskog spektra (uključujući svjetlost i radio valove). Kroz taj smo posao uspjeli otkriti ogromnu količinu našeg svemira, ali sada imamo potpuno novi način proučavanja svemira.
Otkriće gravitacijskih valova daje astronomima novi ‘smisao’ s kojim mogu istraživati svemir, pa će tako gotovo sigurno biti iznenađenja pred nama. Ono što znamo je da će nam ova tehnika omogućiti bolje razumijevanje najmasivnijih objekata u svemiru kao što su crne rupe, neutronske zvijezde i supernove; i pružit će nam novi prozor za proučavanje kako je nastao svemir.
Da li je naše razumijevanje potpuno? Iako je Einsteinova teorija gravitacije potvrđivana eksperimentom za eksperimentom, to ne znači da je naše razumijevanje cjelovito. U stvari, znamo da nešto nije sasvim u redu.
Jedno neodgovoreno pitanje je da li gravitaciju širi graviton – predložena (ali do sada neotkrivena) čestica odgovorna za gravitacijske interakcije. Još važnije, znamo da je opća relativnost u svom sadašnjem obliku nekompatibilna s drugim stubom moderne fizike: kvantnom mehanikom. Ovo je pokazatelj da su jedna ili obje teorije nepotpune ili da nam nedostaje neka druga ključna komponenta.
Hoće li Einsteinova teorija gravitacije ostati nepromijenjena, nije poznato. Ali proizveo je mnoga neočekivana, neintuitivna predviđanja koja su se iznova potvrđivala tokom više od sto godina. To je znak velike naučne teorije – daje predviđanja koja se u to vrijeme možda neće moći dokazati, ali će se suprotstaviti rigoroznim testiranjima. Ovo je bilo jedno od najvećih putovanja u istoriji nauke, uključujući ne samo Newtona i Einsteina, već i mislioce i činioce širom svijeta koji su radili na testiranju ovih teorija.
Uprkos tome, raskol između relativnosti i kvantne mehanike ostaje. Što se tiče sljedećeg, niko sa sigurnošću ne zna. Međutim, postoji nekoliko teorija – teorija struna, teorija petlji, višedimenzionalnih teorija – nedokazanih, ali s obećanjem da će postati sljedeća prekretnica u razumijevanju našeg kosmosa.
