Vpogled v spočetje vesolja: na Antarktiki ujeli odmev velikega poka

Odkritje desetletij, ki utegne dobiti Nobelovo nagrado. Znanstveniki so ujeli "odmev" velikega poka, podprli teorijo inflacije v prvih trenutkih časa sploh in dobili neposreden dokaz obstoja gravitacijskih valov.

"Detekcija teh valov je bila 10 let zlata jama. Vsi so se trudili to narediti," je novo veliko odkritje za MMC pojasnjeval kozmolog Anže Slosar. A nihče ni zares verjel, da bo neka majhna znanstvena odprava na Zemljinem južnem polu naredila prav to.

Tako Slosar kot številni drugi strokovnjaki področja so v veliki večini mnenja, da bo odkritje zelo verjetno vredno Nobelove nagrade za fiziko.

Za kaj gre? Za eno tistih temeljnih fizikalnih vprašanj, zaradi katerih bo "jutri Sava še vedno tekla", kot bi rekel slovenski fizik Anton Mavretič. Eno tistih ugank, ki jih je težko pojasniti in ki nimajo neposrednih učinkov na vsakdan.

Obenem gre za odgovore na tista vprašanja, ki si jih človeštvo zastavlja, že odkar - vprašanja sploh obstajajo. Od kod prihajamo? Kje se je vse začelo? Kako?

Raziskovalci so na nebu našli sled izjemno hitrega širjenja prostora, ki se je zgodilo le trenutek po začetku časa samega. A pot do odkritja je bila dolga in izjemno zahtevna.

Že ko te dni intenzivno rekonstruiramo dogodke prve svetovne vojne, so viri omejeni, dognanja se spreminjajo, interpretacije krešejo. Pa je oddaljena le sto let, na grudi, ki jo še zdaj tlačimo.

Kaj šele, ko je treba do potankosti dognati začetek časa in prostora samega. Veliki pok izpred 13,8 milijarde let.

Astronom Phil Plait je za Slate dilemo opisal takole: "Vse do zdaj smo bili v situaciji, ko smo pisali knjigo o državljanski vojni, ne da bi sploh vedeli, kaj se je takrat dogajalo."

Danes, ko je skupina za teleskopom BICEP2 na južnem polu oznanila svoje odkritje, pa so se strani začele polniti. "Zdaj smo našli dnevnike in fotografije. Kot bi se na praznih straneh začele besede pojavljati same od sebe," je zapisal Plait.

Če so dognanja, objavljena tudi v znanstveni reviji Nature, zanesljiva, potem zdaj vemo, kaj se je zares dogajalo v prvih nekaj milijoninkah sekunde. Slosar ocenjuje, da je objava kredibilna in da so avtorji z veliko zanesljivostjo utemeljili svoja dognanja.

"Velikokrat se zgodi, da so odkritja bolj ali manj napihnjena. Tole je pa res zelo pomembna stvar," je dejal za MMC.

Teorije, teorije, teorije ...
Dobili smo prvi neposredni dokaz za teorijo inflacije. Ob pomanjkanju neposrednih ali posrednih dokazov se morajo fiziki precej zanašati na teoretiziranje. Tako je bilo tudi pri Higgsovem bozonu. Učena glava je morala premetavati izračune, trošiti črnilo in v domišljiji graditi model, kako naj bi bilo.

Pogosto se izkaže, da so takšna teoretiziranja lahko precej natančna. Naprave, zmožne zaznavati najmanjše delce sploh, so zgradili in uspešno preizkusili šele desetletja po tem, ko je Peter Higgs napovedal obstoj "svojega" bozona. Podobno je v tokratnem primeru.

Teorija velikega poka dolgo le teorija
Da se je vse obstoječe začelo v miniaturni točki, manjši celo od atoma, je bila dolgo le precej izpodbijana teorija velikega poka. Prvi, posredni dokaz je prišel z zakasnitvijo desetletij. Na nebo je moral teleskop in ga dolga leta temeljito premeriti z vseh strani. Natančno je izmeril vseprisoten, a šibek sij. Da, velika eksplozija še danes osvetljuje celotno vesolje in ga ohranja ogretega za 2,7 stopinje Celzija nad absolutno ničlo, kot je izmeril najnatančnejši med njimi, Planckov teleskop. To je bil prvi posredni dokaz našega izvora.

