Nobelova nagrada za fiziku atosekunde: Kako su elektroni postali vidljivi

Pjer Agostini, Ferenc Kraus i An L'Ulije

Ako ste se ikad malo ozbiljnije bavili fotografijom znate koliko je teško napraviti jasnu sliku objekta koji se kreće velikom brzinom. Ma koliko se trudili da, s fotoaparatom u ruci, pratite automobil, avion ili sportstu u pokretu, slika će, u najvećem broju slučajeva, biti manje ili više zamućena. Na najvećem broju fotografija, krila kolibrija koji lebdi iznad cveta praktično su nevidljiva, utopljena u pozadinu slike.

Izvor ovog problema je u samom načinu na koji fotoaparati rade. Fotografija se ne može napraviti u trenutku. Umesto toga, neophodno je da svetlost sa objekta koji snimate bar neko vreme prolazi kroz objektiv i pada na foto-osetljivi senzor kako bi u njemu generisala električne impulse koje će fotoaparat pretvoriti u sliku. Period tokom kojeg aparat sakuplja svetlost kako bi generisao sliku zove se “ekspozicija”. Iako je ekspozicija tipično veoma kratka i meri se delovima sekunde, problem je što se tokom njenog trajanja predmeti koje snimamo i dalje kreću. Zato brzi predmeti na senzoru aparata ostavljaju nejasnu, razlivenu sliku, koja se može izbeći samo skraćivanjem ekspozicije. 

U slučaju kratke ekspozicije, objekat koji snimate će tokom fotografisanja preći tako malo malo rastojanje da će, gledano kroz objektiv aparata, izgledati praktično nepomično. Ako ste i ostale parametre fotografije (kvalitet objektiva, otvor blende i osetljivost senzora) podesili na adekvatan način, slika će biti veoma oštra. Pravilo je prosto: što je predmet koji se kreće brži, to i vreme trajanja ekspozicije mora da bude kraće. Klasični fotoaparati, čak i oni skrominiji, mogu ekspoziciju da skrate na svega nekoliko hiljaditih delova sekunde, čak i manje od toga.

Kad je tako teško snimiti pokretne objekte iz naše svakodnevice, koliko je tek teško snimiti čestice na atomskom i sub-atomskom nivou koje se takođe neprekidno kreću? Kada se spustimo do osnovnih gradivnih čestica materije, videćemo atomska jezgra i oblake elektrona koji ih okružuju, u stalnom pokretu. U ovim oblacima, elektroni se kreću neuporedivo većim brzinama od onih na koje smo navikli u makroskopskom svetu (te brzine uporedive su sa brzinom svetlosti). Kako “uhvatiti” elementarne čestice poput elektrona koje su u najvećem broju fenomena ponašaju kao tačke s masom i naelektrisanjem ali bez opipljivih dimenzija?

Interes za ovo nije samo akademski. Praktično sva fizička i hemijska svojstva materijala mogu se izvesti iz kolektivnog ponašanja elektrona u elektronskim oblacima koji kao vezivna masa spajaju atome u najrazličitija hemijska jedinjenja. Hemijske reakcije, njihov intenzitet i dinamika, takođe se mogu objasniti dinamičkim ponašanjem elektrona, njihovom preraspodelom u prostoru i vremenu. Da biste shvatili mehanizam ponašanja materije na najnižem nivou, neophodno je da budete u stanju da “uhvatite” i analizirate elektrone. Oni se nalazi u osnovi svega: ne samo da bez njih ne bi bilo uređaja koje koristimo, ne bi bilo ni samog života.

Objavljivanje dobitnika za 2023. godinu

Da stvar bude još komplikovanija, elektroni nimalo ne liče na ping-pong loptice koje se kreću po pravilnim, fiksnim putanjama oko atomskih jezgara kao što se Mesec kreće oko Zemlje. Materija, na svom fundamentalnom nivou, ima kvantna svojstva tako da se, zapravo, ne može govoriti o tačnom položaju i brzini elektrona. Sve što možemo da saznamo o njemu je šansa da će se on u određenom periodu vremena naći u određenom delu prostora. Svaki elektron je praktično “rastvoren” u prostoru koji ga okružuje. 

Zamislite sada da želite da napravite sliku svega toga. Klasične fotografse tehnike tu su potpuno neprimenljive, nemoćni su čak i najjači optički ili elektronski mikroskopi. Ipak princip sa početka teksta i dalje važi: s obzirom da se elektroni kreću veoma brzo, neophodno je da trajanje posmatranja bude kratko kako bi informacije sakupljene tokom posmatranja bile dovoljno precizne. Kako god da posmatrate elektron, morate da upotrebite opremu koja će celokupno merenje moći da obavi u jednom minijaturnom deliću sekunde. 

Kao što smo naveli na početku, vreme ekspozicije brzih makroskopskih objekata meri se milisekundama, hiljaditim delovima sekunde. Milisekundama se meri i vreme koje prođe od trenutka kada kliknete mišem do trenutka kada se na ekranu vidi određeni rezultat. Podelite milisekundu na hiljadu delova i dobićete mikrosekundu. Vreme koje je potrebno elektronskim komponentama da odgovore na ulazni signal tipično se meri ovom jedinicom. U mikrosekundama se meri i trajanje bljeska fotografskog blica ili kašnjenje tokom prostiranja mrežnih signala između različitih uređaja. 

An L'Ulije sa svojim studentima

Podelite sada mikrosekundu na hiljadu delova i dobićete nanosekundu. U nanosekundama se meri vreme koje je potrebno procesoru da pročita određeni podatak iz memorije vašeg laptopa. Toliko, otprilike, traje i jedan “otkucaj srca” vašeg računara, tj. vreme potrebno mikroprocesoru da pređe iz jednog binarnog stanja u drugo. Vreme potrebno svetlosnom signalu da prođe kroz optički kabl takođe se meri nanosekundama. 

Jesmo li stigli do kraja? Ni izbliza... Zapravo, u ovoj deobi sekunde na sve sitnije delove jedva da smo stigli do polovine puta. Nobelovu nagradu za fiziku za 2023. godinu dobila je grupa naučnika koja je pomoću ultra-kratkih laserskih impulsa uspela da osmotri kretanje elektrona koje smo do juče smatrali neuhvatljivim. Trajanje ovih laserskih impulsa meri se nezamislivo kratkim atosekundama. 

Malo o brojevima: jedna nanosekunda, milijarditi deo sekunde, ima milijardu atosekundi. Prosta računica pokazuje da više ima atosekundi u jednoj sekundi, nego što u dosadašnjem trajanju kosmosa (13.7 milijardi godina) ima sekundi! U zaključku Nobelovog komiteta piše da su Pjer Agostini, Ferenc Kraus i An L'Ulije “demonstrirali način kreiranja kratkih laserskih impulsa koji se mogu iskoristiti za praćenje brzih procesa tokom kojih se elektroni kreću ili menjaju svoju energiju”. Dobili smo novu alatku pomoću koje možemo da zavirimo u svet elektrona, unutar atoma i molekula. I ne samo to, sada možemo da posmatramo čitav proces nastanka i transformacije molekula koji je do sada, zbog svoje ogromne brzine, bio praktično nedokučiv. Napredak je revolucionaran jer dosadašnje tehnike tako nešto do sada nisu omogućavale: u najboljem slučaju, položaj elektrona video se na snimku kao jedva razgovetna, nejasno definisana fleka. Elektron, koji je sve do juče imao “imidž” nevidljive čestice, sada je odjednom postao pristupačan.

Najveću zaslugu za ovo dostignuće ima An L'Ulije sa Lund Univerziteta u Švedskoj koja je, tokom višedecenijskog istraživanja, otkrila nov oblik interakcije laserske svetlosti sa atomima plemenitog gasa. Ona je primetila da se prilikom prolaska infracrvenog laserskog svetla kroz jonizovani argon u svetlosti pojavljuju tzv. “viši harmonici”, svetlosni talasi čija talasna dužina predstavlja celobrojni deo talasne dužine originalnog svetlosnog izvora. Uz odgovarajuću aparaturu, ovi harmonici mogu da se međusobno pojačavaju ili poništavaju. Ideju je razradio Pjer Agostini sa Univerziteta u Ohaju koji je pomoću njih 2001. godine uspeo da kreira laserski impuls sa trajanjem od svega 250 atosekundi. U isto vreme, sličan uspeh ponovio je i Ferenc Kraus sa instituta “Maks Plank” u Nemačkoj. On je uspeo da izoluje laserske impulse sa trajanjem od svega 650 atosekundi štio je bilo stotinama puta bolje u odnosu na najbolji prethodni rezultat iz osamdesetih godina prošlog veka. 

Ovako kratkim impulsima moguće je direktno posmatrati najbrže i najskrivenije procese u prirodi, uključujući i ponašanje samih elektrona. Razumevanje ovih procesa doneće ogroman napredak u industriji materijala. Svetlost ovako kratkog impulsa naći će svoju primenu i u industriji mikroprocesora koja odavno koristi fotolitografske postupke za “štampanje” integralnih kola na površini silicijuma. Postoji i ideja da se preciznost koju sa sobom nose ultra-kratki laserski impulsi iskoristi u medicinskoj dijagnostici, za rano detektovanje patoloških promena u tkivima na osnovu “elektronskih potpisa” karakterističnih molekula. Tehnologija brzih laserskih pulseva verovatno će naći primenu i u spektrografiji, biologiji, astronomiji... Sama An L'Ulije priznaje da je pomalo iznenađena: “Kada sam pre trideset godina počinjala da se bavim ovim stvarima, teško sam mogla da zamislim da će sve na kraju dobiti neku praktičnu primenu. Ovo još jednom pokazuje koliko je važno ulagati u fundamentalna istraživanja, bez obzira na nepostojanje neposredne koristi”. 

