TIM ZNANSTVENIKA iz kolaboracije MAGIC, pod vodstvom našeg astrofizičara Tomislava Terzića sa Sveučilišta u Rijeci, nedavno je testirao teoriju koja se smatra svetim gralom fizike.

Riječ je o teoriji kvantne gravitacije koja bi mogla ujediniti teoriju relativnosti i kvantnu fiziku i time postati važan korak u potrazi za teorijom svega.

Rad je objavljen u prestižnom časopisu Physical Review Letters, a prenijeli su ga brojni drugi ugledni časopisi kao što je Nature.

Što su znanstvenici istraživali?

Kvantna teorija, teorija relativnosti i teorija svega na prvi pogled mogu se činiti kao prenaporna mozgalica za sve koji nisu fizičari, no to ne mora biti tako. U istraživanju ima mnogo toga što je zanimljivo i zabavno.

Krenimo od ključnih pojmova.

Poznato je da teorija relativnosti, koja se fokusira na jednu (najslabiju) od četiri temeljne sile prirode – gravitaciju, odlično funkcionira u svijetu velikih dimenzija i golemih masa – planeta, zvijezda, galaksija i svemira.

S druge strane kvantna fizika, koja se bavi s tri preostale temeljne sile – jakom nuklearnom, slabom nuklearnom i elektromagnetskom, odlično funkcionira u mikrosvijetu – na razini malih masa i malih udaljenosti, odnosno u svijetu elementarnih čestica, atoma i molekula.

Predviđanja koja daju ove dvije teorije potvrđena su u cijelom mnoštvu eksperimenata. Međutim, znanstvenici ih do sada nisu uspjeli objediniti u neku teoriju koja bi funkcionirala u uvjetima u kojima se veliko i malo preklapaju. Najpoznatiji primjeri takvih situacija su crne rupe i veliki prasak u kojima su goleme mase zbijene u vrlo malenom prostoru. Jedan od kandidata za takvu objedinjujuću teoriju je kvantna gravitacija. Ona bi pak mogla omogućiti da se potvrde ili odbace neki od kandidata za teoriju svega koja bi objasnila funkcioniranje sve četiri fundamentalne sile u svim situacijama. Najpoznatiji kandidati za takvu teoriju su teorija struna i M-teorija.

Test kvantne gravitacije – je li brzina svjetlosti ipak promjenjiva?

Teorije se testiraju eksperimentima, čiji rezultati potvrđuju ili opovrgavaju predviđanja koja proizlaze iz njih.

Terzić i njegovi suradnici u novom su istraživanju pokušali utvrditi funkcionira li jedno od mogućih predviđanja koja daje teorija kvantne gravitacije. Dakle, proveli su eksperiment u kojem bi neki efekti kvantne prirode gravitacije trebali doći do izražaja.

„Einsteinova opća relativnost prekrasna je fizikalna teorija, koja opisuje kako masa i energija međudjeluju s prostor-vremenom. Pojavu koja pritom nastaje opažamo kao gravitaciju“, kaže Terzić.

„Opća teorija relativnosti provjerena je u različitim fizikalnim situacijama i na različitim skalama. Rezultati svih provjera i mjerenja u savršenom su slaganju s teorijskim izračunima i u potpunosti u skladu s pretpostavkom da je brzina svjetlosti u vakuumu nepromjenjiva. No, Einsteinova gravitacija je klasična teorija za koju još ne postoji funkcionalni i eksperimentalno potvrđeni kvantno-mehanički opis. Očekujemo da takva teorija postoji, ali ne znamo kako ona glasi. Razvoj teorije kvantne gravitacije slijedi nekoliko različitih smjerova, bez naznaka koji je ispravan. Neki kandidati za teoriju kvantne gravitacije ostavljaju mogućnost da brzina svjetlosti ipak nije konstantna te da se mijenja ovisno o energiji čestica svjetlosti - fotona. Iako još ne znamo teoriju kvantne gravitacije, odnosno ne znamo kako gravitacija djeluje na vrlo malim udaljenostima, među znanstvenicima koji se bave njome vlada konsenzus da bi prostorno-vremenski kontinuum na tim dimenzijama trebao biti kvantiziran. Ta kvantizacija često se zamišlja kao neka zrnatost, odnosno kao prostor-vremenska pjena. Ako ste jako veliki, tu zrnatost ne primjećujete i prostorno-vremenski kontinuum vam se čini gladak. Međutim, kada bismo prostor-vrijeme uspjeli promotriti na vrlo malim dimenzijama, reda veličine Planckove duljine što je oko 10^-35 m, onda bi ta zrnatost došla do izražaja“, tumači riječki astrofizičar.

