1.  Stiven Vajnberg i pola veka savremene kosmologije 
3.  Stiven Vajnberg: Nezaboravan karakter

Jula meseca ove godine napustio nas je Stiven Vajnberg (Steven Weinberg, 1933-2021) jedan od fizičara   koji su oformili našu sadašnju sliku fundamentalne fizike i kosmologije. Priče o fizičarima takvog kalibra uvek su priče o lepoj fizici, a u ovom slučaju radi se i o interesantnom karakteru koji je imao izuzetan uticaj i u struci i van tehničkog kruga svoje struke. Sam Vajnberg je imao nekoliko značajnih doprinosa kosmologiji. Opisaćemo ovde dva najpoznatija.

Prvi od tih doprinosa pruža priliku da se vidi kako izgleda razvoj jedne teorijske hipoteze koja i pored teškoća koje ima nikako ne ostavlja fizičare na miru.

U drugoj polovini sedamdesetih fizičari su primetili otvoren problem u opisu jake fundamentalne sile. Vanjberg i drugi su daljom analizom došli do zaključka da rešenje tog problema zahteva postojanje još nepoznate čestice sa neobičnim svojstvima.

Vajnberg je nazvao tu česticu „higlet“, u smislu „mali Higs“, ali je kasnije i on prihvatio ime aksion. Kako se pokazalo relativno brzo, ta osnovna ideja je u konfliktu sa eskperimentima. Ali onda su naišli mladji istraživači koji su našli načina da prevazidju te teškoće, konstruišući scenario u kome je aksion daleko manje masivan nego što je Vajnberg prvobitno mislio. U daljim inkarnacijama te ideje postalo je jasno da je aksion dobar kandidat za vrstu čestica od kojih se sastoji takozvana „tamna materija,“ posmatrački otkrivena nevidljiva masa koja je odgovorna za formiranje i stabilnost galaksija i galaktičkih jata.

Tipičan raspad aksiona u dva fotona. Objašnjenje je u tekstu.

Ako postoje, aksioni su čudna vrsta „tamne materije.“  Kao i drugi kandidati, aksioni nemaju električni naboj, pa ne mogu direktno niti da emituju niti da absorbuju svetlost. Zbog toga je moguće da i oko galaksija i kroz galaksije, (da, i u našoj sobi !), postoje oblaci aksiona koji niti možemo da vidimo direktno niti po tome šta zaklanjaju svetlost lampi, Sunca ili zvezda. Ali teorija predvidja da sa nekom malom verovatnoćom aksion, označen slovom „a“ i isprekidanom linijom na slici gore, može da se raspadne istovremeno u dva fotona, dve čestice svetlosti, označene slovom gamma i talasasatim linijama na slici. To je moguće posrednom interakcijom sa petljom kvarkova, koji su označeni jakim linijama u trouglu na slici gore.

Tako da aksion nije sasvim „taman,“ to jest nevidljiv. U ovom scenariju, „tamna materija“ postoji samo zato što Vasiona nije dovoljno stara da se aksioni raspadnu. Ali to će dogoditi u budućnosti. Za pet, deset, ili pedeset milijardi godina. Sve zavisi od mase aksiona.

U ovoj hipotezi Vajnberg je odigrao ulogu veštog halfa – dobio je od beka dobru loptu i poslao još bolju na levo krilo. Lopta medjutim još nije stigla do centarfora, mreža se nije zatresla. Eksperimenti da se direktno detektuje aksion i izmere njegova svojstva još uvek su u toku.

Drugi Vajnbergov doprinos kosmologiji je medjutim onaj u kome je on odigrao ulogu centarfora! Krajem osamdesetih došao je do rezultata čija interpretacija još uvek izaziva polemike i van kruga struke.

Kada fizičari govore o praznom prostoru oni upotrebljavaju reč „vakum“, u smislu da nema atoma ili nekih drugih čestica. Ali dobro znaju da kvantna teorija dozvoljava mogućnost postojanja takozvanog „osnovnog stanja“ u kome gustina energije može da nije nula ali koja mora da je svuda ista u prostoru; dok teorija relativnosti pokazuje da takvo osnovno stanje, takav vakum, mora da ima anti-gravitaciona svojstva, da se ponaša kao „nevidljiva negativna masa“ koja odbija umesto da privlači atome, galaksije, „tamnu materiju,“ bilo šta što ima masu. Druga popularna imena za takvo stanje su „kosmološka konstanta“ ili „tamna energija“ (vrlo loše ime u suštini).

Adaptirano sa izvora. Objašnjenje je u tekstu.

Otvoren problem u kosmologiji i fundamentalnoj fizici bio je da li je gustina energije vakuma u sadašnjem svemiru zaista nula i ako jeste, zašto? Ako nije nula, kolika je, i opet zašto baš tolika?

Vajnberg je pokazao da gustina energije vakuma u sadašnje doba može da bude bilo gde u rasponu od nule do oko 100 puta veće od gustine obične materije. Da je veća od toga, antigravitacija vakumske energije bi sprečila prethodno formiranje galaksija koje vidimo.

Na slici gore, gravitacija malih kondenzacija u ranom svemiru čine da one rastu, postaju gušće i masivnije. Tako nastaju prvo proto-galaksije pa formiranjem zvezda unutar njih i prave galaksije. Medjutim ako je gustina energije vakuma veća od Vajnbergovog limita anti-gravitacija takvog vakuma će usporiti i sprečiti formiranje prvobitnih galaksija. Svemir ne bi bio ovakav kakav je.

Vajnbergov rezultat je bio prva racionalna procena vakumske energije u saglasnosti sa posmatranjima. Kada su deset godina kasnije posmatranja pokazala da je gustina vakuuma oko tri puta veća od kombinovane gustine atomske i „tamne materije“, taj rezultat je bio u saglasnosti sa Vajnbergovim intervalom.

Najkonzervativnija interpretacija tih rezultata je da gustina energije vakuma u našem svemiru nije fundamentalna konstanta koja je odredjena nekim Pitagorejskim pravilom, već lokalni parameter, kao što ni masa Zemlje ili masa Sunca nemaju fundamentalno značenje. Ali dok znamo da postoje planete drugih masa nego Zemlja, i zvezde drugih masa nego Sunce, da li Vajnbergov rezultat i izmerena vrednost gustine vakuma znače da postoje „druge Vasione“ u kojima taj fizički parameter ima drugačije vrednosti? I šta to uopšte znači, „druge Vasione“? Debata i dalje traje. 

1.  Stiven Vajnberg i pola veka savremene kosmologije 
3.  Stiven Vajnberg: Nezaboravan karakter