Čitavo dostignuće najbolje je opisao Majkl Moloni, direktor Američkog instituta za fiziku. On je uporedio atomska jezgra okružena elektronima sa kockicama šećera oko kojih lete muve: “Atosekunda je toliko kratka da izgleda kao da tokom njenog trajanja vreme stoji. Kockice šećera (atomska jezgra) se ne kreću, vidimo samo kretanje muva (elektrona) iznad njih. Svaka promena koju detektujemo potiče isključivo od kretanja elektrona. To nam drastično pojednostavljuje interpretaciju rezultata”. 

Nova tehnika, međutim, ne omogućava da se pojedinačni elektroni prate direktno i u kontinuitetu. Umesto toga, kratki laserski impulsi deluju kao stroboskopska lampa pomoću koje možemo da uhvatimo zamrznutu sliku raspodele naelektrisanih čestica u datom trenutku vremena. Kada više ovakvih impulsa pošaljemo jedan za drugim u pravilnim vremenskim razmacima, dobijamo mnoštvo slika o tome kako se naelektrisane čestice kreću između molekula i unutar samih molekula. Ovo kretanje odgovorno je za praktično sve hemijske i fizičke reakcija u prirodi i zato je njegovo suštinsko razumevanje od fundamentalnog značaja. 

Kako piše u obrazloženju Nobelovog komiteta: “Davne 1925. godine čuveni Verner Hajzenberg tvrdio je da se elektroni kriju u svetu koji nikad nećemo moći da vidimo. Zahvaljujući fizici atosekunde, ovo polako počinje da se menja”. Ovogodišnji laureati podeliće nagradu od 11 miliona švedskih kruna (milion američkih dolara). Ferenc Kraus je već saopštio da će svoj deo nagrade uplatiti u fond za podršku lokalnim zajednicima pogođenim ratom u Ukrajini. 

Ako se Nobelovom komitetu išta može zameriti, to je izostavljanje Kanađanina Pola Korkuma sa liste dobitnika. Korkum je, zajedno za Krausom i L'Ulije, prošle godine dobio prestižnu Volf nagradu za istu oblast istraživanja. On je, između ostalog, pronašao i način za precizno merenje trajanja kratkih laserskih impulsa. Na žalost, pravila Nobelovog komiteta limitiraju broj dobitnika svake godine na maksimalno tri. 

Pomenimo, na kraju, da Nobelova nagrada za fiziku sigurno nije primer rodne ravnopravnosti. Do sada je bilo 211 dobitnika a pre An L'Ulije ovu nagradu dobile su samo četiri žene: Marija Kiri (1903), Marija Gopert-Majer (1963), Dona Strikland (2018) i Andrea Gec (2020). 

 RTS "OKO"

Trijumf Indije i fijasko Rusije

Chandrayaan-3, trenutak poletanja

Iako let na Mesec još od sedamdesetih godina prošlog veka ne izgleda kao neko naročito veliko dostignuće, činjenice govore drugačije. Pre Indije samo su tri države uspele da meko spuste svoju letelicu na Mesec: Rusija, SAD i Kina (Rusiji je to uspelo tek iz dvanaestog pokušaja). U poslednjih deset godina, pre indijske misije, bilo je osam sličnih pokušaja ali su samo tri završena po planu. Istorijski gledano, Mesec je veoma negostoljubiv: preko 50% misija završeno je fijaskom. Uspeh Indije uvećan je i činjenicom da se lender spustio u region južnog pola koji do sada nije posetila nijedna letelica. Mesto je strateški važno jer se, kako dosadašnja izučavanja pokazuju, u njegovoj okolini najverovatnije nalaze nezanemarljive količine vodenog leda koji bi mogao da ima i komercijalni značaj (vidi okvir). 

Čandrajaan-3 (“Mesečev brod” na sanskritu) predstavlja drugi pokušaj Indije da dotakne Mesečevu površinu. Njegov prethodnik, Čandrajaan-2 doživeo je neuspeh 2020. godine neposredno pred prizemljenje: usled greške u softveru, letelica je odstupila od predviđene trajektorije i nekontrolisano pala na Mesečevu površinu. Kao da ih to nije pokolebalo, Indijci su i ovoga puta s ogromnim interesovanjem propratili čitav događaj, naročito sam čin spuštanja na površinu Meseca. Nacija je utihnula i okupila se oko televizijskih ekrana, u stanovima, restoranima, kancelarijama i školama. Ulice su potpuno opustele, kao da Indija i Pakistan igraju finale svetskog prvenstva u kriketu. Na obali Ganga monasi su udarali u zvona i molili se za sretan ishod. Živi prenos događaja na Jutjubu pratilo je rekordnih osam miliona gledalaca. Kada je postalo jasno da je sve prošlo kako treba i da se letelica meko prizemljila, nastala je potpuna euforija koja se uz pesmu, igru i zastave prelila na ulice indijskih gradova. 

Na par sati Indija je bukvalno stala kako bi proslavila ovo veliko nacionalno dostignuće. Premijer Narendra Modi, koji se u program uključio mašući zastavicom Indije sa samita BRICS-a u Južnoj Africi, nije krio ushićenje: “Stigli smo tamo gde niko pre nas nije bio. Ovo dostignuće pripada čitavom čovečanstvu i biće od velike koristi za naredna istraživanja. Naša misija na Mesecu dokazuje da su sve zemlje sveta, pa i one sa globalnog juga, sposobne za velike stvari. Ovaj uspeh odraz je našeg verovanja da cela planeta predstavlja jednu veliku porodicu i da svi zajedno delimo odgovornost za njenu budućnost”. Bio je to i trenutak Modijeve velike lične satisfakcije: kada je prethodna misija 2020. godine doživela neuspeh i kada je dobar deo javnosti optužio Modija da sponzoriše “belog slona” (izraz kojim Indijci označavaju projekat, naročito državni, koji lepo izgleda i puno košta ali ne donosi nikakvu korist), on se nije pokolebao: “Možda nismo stigli na Mesečevu površinu kao što smo planirali ali smo bili blizu”. Okrenuo se menadžerima ISRO (Indijske organizacije za istraživanje kosmosa) i poručio im: “Budite uporni i gledajte napred, ono najbolje će tek doći”.

I došlo je, posle samo tri godine. Čandrajaan-3, sastavljen od lendera “Vikram” i rovera “Pragjan”, poleteo je sa kosmodroma “Satoš Davan” 14. jula. Lender je dobio ime po Vikramu Sarabaju, ocu indijskog kosmičkog programa dok je za rover upotrebljena reč iz sanskrita koja znači “mudrost”. Težina lendera (1.700 kg) odgovara težini jednog malo većeg automobila dok je rover, u kosmičkim razmerama, minijaturan: težak je svega 26 kilograma i može da se kreće brzinom od jednog centimetra u sekundi. Kompletan ansambl, sa sve gorivom na lansirnoj rampi, ne prelazi 4 tone.

Chandrayaan-3 na Mesecu

Let do Meseca imao je vrlo komplikovanu trajektoriju jer je brzina letelice neposredno nakon lansiranja bila vrlo mala pa direktan let do Meseca nije bio moguć. Umesto toga, sonda je lagano korigovala svoju putanju dok iz zagrljaja Zemlje nije prešla u zonu Mesečevog uticaja. Tokom finalnog raketnog manevra koji je započeo 23. avgusta na visini od oko 750 metara, letelica je smanjila brzinu sa 6000 km/h praktično na nulu (Mesec nema atmosferu pa kočenje padobranom nije moguće), promenila orijentaciju iz horizontalnog u vertikalan položaj i na kraju se srećno spustila na Mesec. Deluje jednostavno ali nije: čitava procedura trajala je oko 15 minuta i morala je da bude sprovedena potpuno automatski, bez ikakave mogućnosti intervencije sa Zemlje. 

Nedugo potom, lender “Vikram” je postavio rampu niz koju se rover “Pragajan” isprakirao u Mesečevu prašinu. Nakon punjenja baterija lender i rover će se okrenuti svojim naučnim zadacima od kojih je svakako najvažniji utvrđivanje tačnog hemijskog sastava tla i eventulanog prisustva vode u blizini Mesečevog pola. Nakon desetak dana, čitav predeo utonuće u dvonedeljni mrak, baterije će se isprazniti i mašine će utonuti u san. Da li će se iz tog sna probuditi kada se na Mesecu ponovo razdani, ostaje da se vidi. To, međutim, i nije toliko važno.