Potraga tima MAGIC u velikim eksplozijama

Pretpostavka fizičara koji se bave kvantnom gravitacijom je da bi zrnata struktura svemira mogla usporavati zrake malih valnih duljina jer bi one mogle biti osjetljive na ta sićušna zrna koja bi trebala biti kvanti prostor-vremena. Trenutno vrijedi da je brzina svjetlosti u vakuumu uvijek ista. Ona se mijenja samo ako svjetlost putuje kroz neke prozirne medije, primjerice kroz vodu ili staklo. U tim medijima svjetlost usporavaju interakcije s molekulama.

Teško je i zamisliti koliko su malene dimenzije reda veličine Planckove duljine na kojima se očekuje zrnatost svemira. To se može pokušati ilustrirati usporedbom. Kada bi točkica veličine oko 0,1 mm (što je otprilike najmanja točkica koju ljudsko oko može vidjeti) bila velika kao cijeli vidljivi svemir, onda bi Planckova duljina u njemu bila dimenzije točkice od 0,1 mm.

Za sada znanstvenici još uvijek nisu u stanju provoditi mjerenja na tako malim prostornim skalama u eksperimentima, čak ni u najmoćnijim akceleratorima na svijetu, pa se za te potrebe služe valovima vrlo malih valnih duljina koji dolaze iz milijardama puta moćnijih prirodnih kozmičkih akceleratora. Takvi valovi imaju vrlo velike energije jer je energija valova to veća što im je valna duljina manja. Tako primjerice gama-zrake imaju mnogo manje valne duljine, a veće energije od rendgenskih zraka. Slično vrijedi za rendgenske zrake u odnosu na vidljivo svjetlo.

Jedan od takvih prirodnih akceleratora su tzv. provale gama-zraka (GRB), izuzetno energične eksplozije koje su zabilježene u dalekim galaksijama. One su najsjajniji i najenergičniji elektromagnetski događaji za koje se zna da se zbivaju u svemiru. Provale mogu trajati od deset milisekundi do nekoliko sati. Nakon početnog bljeska gama-zraka obično se emitira dugovječniji „naknadni sjaj“ na većim valnim duljinama (rendgenskim, ultraljubičastim, optičkim, infracrvenim, mikrovalnim i radio). Smatra se da se intenzivno zračenje dugoživućih (duže od dvije sekunde) GRB-a oslobađa tijekom hipernove koja nastaje kada zvijezda velike mase potroši veliki dio svojeg nuklearnog goriva pa se uruši u crnu rupu.

Dakle, vrlo slabašni efekti kvantne gravitacije mogli bi utjecati na valove vrlo visokih energija iz svemira, kao što su gama-zrake čija se energija mjeri u teraelektronvoltima (TeV, tisuću milijardi puta veće energije od vidljive svjetlosti). Tijekom milijardi godina, koliko gama-zrakama treba da dođu od udaljenih galaksija do Zemlje, ti mali efekti mogli bi se dovoljno akumulirati da ih izmjerimo.

Terzić je za Index objasnio da su u eksperimentu MAGIC-a koristili fotone visokih energija GRB-a koji je 2019. otkrila njihova kolaboracija.