Vpogled v rojstvo vesolja
Planck pa ni zaznal svetlobe, ki bi nastala v prvih trenutkih sploh. To ni bil neposreden dokaz velikega poka. Zaznal je kozmično mikrovalovno sevanje ali prasevanje. Nastalo je šele 380.000 let po velikem poku samem, ko se je ogromna in izjemno vroča juha osnovnih delcev ravno dovolj ohladila, da so se lahko ti začeli povezovati v atome in naprej vse do galaksij. Takrat so fotoni, delci svetlobe, prvič "ušli", se odbili s takrat sveženastale površine zadnjega sipanja in se odpravili na večno pot po vesolju. Planck je v prasevanju torej videl rojstvo vesolja.

A BICEP2 gre še dlje. V samo spočetje vesolja. Natančneje, pripoveduje nam podatke o dogajanju 10^-35 sekunde po začetku časa samega.

Eksplozivno, kratkotrajno, bliskovito širjenje
Takrat se je, skladno s teorijo inflacije, zgodil nenavaden proces. Vesolje se je iz neskončno strnjene točke s skoraj ničto prostornino začelo širiti. In to ne kot balon, ki ga polagoma in enakomerno napihujemo, temveč se je širilo izjemno hitro - izjemno pospešeno. V nekaj milijardinkah sekunde se je njegova prostornina povečala za 10 bilijon bilijon bilijon-krat in se širila precej hitreje od svetlobe same.

Morda ne zveni preveč pomembno, toda ravno v tistih nekaj trenutkih in v tistih nekaj kubičnih centimetrih so se ustvarila semena galaksij in vesolja, kot ga poznamo danes. "To je proces inflacije, ki je trajal izjemno malo časa in je ustvaril začetne pogoje za vroči veliki pok, kot ga poznamo," je pojasnil Slosar, ki dela na državni ustanovi Brookhaven National Laboratory v ZDA, delu ameriškega ministrstva za energetiko.

Tako intenziven in energetičen dogodek, kot je inflacija, po teoriji relativnosti Alberta Einsteina nujno vpliva na prostor in čas. Einstein je že pred stoletjem teoretiziral, da masa z gravitacijo ukrivlja prostor okoli sebe. "Ta proces je moral zgenerirati gravitacijske valove," pojasnjuje sogovornik.

Temu je bila že skoraj desetletje na sledi skupina za teleskopom BICEP2, ki jo vodi John Kovac s Harvard-Smithsonianovega centra za astrofiziko (Cambridge v Massachusettsu, ZDA). Iskala je (in še išče) prvinske gravitacijske valove, neposredno posledico silne inflacije.

Uspeha ni nihče pričakoval. "Ta signal je tako šibak, da ko sem delal doktorat, so mi rekli: pozabi. To ne bo nikoli izmerjeno," se je spominjal naš sogovornik. A kako analizirati dogajanje v prvih sekundah, če prvi dostopni podatki o zgodovini vesolja nastanejo šele z letom 380.000 po velikem poku? "Dobro vprašanje," je odgovoril Slosar.

Ključ je v polarizaciji svetlobe
Tako kot satelit Planck so se tudi Kovac in njegova ekipa lotili tistega, kar so imeli na voljo. Prasevanja, elektromagnetnega valovanja, le da so se osredinili na eno samo lastnost: polariziranost. Če namreč teorija inflacije drži, potem so prvinski gravitacijski valovi v nekoliko oslabljeni obliki obstajali in tudi stotisoče let po začetku pustili svoj odtis na prasevanju.

Gravitacijski valovi so ena zadnjih velikih fizikalnih skrivnosti. Vemo, da obstajajo in da delujejo, saj so njihovi učinki merljivi, nismo pa jih še neposredno zaznali. Podobno kot temno snov. Gravitacijski val v praksi širi in oži prostor, v periodičnem sosledju. Gravitacijski val je, posplošeno, prenos informacije, da se nekaj privlači. In to ne gre hitreje kot s hitrostjo svetlobe.

Običajnemu človeku je samoumevno, da ko skoči v zrak, bo potem pač padel nazaj dol, je razlagal Slosar. Modernim fizikom to ni tako samoumevno. Ko nekdo skoči v zrak, mora informacija o privlaku, in posledično vrnitvi telesa z visoke točke na trdna tla, pripotovati od enega telesa do drugega.

"Zemlja vzpostavi gravitacijsko polje, ki se pogovarja z atomi v mojem telesu. Na ta način šele potem padem nazaj. Gravitacijski valovi kot pertubacije v tem polju potujejo skozi prostor in čas," je pojasnil.