Indijski uspeh ponovo je oživeo stare rasprave: koliki je stvarni značaj ovakvih uspeha za naciju u kojoj polovina stanovnika još nema pristup pristojnom toaletu? Indija je država neverovatnih kontrasta: od nehigijenskih naselja sklepanih od kartona i lima čiji stanovnici provode dan u neprekidnoj potrazi za poslom i hranom, preko širokih bulevara bez iscrtanih kolovoznih traka zakrčenih anarhičnim mnoštvom bezbrojnih automobila, do vrhunskih univerziteta i modernih poslovnih kompleksa. Indijska dijaspora veoma je uspešna, naročito kada je informatička industrija u pitanju: u samom vrhu najvećih svetskih kompanija nalaze se stručnjaci indijskog porekla. Ujediniti jednu ovako veliku naciju oko bilo kog cilja nije jednostavno, ali je indijskom kosmičkom programu to pošlo za rukom. 

Slavlje na ulicama Indije

Međutim, nije sve samo u nacionalnom ponosu. Mnogo je važnije to što će, na ovom praktičnom primeru, mnoga indijska deca uvideti kolika je stvarna moć znanja. Ta deca dobiće realnu šansu da se kroz obrazovanje okrenu pravim vrednostima i tako vremenom izbore za pristojan život i sigurnu egzistenciju. Bedu i siromaštvo mogu da iskorene jedino nauka i obrazovanje.

Osim toga, ako imate kosmički program koji donosi rezultate, otvaraju se nove perspektive i to će Indija sigurno znati da iskoristi. Povećana ulaganja u ovaj segment otvoriće prostor za razvoj i implementaciju najnovijih tehnologija uz otvaranje novih radnih mesta i stasavanje nove generacije vrhunskih inženjera i stručnjaka. 

Ono što fascinira u indijskom uspehu je njegova relativno mala cena. Za jednu ovako složenu misiju sastavljenu od lendera i rovera, budžet od 75 miliona dolara deluje više nego skromno (u neke bolivudske filmove investira se mnogo više). Kako indijski naučnici postižu tako puno sa tako malo para? Jednostavno, oni su vrhunski majstori kreativnosti i improvizacije: prate najnovija svetska dostignuća a onda ih imitiraju i doteruju sve dok ih potpuno ne uklope u sopstveni projekat. NASA tek treba da pokaže kako ume da napravi nešto opipljivo za tako male pare. Sa druge strane, impresivna je činjenica da su Indijci svoj istorijski uspeh ostvarili uprkos činjenici da budžet ISRO za 2023. godinu iznosi svega 1.6 milijardi dolara, što je 18 puta manje od budžeta NASA. Vrlo je verovatno da će, na krilima skorašnjih uspeha, ulaganja indijske države u kosmičke tehnologije biti povećano sa danas relativno skromnih 0.04% BDP-a (ilustracije radi, Amerika trenutno izdvaja 0.28%). Sve se ovo lepo uklapa u političku filozofiju premijera Modija koji pred opšte izbore naredne godine, pokušava da ojača imidž nove Indije kao respektabilne svetske sile. 

Sasvim slučajno, praktično u isto vreme, sličan poduhvat pokušala je i Rusija koja se opredelila za nešto drugačiji pristup. Značajno veći i jači raketni nosač omogućio je ruskoj sondi Luna-25 da do Meseca stigne ekspresnom trasom, bez potrebe za brojnim delikatnim manevrima i iterativnim korekcijama putanje. Iako je lansiranje obavljeno 10. avgusta, skoro mesec dana nakon lansiranja indijske sonde, ruska sonda je trebalo da se meko spusti na Mesec bar tri dana ranije. Iako je to prvobitno bilo planirano, ruska letelica sa sobom ne nosi rover za istraživanje Mesečeve površine: u pitanju je statična naučna stanica sa nekoliko instrumenata namenjenih istraživanju najbliže okoline. 

Luna-25 u kosmosu, neposredno pred katastrofu

A onda je nešto pošlo po zlu. Na samom početku finalnog prilaza, kada je trebalo ispravno orjientisati letelicu i smanjiti njenu brzinu, sonda je signalizirala “abnormalnu situaciju”. Nekoliko minuta kasnije ruska kontrola leta izgubila je svaki kontakt sa letelicom. Prošlo je svega nekoliko sati pre nego što je Roskosmos izdao kratko, birokratski hladno saopštenje: “Letelica se našla u nepredviđenoj orbiti i prestala da postoji usled kolizije sa površinom Meseca”. Kako je kasnije izjavio general Jurij Borisov, direktor Roskosmosa, uzrok je verovatno u nepravilnom funkcionisanju raketnog motora koji se nije isključio u predviđeno vreme, usled čega je došlo do nekontrolisanog gubitka brzine i visine. Ima i onih koji tvrde da je letelica još na zemlji imala brojne tehničke probleme ali je lansiranje ipak moralo da bude obavljeno kako bi ruska letelica sletela na Mesec pre indijske. Istraga je, naravno, u toku.

Vitalij Jegorov, popularni ruski analitičar, pokušao je da celu situaciju naslika malo vedrijim bojama. Po njemu, misija Lune-25 nije bila sasvim neuspešna: letelica je bila ne dobrom putu, ušla je u Mesečvu orbitu, testirani su motori i elektronika, snimljeno je nekoliko fotografija, obavljena su i neka merenja. Ipak, to ne može da promeni konačan rezultat: pokušaj da se, posle pauze od skoro pola veka, ponovo demonstriraju vrednost ruske nauke i kosmičke tehnologije, završen je potpunim fijaskom.

Program za istraživanje Meseca “Luna”, aktivan od 1958. do 1974. godine, bio je jedan od najuspešnijih delova sovjetskog kosmičkog programa. Sonde iz ovog serije konstantno su pomerale granice ljudskih dostignuća, na ponos sovjetskih naučnika i inženjera koji su, sve do američkog sletanja na Mesec 1969. godine, bili sasvim ravnopravan učesnik u izjednačenoj kosmičkoj trci. Sovjeti su, zaista, imali čime da se pohvale: prvi objekat kreiran ljudskom rukom na površini nekog nebeskog tela (Luna-2, 1959), prvi snimak nevidljive strane Meseca (Luna-3, 1959), prvo meko spuštanje na Mesec (Luna-9, 1966), prvi veštački satelit u Mesečevoj orbiti (Luna-10, 1966), prvo robotizovano vozilo sa točkovima na Mesecu (Luna 17, 1970)... Sonde iz ovog programa vratile su na zemlju oko 300 grama mesečevog materijala. 

Od tada su prošle decenije u kojima se, bar kada su kosmos, SSSR i Rusija u pitanju, ništa značajnije nije desilo. Još su sveža sećanja na ambicioznu misiju “Fobos-Grunt” iz 2011. godine koja je za cilj imala meko spuštanje na Marsov satelit Fobos. Sonda je odatle na Zemlju trebalo da vrati uzorke materijala ali je kontakt sa njom izgubljen samo dve nedelje nakon lansiranja. Letelica je ostala zarobljena u niskoj Zemljinoj orbiti, gluva za sve komande iz kontrole lete. Nedugo zatim, čitava istraživačka kompozicija, sa preko sedam tona visoko toksičnog raketnog goriva, sručila se nazad na Zemlju. Kasnija istraga potvrdila je da je uzrok katastrofe bio u korišćenju jeftinih, komercijalnih mikročipova koji nisu mogli ispravno da funkcionišu u surovim kosmičkim uslovima. Otkud jeftina elektronika u kosmičkim brodovima? Neko se, jednostavno, “ugradio” i opljačkao državnu kasu tako što je isporučio bezvrednu robu po astronomskoj ceni.

Ruku na srce, Luna-25 nije imala neke značajnije naučne ciljeve. Ako se izuzme činjenica da je kao mesto sletanja, baš kao i u slučaju indijske letelice, izabran južni polarni region, sve ostalo trebalo je da bude rutina. Politički ciljevi bili su mnogo značajniji: da je uspela, misija bi dokazala da je Rusija i dalje značajna kosmička sila koja polaže puno pravo na kontinuirani pristup Mesečevoj površini. Misija je trebalo da demonstrira ruski tehnički suverenitet i sposobnost države da se uključi u trku za eksploataciju Mesečevih resursa. Sada je sve to diskutabilno: Kina je, recimo, u novije vreme imala tri uspešna sletanja na Mesec dok Rusija još uvek nema nijedno.

Šta je pravi uzrok poslednjeg ruskog neuspeha? Međunarodne sankcije nametnue Rusiji nakon invazije na Ukrajinu, koliko god da su ograničene i nekompletne, ipak imaju razorno dejstvo. Rusija s teškom mukom dolazi do savremene elektronike, vrhunske tehnologije, najnovijeg softvera i svega onoga što je neophodno za jednu ozbiljnu naučnu strategiju. Ilustracie radi, pomenimo činjenicu da je ceo sistem za navigaciju Lune-25 (jedan od najkompleksnijih delova letelice) Rusija planirala da kupi od evropskog “Erbasa”. Kada je postalo jasno da od tog aranžmana zbog zapadnih sankcija neće biti ništa, Rusija je bila prinuđena da taj sistem napravi sama, takoreći od nule. Ruski sistem na kraju je ispao tipično “ruski”: bio je toliko nezgrapan i težak da je količina naučne opreme koju je letelica mogla da ponese morala da bude prepolovljena.