„Iako su energije tih fotona reda veličine nekoliko teraelktronvolta, što je oko 1000 milijardi puta više od energije vidljive svjetlosti, one su i dalje puno niže od Planckove skale koja je reda veličine 10^16 teraelektronvolta. Ipak, nadamo se da bi već i ti fotoni mogli napipati moguću zrnatu strukturu prostor-vremena“, rekao je Terzić.

Kako bi zrnati svemir mogao usporavati svjetlost?

Jedno od ključnih pitanja koje se ovdje nameće jest na koji bi način zrnata struktura svemira mogla usporavati svjetlost.

„Zamislite more za bonace i na moru supertanker i malu pasaru, koje zajedno isplove iz Rijeke prema Omišlju na Krku. Kapetani se dogovore da voze istim brzinama. To znači da će stići u Omišalj u isto vrijeme. Sad zamislite da je more valovito. Supertanker je puno veći od valova, uopće ih ne osjeća pa i dalje plovi jednako kao da je bonaca. Pasara se pak mora uspeti uz svaki val i potom spustiti. Iako i dalje plovi istom brzinom, put koji sada mora prijeći po valovima je znatno duži te će u Omišalj stići kasnije od supertankera. Slično očekujemo od naših fotona. Oni s višim energijama imaju kraće valne duljine pa bi mogli osjetiti prostor-vremensku pjenu, što bi efektivno izgledalo kao da se kreću sporije“, tumači Terzić.

Dodaje kako znanstvenici također istražuju drugu mogućnost, da fotoni viših energija putuju brže od fotona nižih energija.

„Ovu situaciju nije jednostavno prikazati analogijom brodova na moru, jer uključuje mogućnost pojava kao što su tuneliranje ili crvotočine. Možete eventualno zamisliti da umjesto pasare imamo skuter, koji ne mora ići preko valova, nego može roniti kroz njih. Naravno, prostor-vrijeme nije more pa analogija nije potpuna. Foton visoke energije koji bi se probijao kroz prostor-vremensku pjenu mogao bi si 'skratiti' put i stići na odredište prije fotona nižih energija“, kaže naš astrofizičar.  

Potraga završila postavljanjem novih granica

Detektori gama-zraka na satelitima, koji promatraju velike dijelove neba, svakodnevno bilježe provale gama-zračenja, no na znatno nižim energijama u odnosu na one koje otkrivaju teleskopi MAGIC-a. Najmoćniju takvu provalu, nazvanu GRB 190114C, teleskopi MAGIC-a zabilježili su u noći 14. siječnja 2019. Energije njezinih gama-zraka mjerile su se u TeV. To je znanstvenicima omogućilo da provedu brojna zanimljiva istraživanja, među kojima je i testiranje predviđanja kvantne gravitacije.

No, detaljne analize pokazale su da nije bilo energijski ovisnih kašnjenja gama-zraka. Drugim riječima, na energijama na kojima je provedeno istraživanje, Einsteinove teorije relativnosti i dalje besprijekorno funkcioniraju, a brzina svjetlosti je i dalje konstantna.

„To ipak ne znači da smo ostali praznih ruku“, rekao je Giacomo D’Amico, istraživač s Max Planck Institute for Physics u  Münchenu.

„Uspjeli smo postaviti čvrsta ograničenja na energiju na kojoj bi se mogli pojaviti efekti kvantne gravitacije“, dodao je.

Drugim riječima, MAGIC-ov tim utvrdio je granicu do koje se efekti kvantne gravitacije još uvijek ne očituju, što znači da je u budućim istraživanjima treba tražiti na energijama višim od letvice koju je postavio tim pod vodstvom Terzića.

Oscar Blanch, glasnogovornik kolaboracije MAGIC, zaključio je:

„Ovaj put opazili smo relativno blizak GRB. Nadamo se da ćemo uskoro uloviti sjajnije i udaljenije provale gama-zračenja, što će omogućiti još osjetljivija mjerenja.“