"Imamo elektromagnetno sevanje, ki prek valovanja v njem omogoča komunikacijo z mobiteli. Elektromagnetno polje je odgovorno za to, da elektroni krožijo okoli protonov. Podobno imamo gravitacijsko polje, ki omogoča, da Zemlja kroži okoli Sonca."

Informacija o privlaku med njima pa potuje z gravitacijskimi valovi, pertubacijami v polju, pri hitrosti svetlobe.

Val, ki je komaj enkrat zanihal
Je pa Slosar opozoril na eno veliko, veliko razliko. V tem primeru imamo prvinsko gravitacijsko valovanje, ki je izjemno drugačne narave. V strogem smislu sicer je valovanje, vendar gre za valove v velikosti vesolja. "To so valovi, ki niso zanihali še niti dvakrat, odkar se je vesolje začelo."

Pa vendar: če so prvinski gravitacijski valovi obstajali, so povzročili polarizacijo v prvinski svetlobi, prasevanju. To pomeni, da polje ne niha naključno, temveč v neki ravni. Če delec polja niha samo navzdol in navzgor, gledajoč proti njemu vidimo navpično "palico", vodoravno, če vodoravno - lahko pa tudi kateri koli drugi kotni nagib vmes.

Vendar polarizacijo v sevanju lahko povzročijo tudi danes obstoječa magnetna polja. A le prvinski gravitacijski valovi so lahko povzročili polarizacijo tipa B, ki so jo zaznali na posebno občutljivih tipalih na južnem polu (vidna je na naslovni sliki).

Na videz banalna podrobnost, ki je omogočila človeštvu vpogled v spočetje vsega.

Mostovi s svetom najmanjšega
Odkritja pa se sploh še ne končajo. Ugotovili so tudi, pri kateri energiji se je inflacija in posledični vroči del velikega poka zgodila. Izračunanih 10.000 bilijonov gigaelektronvoltov je že tista točka, kjer se zgodi znamenito združevanje.

Temelji za združeno teorijo vsega
Vsi delci stvarstva medsebojno delujejo na enega izmed štirih načinov, za vsakega pa je "odgovoren" en delec, ki nosi silo. Prvi način je elektromagnetizem, ki poteka med električno nabitimi delci, prenaša jo foton. Drugi način je šibka jedrska sila z bozonoma tipa W in Z, ki med drugim poteka v našem Soncu. Po jakosti je na prvem mestu močna jedrska sila, ki ohranja stabilnost atomov s t. i. gluoni.

Pri izmerjeni energiji se vse te tri sile združijo in postanejo le manifestacije ene same, elementarne sile vesolja.

Četrti način prenosa je vedno ostajal nepojasnjen. To je ravno gravitacija.

A s tem, ko je skupini na južnem polu uspelo dokazati obstoj gravitacijskih valov v teh pogojih, je to odprlo pot za dodelavo teorije vsega - ko se vse štiri elementarne sile pri ekstremnih pogojih združijo v eno.

Združevanje kvantnega in relativnosti
Odkritij še ni konec. Odkritje povezuje tudi do zdaj precej neskladna svetova. Najmanjšim delcem vladajo zakoni kvantnega, medtem ko so gravitacijski valovi povsem integralni del Einsteinove teorije relativnosti in se večinoma uporabljajo na precej ogromnejših skalah.

Ta dva svetova sta bila, kot meni Plait, do zdaj precej nezdružljiva. A ko v čisto kvantni svet v času hiperinflacije dodaš povsem relativnostni pojav, se razkriva potencialno novo področje.

Kaj sledi? Pot je široko odprta.

Naš sogovornik čez Veliko lužo pričakuje "cel Vietnam" na arhivu znanstvenih člankov. Teoretiki bodo kost zagrabili, obglodali z vseh strani in prišli na dan z vsemi mogočimi razlagami in interpretacijami. Že samo objava nekaj meritev je ovrgla ogromno modelov o začetku vesolja, ima implikacije za teorijo supersimetrije in utegne celo vplivati na to, česa se bo pospeševalnik delcev v Cernu lotil, je našteval.

Dvom gloda
Je pa opozoril na neizogibno merilo v svetu znanosti: dokler odkritja ne bodo potrdili še drugi poskusi, ostaja v kategoriji dvoma. Meritve so izvajali na eni frekvenci, nujne bodo ponovitve na drugih frekvencah in na drugih instrumentih. "Naslednjega pol leta do največ enega leta bo zelo zanimivo."

Na drugi strani Rubikona dvoma pa avtorje po vsej verjetnosti čaka Nobelova nagrada.

Listi zgodovine vesolja so se začeli polniti z dokazi.