Uz to, problemi koji su nastali raspadom SSSR-a, gubljenje nekih ključnih resursa, znanja i tehnologija, vremenom su se samo uvećali. Za konsutrkciju Lune-25 bio je zadužen čuveni zavod “Lavočkin” koji je još tokom prošlog veka isporučivao opremu potrebnu za istraživanje Meseca, Marsa i Venere. U međuvremenu, nekoliko direktora “Lavočkina” je pohapšeno zbog malverzacija, a nije isključeno da će se nešto slično desiti još jednom. Promenili su se i politički prioriteti: nacija koja je do juče gledala u zvezde, počela je da gleda preko tuđe tarabe, pokušavajući da svoje (ne)dobrosusedske razmirice “izgladi” ako treba i ratom. Kada se na to dodaju svemoćna državna birokratija, konstantan odliv mozgova, beg mladih i školovanih ljudi od rata, sveprisutna korupcija, nedostatak demokratije i manjak ljudskih sloboda, stiče se prava slika o glibu u kome se našao ruski kosmički program u poslednjih nekoliko decenija.  

Ipak, reklo bi se da najveći problem predstavlja nedostatak kontinuiteta jer je tokom višedecenijske pauze izgubljeno skoro celokupno rusko kosmičko znanje nagomilano u drugoj polovini prošlog veka. “Pedeset godina nismo uradili skoro ništa. Izgubili smo nit koja nas vezuje sa prethodnim generacijama”, rekao je Jurij Borisov. Rusija danas nema generaciju naučnika koja ima bilo kakavo isksutvo u novim kosmičkim tehnologijama niti se vidi kako može ponovo da ga stekne s obzirom da su vrhunske naučne ustanove angažovane, pre svega, na modernizaciji ovozemaljske ratne tehnike. 

I da su prioriteti drugačiji, nedostaju pravi lideri. Bez njih jedan tako centralizovan sistem kakav je ruski ne može da funkcioniše. A lidera nema još od 1966. godine kada je umro Sergej Koroljev, otac modernog sovjetskog kosmičkog programa. Da bi projekat Luna-25 nekako privela kraju, Rusija je, na primer, morala da angažuje Mihaila Marova, jednog od retkih aktivnih inženjera kosmotehnike koji je svoje iskustvo stekao još u prošlom veku. Marov danas ima 90 godina i jedva je preživeo propast misije, pozlilo mu je i morao je da bude hospitalizovan. Veliku odgovornost snosi i Dmitrij Rogozin, bivši direktor “Roskosmosa”, danas vatreni zagovornik ruske intervencije u Ukrajini. U vreme njegovog mandata Rusija je imala nekoliko neuspešnih lansiranja satelita što je dovelo do gubitka velikog dela tržišta i reputacije a klijente nateralo da se okrenu privatnim kompanijama kao što je Maskov Space-X. Rogozina mnogi smatraju odgovornim i za bespotrebno rasipanje novca prilikom izgradnje novog kosmodroma “Vostočni” na ruskom dalekom istoku. 

Sergej Makarov, ruski politički komentator kaže da će neuspeh Lune-25 imati velike negativne posledice: “Postavlja se pitanje da li su, u svetlu neuspeha u Ukrajini i u kosmosu, domaće tvrdnje o Rusiji kao velikoj svetskoj sili i dalje opravdane. U očima međunardne zajednice, Rusija deluje nemoćno da ostvari svoje ciljeve zato što, umesto da živi u skladu sa svojim skromnim trenutnim mogućnostima, ona i dalje pokušava da eksploatiše staru slavu. Ljudi žele da budu uz one koji su jaki a ne sa onima koji imaju spremne izgovore za svaki naredni neuspeh.”

Ruska misija Luna-25 okončana je 19. avgusta kada je sonda pala s neba na Mesec. Četiri dana kasnije s neba je pao i Jevgenij Prigožin. I to je sve što o ruskoj aerokosmotehnici u ovom trenutku treba da znate.

Odakle Mesecu voda?

Voda na Mesecu najvećim delom potiče iz istih onih izvora koji su doveli i do stvaranja okeana na Zemlji. U vreme nastanka Sunčevog sistema i formiranja naše planete, velika količina vodonika iz prvobitnog kosmičkog gasa bila je zarobljena u unutrašnjosti planete. Taj vodonik došao je u kontakt sa oksidima, mineralima bogatim kiseonikom, stvarajući vodu. Ostatak ove dragocene tečnosti došao nam je s neba, kroz sudare Zemlje sa asteroidima i kometama bogatim ledom. 

Na Zemlji tekuća voda opstaje zahvaljujući umerenim temperaturama koje nam obezbeđuje atmosfera. Ali te zaštite na Mesecu nema. Štaviše, na njemu vlada potpun vakuum usled čega su temperaturni rasponi ekstremni: na tipičnom mestu u okolini Mesečevog ekvatora temperature variraju od +140oC (danju), do -170oC (noću). Ako se pomerite ka Mesečevom južnom polu, temperaturne oscilacije postaju još veće a najniža temperatura spušta se sve do -240oC. U ovom oblastima postoje duboki krateri čiji se delovi nalaze u permanentnoj senci i tu je postojanje vodenog leda moguće u kontinuitetu. Ove pretpostavke konačno je potvrdio indijski orbiter Čandrajaan-1 2008. godine. Ipak, ne očekujte da na Mesecu pronađete naslage čistog leda čija bi se debljina mogla meriti metrima kao na Grenlandu. Vodeni led rasut je u Mesečevom tlu u veoma maloj koncentraciji koja se kreće oko jednog promila: to je nedovoljno da biste led spazili golim okom ali sasvim dovoljno da ga odatle dobijete “rudarenjem”, korišćenjem mašina.  

Zašto je voda na Mesecu tako značajna? Kako vreme bude prolazilo, značaj Meseca će samo rasti, i zbog potencijalne eksploatacije tamošnjih resursa (helijum-3, silicijum, metali, bazalt) ali i zbog pretpostavke da će Mesec u bliskoj budućnosti postati polazna stanica čovečanstva za letove u duboki kosmos. U oba scenarija potrebne su vam stalne ljudske posade na Mesecu koje će vremenom biti sve brojnije. Da biste tu sve veću naseobinu ljudi mogli da podržite, potrebne su vam velike količine pitke vode, kiseonika i raketnog goriva, a sve to može da se dobije iz leda i sunčeve energije, resursa u kojima Mesec ne oskudeva. Alternativa tome je da osnovne životne potrebe zadovoljavate dopremanjem svega što je potrebno sa Zemlje a to je, na duže staze, ekonomski neisplativo.

Vreme #1704

Kad polete vozovi, jagode i žabe

Majsnerov efekat

Retko koja vest je tako uzdrmala svetsku naučnu javnost kao ona od 22. jula: u preliminarnoj verziji budućeg naučnog rada, grupa južnokorejskih naučnika objavila je da je uspela da proizvede “prvi superprovodnik koji funkcioniše na sobnim temperaturama i standardnim pritiscima”. Materijal je dobio oznaku LK-99 i, u suštini, predstavlja modifikovanu verziju minerala poznatog kao olovo-apatit. Da stvar bude još zanimljivija, na osnovu objavljene hemijske recepture, reklo bi se da za pripremu novog materijala nisu potrebne nikakve retke supstance: materijal o kome se radi predstavlja relativno jednostavan polikristal napravljen od olova, kiseonika i fosfora, dodatno obogaćen atomima bakra. Uz to, za pripremu LK-99 nije potrebna nikakava specijalna laboratorijska oprema. Sasvim očekivano, vest se munjevito proširila na Twitter, Youtube i ostale velike društvene mreže. Da li se zaista nalazimo na pragu nove tehnološke revolucije?

Nije ovo prvi put da neki tim naučnika smelo objavi neko revolucionarno otkriće na polju superprovodljivosti. Takvih slučajeva bilo je i tokom devedesetih godina ali su sve te senzacionalne vesti brzo demantovane. Poslednji put ovo se desilo pre par godina kada su naučnici sa Univerziteta u Ročesteru objavili postojanje superprovodljivosti na sobnoj temperaturi uz visoke pritiske. Njihov eksperiment sa dijamantskom presom u koju je ubačena mešavina ugljenika, sumpora i vodonika niko nije mogao da ponovi tako da je njihov rezultat na kraju bio odbačen. Ove godine pokušali su ponovo, tvrdeći da jedna smesa materijala na bazi lutecijuma  demonstrira superprovodljivost na sobnoj temperaturi. Ovoga puta, naučna zajednica reagovala je još žešće: čitav rad je brzo diskreditovan i demontiran  a naučnici optuženi za plagijat i objavljivanje isfabrikovanih podataka. 

Slika koja je zapalila svet: LK-99

U slučaju korejskih naučnika preovladao je optimizam: brojni svetski naučni timovi u preko sto laboratorija, pokušali su da reprodukuju njihov rezultat. Uključili su se čak i pojedinci, iako su mnogi od njih imali problem da pribave crveni fosfor, kontrolisanu supstancu koja se koristi za “kuvanje” droge poznate kao “kristal met”. Prvi su se oglasili kineski naučnici: iako definitivne potvrde nije bilo, eksperimenti ponovljeni na maloj količini LK-99 dali su ohrabrujuće rezultate. Pojavila se i slika delića materijala koji lebdi iznad velikog magneta, nešto što obavezno očekujete od svakog superprovodnog materijala. Teorijska izračunavanja obavljena u prestižnim svetskim univerzitetskim centrima nisu pronašla nikakvu fundamentalnu grešku u korejskom radu. Štaviše, sve je ukazivalo na to da su korejski naučnici možda na dobrom tragu. Javnost je već počela da špekuliše o tome ko će od njih poneti narednu Nobelovu nagradu za fiziku. Međutim, kako je vreme odmicalo, bilo je i sve više skeptika koji su dostiignuće korejskih naučnika smatrali malo verovatnim.

Šta su, zapravo, superprovodnici i zašto su tako značajni za današnji svet? Pođimo od običnog električnog provodnika napravljenog od metala poput bakra. U atomima metala, elektroni koji su najudaljeniji od atomskog jezgra vezani su vrlo slabim vezama za mjega. Kada na krajeve metalnog provodnika postavite izvor elektičnog napona, ovo “more” relativno slobodnih elektrona počinje da se kreće stvarajući ono što u svakodnevnom životu nazivamo električnom strujom. 

Proces, međutim, nije savršen. Atomi električnog provodnika nisu nepokretni - oni neprekidno osciluju oko svog ravnotežnog položaja u metalnoj strukturi i sudaraju se sa elektronima koji putuju kroz metal. Prilikom kolizije, deo energije elektrona prenosi se na atome metala u vidu toplote. Drugim rečima, kažemo da provodnik ima “otpor”: što je taj otpor veći, zagrevanje provodnika je jače. Konverzija električne energije u toplotnu može se iskoristiti kod uređaja kao što su bojleri, termo-akumulacione peći ili sijalice. U svim ostalim slučajevima, otpor električnog provodnika izaziva štetne gubitke: električna energija koju elektrana isporučuje u prenosnu mrežu, manja je od energije koja će na kraju stići do krajnjih potrošača jer će oko 8-15% energije dalekovodi i trafo-stanice konvertovati u toplotu. To, otprilike znači, da od 10 nuklearnih elektrana, bar jedna radi u “prazno”, samo da pokrije troškove gubitka u prenosnoj mreži.

Magnentna rezonanca

Usled električnog otpora, svi električni uređaji greju se u većoj ili manjoj meri: kompjuteri, telefoni, televizori, raznorazne mašine, električni automobili... Gubici se mogu smanjiti koristeći provodnike napravljene od materijala čiji je električni otpor mali ali izbor nije uvek jednostavan: zlato i srebro su izvrsni električni provodnici ali su i skupi tako da je njihova upotreba limitirana. Zato se, u praksi, najčešće koriste bakar, aluminijum i gvožđe, mada se u poslednje vreme sreću i neki egzotični materijali poput grafena.

Kako smanjiti gubitke izazvane električnim otporom? Jedan od načina je da ohladite provodnik kroz koji protiče električna struja. Kako temperatura opada, i intenzitet oscilovanja atomskih jezgara opada, sudari sa slobodnim elektronima se proređuju, toplotni gubici se smanjuju, samim tim i električni otpor. Kada temperaturu smanjite na apsolutnu nulu (0K), otpor provodnika dostiže neku minimalnu vrednost. U želji da detaljnije prouči ovaj fenomen, holandski naučnik Hajke Kamerling Ons je 1911. godine napravio seriju eksperimenata sa živom na vrlo niskim temperaturama koristeći tečni helijum kao sredstvo za hlađenje. Prema očekivanju, utvrdio je da otpor žive opada sa snižavanjem temperature. Međutim, kada je temperatura pala na svega 4.2K (-268.95oC), Ons je iznenađeno primetio da je električni otpor žive pao na nulu. Živa se transformisala u savršen “superprovodnik” koji ne pruža nikakav otpor proticanju električne energije. Za ovo otkriće Ons će kasnije dobiti i Nobelovu nagradu. 

Svi superprovodnici imaju još jednu interesantnu osobinu: pošaju se kao idealni dijamagnetici. Superprovodnik ne dozvljava prolazak magnetnih linija sila kroz svoju unutrašnjost. Umesto toga, okolne magnetne linije se deformišu, formirajući “jastuk” na kome superprovodnik levitira. Prostim rečima, ako superprovodnik postavite iznad magneta, superprovodik će početi slobodno da lebdi! Ova pojava, poznata kao “Majsnerov efekt” predstavlja još jedno ključno svojstvo koje svaki superprovodni materijal mora da ima.  

Najjači superprovodni elektromagnet

Prošle su decenije pre nego što je fenomen superprovodljivosti i teorijski objašnjen. Tek 1957. godine Barden, Kuper i Šrifer će pokazati da superprovodljivost nastaje zahvaljujući formiranju tzv. “Kuperovih parova”, vezanih parova elektrona koji u tandemu putuju kroz električni provodnik (objašnjenje će im kasnije doneti Nobelovu nagradu). Ovi parovi, sasvim paradoksalno, opstaju i pored činjenice da se elektroni međusobno odbijaju. Na niskim temperaturama, oscilacije atomskih jezgara suviše su male da bi Kuperovi parovi bili razbijeni na pojedinačne elektrone - oni putuju kroz materijal odbijajući se od jezgara kao ping-pong loptice, ne gubeći pritom ni delić svoje energije. 

Kasniji eksperimenti pokazali su da se, pod određenim uslovima, i drugi materijali transformišu u superprovodnike. Mnogi metali, legure, poluprovodnici pa čak i keramički materijali stiču osobine superprovodnika kada se ohlade ispod odgovarajuće kritične temperature. Kod nekih materijala, kritična temperatura je znatno viša: lantan hidrid postaje superprovodan na temperaturi od -23oC, ali uz pritisak koji je 1.9 miliona puta veći od atmosferskog. Iako ne postoji univerzalna teorijska formula koja određuje na kojoj temperaturi se neki materijal pretvara u superprovodnik, fenomen superprovodljivosti do današnjeg dana ostao je vezan za vrlo niske temperature. 

Kakva je praktična korist od superprovodljivosti? Kada jednom pokrenete elektrone u superprovodniku, oni nastavljaju da se kreću bez otpora. Proračuni pokazuju  da električna struja u superprovodniku može da opstane stotinama hiljada godina bez dodatnog izvora energije. Kada nema otpora i grejanja provodnika, jačina električne struje može da bude vrlo velika, reda nekoliko hiljada ampera. Jaka električna struja stvara ekvivalentno jako magnetno polje, neuporedivo jače od onog koje generišu standardni elektromagneti na sobnim temperaturama. 

Ovako jaki elektromagneti mogu efikasno da upravljaju kretanjem naelektrisanih čestica. Zato se duboko rashlađeni superprovodljivi magneti koriste u akcelaratorima, poput onog u Cernu u kome se snop protona ubrzava do brzine bliske brzini svetlosti. Koriste se i u eksperimentalnim fuzionim rektorima (poput ITER-a) u kojima se plazma zagreva do temperature od više desetina miliona stepeni kako bi u njoj započeo proces termonuklearne fuzije uz oslobađanje energije. Kako vrela plazma ne bi uništila zidove reaktora, ona se drži “zarobljenom” u magnetom polju koje stvaraju supreprovodni magneti. 

Kineski "maglev" voz

Korišćenjem Majsnerovog efekta i magnetne levitacije moguće je napraviti i tzv. “maglev” vozove koji lebde iznad šina na magnetnom jastuku, uz dostizanje fantastičnih brzina od oko 600 kilometara na sad. Kina već decenijama istražuje ovaj koncept a jedan voz već funkcioniše u Šangaju. Ozbiljna istraživanja vrše se i u Japanu a prva linija između Tokija i Nagoje najavljena je za 2027. godinu. Sličan projekat realizuje se i u Americi: ideja je da se Njujork i Vašington povežu “levitirajućom železnicom” tako da za put od jednog do drugog grada bude potreban samo jedan sat. 

Bez superprovodnika ne bi postojala ni magnetna rezonanca (MRI), verovatno najefikasnija i najznačajnija dijagnostička mašina današnjice. Preciznost snimka i kvalitet dijagnoze prvenstveno zavise od jačine magnetnog polja koje mašina stvara. Za tako nešto potrebni su izuzetno jaki magneti koje stvara električna struja u superprovodnicima. Superprovodnici su našli svoju primenu i u računarskoj tehnici: koriste se za kreiranje i održavanje “kubita”, fundamenatalnih informatičkih jedinica u kvantnim računarima.

Ali, ako se osvrnete oko sebe i pogledate tehničke uređaje koje svakodnevno koristimo, videćete da u njima nema superprovodnika. Kompjuteri i telefoni se i dalje greju. Elektrodistribucija i dalje potroši silne megavate električne energije na beskorisno zagrevanje dalekovoda i trafo-stanica. Vozovi i dalje koriste točkove a ne magnetne jastuke. Razlog je prost: do danas nije otkriven materijal koji bi imao superprovodna svojstva na uobičajenim (“sobnim”) temperaturama. Neophodno je duboko hlađenje koje se može obezbediti samo korišćenjem specijalnih “frižidera” u kojima se kao radni fluid koriste kriogeni gasovi. 

Zato je rad na kreiranju superprovodnika koji zadržavaju svoja svojstva i na visokim temperaturama tako važan. Zamislite svet u kome se proizvodi isključivo zelena energija iz obnovljivih izvora kao što su sunce i vetar a zatim, korišćenjem superprovodnika, transportuje do krajnjih potrošača bez ikakvog usputnog gubitka, bez emisije ugljen-dioksida i štetnih klimatskih uticaja! U tu sliku dobro će se uklopiti i buduće termonuklearne (fuzione) elektrane na čijem se razvoju intenzivno radi.

Ne može bez gubitaka

Ako bi takvi materijali postojali, mnogi uređaji bili bi drastično pojednostavljeni što bi ih učinilo jeftinijim i pristupačnijim. Tipična magnetna rezonanca, na primer, koristi oko 2.000 litara tečnog helijuma koji održava superprovodne magnete na temperaturi od svega par stepeni iznad apsolutne nule. Ohladiti helijum do tako niske temperature je tehnički komplikovan i izazovan posao. Helijum je uz to i veoma skup gas - nema ga u atmosferi već se dobija kondenzacijom iz prirodnog gasa koji je prethodno bio izložen dejstvu prirodnog zračenja duboko u zemljinoj kori. Zato su MRI uređaji izuzetno skupi što najviše pogađa pacijente u manje razvijenim zemljama koje sebi ne mogu da priušte dovoljan broj ovih dragocenih aparata. Činjenica je da se MRI uređaj može napraviti i bez superprovodnika, ali bi takav uređaj imao znatno manju rezoluciju, što bi vodilo i do manje precizne dijagnoze i neadekvatne terapije. Preciznost u ovom slučaju bukvalno predstavlja razliku između života i smrti.

Hipotetični superprovodnici na sobnoj temperaturi iz temelja bi promenili i industriju kompjutera. Mikroprocesori nove generacie bili bi bar 10 puta brži i trošili 300 puta manje energije ako bi bili napravljeni od superprovodnih materijala. Takvi čipovi generisali bi manje toplote što bi dovelo do kompaktnijeg dizajna, dužeg života baterije i manjeg opterećenja električne mreže u eri digitalne ekonomije. 

Neki superprovodnici imaju znatno veću kritičnu temparaturu tako da se u radnom stanju mogu održavati pomoću neuporedivo jeftinijeg tečnog azota koji ključa na temperaturi od -196oC. Ali ni to nije dovoljno: superprovodni materijal mora da ima i odgovarajuća mehanička svojstva kako bi mogao lako da se obrađuje i dovede do željenog oblika. Keramički superprovodnici su, recimo, suviše krti da bi imali značajniju praktičnu primenu. Postoje i krajnje egzotični materijali koji su dostupni u izobilju (poput gvožđa) ali superprovodljiva svojstva manifestuju samo na pritiscima koji su milionima puta veći od atmosfereskog čime je eliminisana mogućnost njihove tehničke upotrebe. 

Eto zbog čega je javnost sa velikom znatiželjom propratila vest o dostignuću korejskih naučnika. Ali, kada je prašina počela da se sleže, nad celo otkriće nadvio se tamni oblak. Pre svega, reklo bi se da u korejskom timu odnosi među istraživačima nisu u najboljem redu. U kratkom roku na internetu su osvanule dve verzije rada koje, u načelu, opisuju isto dostignuće ali sa značajnim razlikama. Lista autora je slična ali ne i identična. Jedan od autora je čak izjavio da prva verzia rada pati od brojnih nedostataka i da je objavljena bez njegove saglasnosti. 

Nakon toga, stručnjaci su primetili i nedostatke u metodologiji rada: pre svega, nije bilo nepristrasne recenzije. Autori nisu pre obajvljivanja zatražili mišljenje nekog od poznatih stručanjaka, što se donekle može objaviti njihovim strahom da ih neko ne pretekne i prvi objavi identičnu vest. U samom radu mnogo toga nije na zadovoljavajućem stručnom nivou: na primer, nulti električni otpor detektovan je na uzorku materijala koji nije bio dovoljno “čist”. Drugi ključni dokaz, Majsnerov efekat i levitacija uzorka materijala u magnetnom polju, takođe je traljavo izveden: uz određene uslove, u magnetnom polju mogu da lebde i grafit i bizmut i žabe i jagode, iako sve to sa superprovodljivošću nema nikakve veze. 

Kako je vreme odmicalo, korejsko “dostignuće” bilo je na sve klimavijim nogama da bi se na kraju raspalo kao kula od karata. Nakon detaljenije procene, mnogi su izjavili da Korejci, zapravo, nemaju mnogo znanja o super-provodljivosti i da su njihovi argumenti u velikoj meri nategnuti i diskutabilni. Indijski naučnici su već 31. jula bezrezervno ustvrdili da LK-99 nije superprovodnik. Sa tim su se, takoreći istovremeno, saglasili i kineski naučnici, isti oni koji su bili optimisti nakon prelminarnih rezultata. Korejsko društvo za istraživanje superprovodljivosti je 3. avgusta diskreditovalo LK-99 kao superprovodnik jer “materijal ne demonstrira Majsnerov efekt”. Slično je reagovao i Univerzitet u Merilendu, četiri dana kasnije: “Sa velikom dozom tuge moramo da kažemo: igra je završena. LK-99 nije superprovodnik, ne vredi se svađati sa istinom”.  

Diskutabilni su čak i osnovni fizički postulati. Konvencionalni superprovodnici kao što su kalaj, olovo, živa i niobijum, spadaju u metale. Mnoge legure (mešavine metala) takođe demonstriraju superprovodna svojstva na niskim temperaturama. Sa druge strane, nemetalni materijali, koji imaju višu kritičnu tempearturu, kao što je itrijum-barijum-bakar-oksid, moraju da budu “dopingovani” atomima metala na vrlo precizan način kako bi počeli da provode struju. Koreanci su krenuli od olovnog apatita koji je, u suštini, jako dobar izolator i dopingovali ga atomima bakra. Sličnost bakra i olova toliko je velika da se ne vidi kako je ovaj “bakarni tretman” uopšte mogao da izmeni bazična svojstva materijala. Jedan od naučnika, komentarišući originalni korejski rad i hemijsku kompoziciju LK-99, kaže: “Oni su svoju tezu počeli kamenom. Od kamena na kraju obično ispadne samo kamen. A kamenje ne provodi električnu struju”.

Fuzioni reaktor sutrašnjice

Iako je još uvek rano da se na celu priču stavi tačka, iako pojedini autori “korejskog čuda” istrajavaju u tvrdnjama da negativni rezultati širom sveta predstavljaju posledicu nesposobnosti da se LK-99 proizvede na pravi način, reklo bi se da naučna zajednica neumoljivo konvergira ka jedinstvenom zaključku: LK-99 ne samo da nije superprovodnik nego nije ni naročito dobar provodnik. Umesto dijamagnetnih svojstava, LK-99 je običan feromagnetni materijal, nalik na magnetnu iglu u običnom kompasu. 

Svejedno, istraživanja će se nastaviti. Današnja ekonomija bazira se sa teoriji (ne)održivog razvoja. Bez ekonomskog rasta, ceo globalni svetski poredak urušio bio se sam u sebe. Taj rast, na žalost, pogubno deluje na našu životnu okolinu i mi tek od nedavno pokušavamo da se nosimo sa tim izazovom. Superprovodnici nove generacie, uključujući i one hipotetične, koji funkcionišu na sobnoj temperaturi, predstavljaju čudotvorni materijal koji treba da umanji štetne posledice nekontrolisane ekspanzije čovečanstva: ovi materijali mogu da uspore klimatske promene, da smanje emisije štetnih gasova, podignu efikasnost mašina i unaprede kvalitet života na način koji smo dosad videli samo u naučno-fantastičnim filmovima. 

Ono što naučnici danas pokušavaju da postignu je da kreiraju superprovodljivi materijal koji je praktičan za upotrebu: on treba da bude funkcionalan na što višim temperaturama, treba da bude jeftin za proivodnju, da se lako obrađuje i da ne traži visoke radne pritiske. Takakv materijal u kratkom roku bi promenio svet u kome živimo, slično kao što su to učinili poluprovodnici. Nakon iskustva sa LK-99, reklo bi se da smo ponovo vraćeni na početnu tačku. 

Postojanje superprovodljivosti na sobnim temperaturama i dalje je jedno od najvećih nerešenih pitanja današnje fizike: da li je tako nešto uopšte moguće? Mnogi naučnici su skeptični, smatrajući da je šansa za to jednako mala kao i da na livadi naletite na jednoroga. Po njima, treba se okrenuti poboljšanju materijala koje već dobro poznajemo, tu ima još dosta prostora za napredak. Ali, naučnici su čudna bića: neki od njih nastaviće da tragaju za jednorogom, ma kako beznadežno to bilo.

Patološka nauka

Hladna fuzija, nemoguća misija

Sadašnja priča oko otkrića korejskih naučnika pomalo podseća na epizodu iz 1989. godine kada su dvojica fizičara, Martin Flajšman (Britanija) i Stenli Pons (SAD), objavili postojanje tzv. “hladne fuzije”. Eksperimentišući sa elektrolitom baziranom na teškoj vodi i elektrodama od paladijuma, načunici su uočili “energetski višak”, disbalans u uloženoj i dobijenoj energiji, koji se nije mogao objasniti hemijskim putem već isključivo nuklearnim reakcijama. Teška voda hemijski liči na onu običnu, ali su u njoj atomi vodnika zamenjeni njegovim težim izotopom - deuterijumom. Za deuterijum se odavno zna da podleže fuzionim reakcijama, procesu u kome teži elementi nastaju od lakših. Praktično istovetan proces dešava se u centru Sunca, na nezamislivo viskoim pritiscima i temperaturima, uz oslobađanje kolosalnih količina energije. Uz to, Flajšman i Pons su tvrdili da se u njihovoj aparaturi stvara i mala količina još težeg izotopa vodonika - tricijuma, nusproizvoda nuklearne fuzije - što ih je navelo na pomisao da su u jednoj običnoj čaši, na sobnoj temperaturi, uspeli da stvore minijaturno Sunce. Izobilje jeftine energije bilo je na dohvat ruke.

Čitava armija naučnika pokušala je da reprodukuje eksperiment Flajšmana i Ponsa. Ustanovljen je i Institut za hladnu fuziju koji je trebalo da radi na daljoj razradi ideje. Međutim, kako je vreme proticalo, ključne teze njihovog rada počele su da padaju u vodu, sve dok nije opovrgnut i glavni rezultat, prozivodnja tricijuma u fuzionoj reakciji. Ispostavilo se da niko nije mogao da ponovi eksperiment sa sličnim rezultatima dok je mali broj slučajeva u kojima je detektovan energetski disbalans objašnjen standardnim hemijskim procesima. Slučaj je postao toliko značajan da je njime moralo da se pozabavio i američko Ministarstvo za energiju koje je tek nakon dugotrajnog većanja odlučilo da odbaci celu ideju i uskrati bilo kakvu finansijsku pomoć naučnicima koji su se bavili fenomenom hladne fuzije. Pomenuti institut bankrotirao je jedva godinu dana nakon osnivanja.

Flajšman i Pons su dugo i uporno branili svoj rad i nisu se predavali sve dok je postojala i najmanja šansa da se u njemu krije neko originalno otkriće. Na žalost, nije ga bilo. Danas je hladna fuzija klasifikovana u tzv. “patološku nauku”. Ovaj izraz označava kontroverzna ili pseudo-naučna istraživanja koja polaze od nerealnih ili neosnovanih pretpostavki i na bazi subjektivnih interpretacija, korišćenjem kvazi-naučnih metoda, proizvode senzacionalne i netačne rezultate. Flajšman i Pons su se vratili u totalnu naučnu anonimnost i od tada nisu objavili nijedan značajniji naučni rad.

Vreme #1702

Robert Openhajmer i njegova bomba

Robert Openhajmer

“...I postadoh Smrt - uništitelj svetova!” Ove reči iz hinduističkog speva “Bhagavad-gita” odzvanjale su u glavi Roberta Openhajmera, naučnog direktora projekta “Menheten”, dok je 16. jula 1945. godine, u cik zore, zajedno sa probranom ekipom naučnika i oficira posmatrao detonaciju “Trinitija”, prve eksperimentalne atomske bombe. Detonacija plutonijumske bombe izvedena je u Novom Meksiku, u pustinji simboličnog imena: “Dan mrtvih”. Dan ranije, naučnici su se kladili kolika će biti snaga eksplozije: 3, 5 ili 10 hiljada tona klasičnog TNT-a. Ispostavilo se da je eksplozija bila jača od 20 hiljada tona. “Neki ljudi su se smejali i radovali, neki su aplaudirali, neki plakali. Većina je samo ćutala. Svi zajedno znali smo da svet više nikad neće biti isti”, rekao je kasnije Openhajmer. 

Priča o američkoj atomskoj bombi počinje 1939. godine kada su Albert Ajnštajn i Leo Silard napisali pismo predsedniku Ruzveltu u kome otvoreno izražavaju svoju bojazan da će Hitler i nacisti vrlo brzo konstruisati atomsku bombu. Krajnje je vreme, smatrali su naučnici, da Amerika razvije sopstveni nuklearni program i pretekne Nemce u njihovoj nameri. Sam Ajnštajn kasnije će ovo pismo smatrati za jednu od najvećih grešaka u svom životu: “Da sam znao da su Nemci bili na pogrešnom tragu i da nikad neće napraviti bombu, da sam znao da će američka atomska bomba biti zaista upotrebljena, nikad ne bih napisao tako nešto”. Svejedno, Ruzvelt je reagovao i u oktobru 1941. godine, dva meseca pre ulaska Amerika u rat, izdao formalno naređenje da se krene u razvoj nuklearnog oružja. Nastao je projekat “Menhetn” na čije čelo je postavljen general Lesli Grouvs.

U to vreme već se znalo da se prilikom fisije (cepanja) jezgara teških elemenata, pre svega uranijuma i plutonijuma, oslobađa velika količina energije i određen broj neutrona. Ovi neutroni mogu da pogode nova atomska jezgra, učine ih nestabilnim i tako dovedu do njihovog cepanja. Ako imate dovoljnu, tzv. “kritičnu” masu fisionog materijala, nastaje lančana reakcija koja se eksponencijalno ubrzava sve dok generisana energija ne dovede do eksplozije. Bili su to tehnički principi ali je put do prave bombe bio dugačak: pre svega, trebalo je pribaviti dovoljnu količinu fisionog materijala: uranijum se u dovoljnoj koncentraciji mogao naći samo u belgijskom Kongu, dok je plutonijum element koga u prirodi ima tek u tragovima tako da prozivodnja mora da se obavi u laboratoriji, mutacijom uranijuma u plutonijum. Prerada uranijumske rude takođe je vrlo komplikovana jer se za fisiju može iskoristiti samo relativno redak izotop U235 dok je onaj dominantan, U238, neupotrebljiv.  

Iako je na čelu projekta bio Grouvs kao vojno lice, od samog početka bilo je jasno da se projekat ne može realizovati bez učešća vrhunskih američkih fizičara. I ne samo njih: bili su potrebni i hemičari, metalurzi, inženjeri za eksplozive, mašinski inženjeri. A sve njih je neko trebalo da vodi. Izbor je, prilično iznenađujuće, pao na Roberta Openhajmera koji je 1942. godine imenovan za direktora Laboratorije za tajno oružje, de facto prvog civilnog čoveka u projektu “Menhetn”. 

General Grouvs i Openhajmer

Ni danas nije sasvim jasno zašto se Grouvs odlučio upravo za Openhajmera: on nije imao nikakvo iskustvo na velikim istraživačkim projektima, u prošlosti se družio s komunistima i ispoljavao snažna levičarska uverenja a nije imao ni Nobelovu nagradu, što je potencijalno moglo da se pretvori u nedostatak autoriteta. Međutim, Grouvs je, po svojoj prilici, bio opčinjen Openhajmerovom sposobnošću da kompleksan problem brzo sagleda iz svih uglova i odmah vidi put do rešenja. Takođe, Openhajmer je imao izraženu ambiciju i vrlo široko, multi-disciplinarno znanje, nešto što je Grouvs smatrao esencijalnim. Utisak koji je Openhjamer ostavio bio je toliko jak da je Grouvs prinudio bezbednosne službe da Openhajmeru izdaju “bezbednosni sertifikat” i omoguće mu rad na projektu, i pored njegovih “diskutabilnih” političkih opredeljenja (tu istu bezbednosnu proveru Albert Ajnštajn nikad nije prošao zbog svog statusa “slavne ličnosti” i pacifističkih ubeđenja).  

Robert Operhajmer rođen je 1904. godine u Njujorku, u jevrejskoj porodici koja se u Ameriku doselila iz Nemačke. Njegov otac ubrzo se obogatio kao trgovac tekstilom tako da je Openhajmer odrastao u izobilju, u kući ukrašenoj slikama Van Goga i Pikasa. Iako višeg socijalnog statusa, Openhajmer je u školi uvek bio pristupačan, velikodušan i srdačan, ponekad sramežljiv i zamišljen. Završio je hemiju na Harvardu i krenuo u Evropu da se usavršava ali je dugo imao utisak da je na pogrešnom putu. Najteže mu je bilo u Kembridžu, gde mu je vreme prolazilo u nes(p)retnim hemijskim eksperimentima. Nakon jedne kritike koju mu je uputio mentor, Openhajmer mu je, posle časova, na stolu ostavio jabuku “obogaćenu” hemikalijama iz laboratorije. Slučaj je otkriven na vreme, niko nije stradao, a Openhajmer je dobio relativno blagu kaznu - da se redovno javlja psihijatru koji je ubrzo digao ruke od njega. 

Openhajmerov talenat došao je do punog izraza tek kada je hemiju zamenio za teorijsku fiziku. Doktorirao je u 23. godini kod čuvenog kvantnog fizičara Maksa Borna. Odmah nakon toga vratio se u Ameriku da bi postao profesor na Tehničkom institutu u Kaliforniji (Caltech). U to vreme, zahvaljujuči svojim naučnim radovima, već je bio dobro poznati naučnik sa razgranatom mrežom poznanstava. Njegovi radovi bili su relativno kratki, često kriptični i teški za čitanje, začinjeni obiljem teško dokučive matematike, ali su mu zato ideje bile briljantne, često genijalne. Njegovi vizionarski radovi o belim patuljcima, evoluciji zvezda i kolapsu materije dobili su potvrdu tek mnogo decenija kasnije kada su otkrivene neutronske zvezde i crne rupe. Zajedno sa Polom Dirakom predvideo je postojanje pozitorna, prve čestice antimaterije koja je, nedugo potom, i eksperimentalno uhvaćena. Openhajmer je bio i talentovan profesor, duhovit i elokventan, sposoban da raspali maštu svojih slušalaca duhovitim opaskama i neočekivanim detaljima: mnogi njegovi studenti kasnije su imitirali njegov način govora, hod ili stil pisanja po tabli. Uz to, Openhajmer je bio i veliki ljubitelj književnosti, naročito Prusta, naučio je sanskrit samo da bi mogao da u originalu čita stare indijske epove.

Grouvs je u Openhjameru pronašao pravog saradnika. Obojica su zaključili da je nemoguće realizovati jedan super-tajni projekat u gradskim uslovima. Na inicijativu Openhajmera, odlučeno je da se u Los Alamosu u Novom Meksiku, podigne čitav jedan grad koji bi naselili naučnici i inženjeri i koji bi, potpuno izolovani od spoljnog sveta, neometano mogli da rade na projektu. Mesto je, u suštini, bila pustinja, što je potpuno odgovaralo Openhajmeru koji je u blizini imao ranč i voleo divlju, netaknutu prirodu. Los Alamos je pri kraju rata imao 6.000 stanovnika a na izgradnju ove lokacije, i još nekoliko sličnih gde se obogaćivao uranijum, potrošeno je preko dve milijarde tadašnjih dolara (oko 25 milijardi današnjih). 

Los Alamos

Openhajmeru je uspelo da u Los Alamosu okupi “dream team” američke nauke. Zajedno sa njim na projektu su radili Enriko Fermi, Hans Bete, Stanislav Ulam, Edvard Teler, Ričard Fejnman, Džon fon Nojman, Klaus Fuks (kasnije raskrinkan kao sovjetski špijun)... Uz njih, Openhajmer je doveo i molere, muzičare, ugostitelje, sve one bez kojih nije moguće zamisliti kompletnu zajednicu. Samo mali broj ljudi uključenih u projekt znao je njegov stvarni cilj - za mnoge “obične ljude”, posao se svodio na besciljno, skoro besmisleno okretanje dugmića, pomeranje poluga ili praćenje brojčanika. Naizgled krhki Openhajmer (visok 180cm i težak svega 52kg) pokazao se kako jako dobar menadžer a naročito je imponovala njegova posvećnost i aktivno učešće u bezbrojnim naučnim sastancima gde se diskutovalo o ovom ili onom konstrukcionom detalju. Isidor Rabi, jedan od naučnika angažovanih na projektu, rekao je da je izbor Openhajmera bio “trenutak genijalnosti” generala Grouvsa koga, inače, nisu smatrali genijem.

Nakon uspešnog testiranja prve atomske bombe, Openhajmer je bio ushićen. Savremenici su zabeležili da je u prvim danima nakon opitne eksplozije hodao kao Gari Kuper u vesternu “Tačno u podne”: lagano, samouvereno i gordo uzdignute glave. Obraćajući se oduševljenoj masi u Los Alamosu, Openhajmer je neskriveno likovao vitlajući pesnicom po vazduhu. Bilo mu je žao što bomba nije bila napravljena malo ranije kako bi mogla da bude bačena na Hitlerovu Nemačku. Iako je imao saosećanje za Japance koji su bili očigledna naredna meta (“ti jadni mali ljudi...”), to ga nije sprečilo da aktivno učestvuje u pripremi bombardovanja Hirošime i Nagasakija (“ne treba da aktiviramo bombu previsoko, to će smanjiti razarujući efekat na zemlji; i nikako po kiši i magli, vremenski uslovi treba da budu optimalni”). Kada je bomba pala na Hirošimu, Openhajmer je bio ushićen, poput čoveka koji je stigao na cilj i doživeo veliko olakšanje.

"Triniti", prva atomska bomba

Sa završetkom Drugog svetskog rata, nakon stravičnih žrtava koje su zadesile Japan, stav Openhajmera radikalno se promenio, iz razloga koji nikada nisu do kraja odgonetnuti. Postao je, u neku ruku, idealista, zagovornik ideje koju je svojevremeno formulisao Frenklin Ruzvelt, da u nekom boljem svetu Ujedinjene nacije moraju da imaju videću ulogu i da atomsko oružje treba da podleže međunarodnoj kontroli. Openhajmerov naivni stav bio je u ogromom raskoraku sa težnjama američke administracije da, nakon one atomske, razvije i neuporedivo jaču, hidrogensku super-bombu u kojoj bi atomska bomba bila tek inicijalna kapisla. Umesto na cepanju, hidrogenska bomba zasniva se na spajanju, fuziji lakših elemenata u teže, nalik na proces koji Suncu omogućava da sija već milijardamna godina. Mogućnost stvaranja Sunca na Zemlji visila je u vazduhu još na samom početku projekta “Menhetn” a idejni koncept fuzione bombe razradio je Edvard Teler. Openhajmer je, međutim, taj projekat skrajnuo, dodelivši mu vrlo ograničene materijalne resurse verujući da je hidrogenska bomba besmislena, da ne postoje dovoljno velike mete za ovo apokaliptično oružje i da nikakav ratni cilj ne bi mogao da opravda nezamislive ljudske žrtve.

Openhajmer je vrlo brzo počeo da gubi svoja uporišta u američkoj vojnoj i političkoj administraciji. Težak udarac dobio je i od predsednika Trumana, lično: slušajući kako mu se Openhajmer žali na “krvave ruke” i nemirnu savest, Truman mu je rekao da krivica ne pripada onom ko je bombu napravio, već onom ko je naredio da se ona upotrebi, da bi zatim naredio da se Openhajmer isprati iz Bele kuće uz napomenu da više nikad ne želi da vidi “ovog plačljivka”. Stari neprijatelji, političari koji je Openhajmer svojevremeno omalovažio ili ismejao pred raznim kongresnim komisijama, ponovo su digli svoju glavu. Iskopan je njegov dosije koji je FBI, na čelu sa Edgarom Huverom, vodio još od pre rata, u kome su crvenom bojom bili podvučeni mnogobrojni Openhajmerovi kontakti sa američkim komunistima. Među njima je bila Džin Tatlok, vatrena levičarka i prva velika Openhajmerova ljubav, koja mu je mnogo puta slomila srce da bi na kraju zapala u depresiju i izvršila samoubistvo. U redovima komunista bila je i njegova dugogodišnja supruga Kiti koja je kasnije istupila iz formalne komunističke organizacije ali nikad nije ostavila levičarska uverenja. Komunista je bio i Openhajmerov brat Frenk, talentovani naučnik koji će zbog svojih ubeđenja ostati bez karijere: na kraju je završio kao uzgajivač stoke jer drugi posao nije mogao da nađe. Sam Openhajmer nije krio da je bio simpatizer revolucionara u Frankovoj Španiji, da je imao “intelektualni interes” za komunističku ideologiju, niti je želeo da porekne činjenicu da su brojni njegovi studenti i saradnici bili komunisti. Ono što, međutim, nije mogao da prihvati su optužbe da je bio špijun koji je Sovjetima odavao najveće državne tajne.

Robert Openhajmer pred Komisijom za istraživanje antiameričkih aktivnosti

Usledila su saslušanja pred Komisijom za istraživanje anti-američkih aktivnosti tokom kojih će Openhajmer saznati da je već godinama prisluškivan, da su mu ozvučeni stan i kancelarija i da ga agenti FBI prate na svakom koraku, danju i noću. Ljudi koji su radili sa Openhajmerom pojavili su se kao svedoci, mada je bilo i onih, poput Lorenca Ernsta, koji su odbili da svedoče pozivajući se na bolest. Iako je šira naučna javnost bila listom uz Openhajmera, oni koji su se pojavili pred komisijom svedočili su, uglavnom, protiv njega. Edvard Teler je rekao da on nema saznanja da je Openhajmer ikada učestvovao u nedoličnim anti-državnim aktivnostima ali je naglasio da ne bi voleo da se najveće američke tajne i dalje nalaze u Openhajmerovim rukama. Čak je i general Grouvs priznao da bi, suočen sa novim saznanjima, doneo drugačiju odluku i da verovatno nikad ne bi uključio Openhajmera u projekat “Menhetn”. 

Kako se Openhamer držao tokom saslušanja? Podstaknut od strane svoje supruge da se bori, Openhajmer nije želeo da se preda i uporno je istrajavao u odbrani svoje čestitosti. Da je u tome bio naročito spretan - nije! Ispostavilo se da su neke priče iz prošlosti koje je sam ispričao, poput one one o čoveku koji mu se ponudio s namerom da poverljive informacije prebaci u sovjetsku ambasadu, samo delimično tačne. Krijući identitet jednih, Openhajmer je često pisao optužnicu protiv drugih ljudi, naivno verujući da FBI sve to nije uredno arhivirao u svojim dnevnicima praćenja. Openhajmerov put ka paklu bio je, kao što to obično biva, popločan dobrim namerama. Proveo je život u uverenju da naučnik može i mora da bude u stanju da kontroliše delo svojih ruku, da bi na kraju bio surovo demantovan.

Ajnštajn i Openhajmer

Komisija, na kraju, nije pronašla dokaze da je Openhajmer počinio neko krivično delo, kamoli izdao svoju zemlju, ali je preporučila da se Openhajmeru zbog “diskutabilnog” ponašanja i počinjenih “grešaka u radu” poništi bezbednosni sertifikat, što se i desilo 1954. godine. Efekat poništenja bio je simboličan: iako Openhajmer, kao naučnik lišen državnog poverenja, više nije mogao da se bavi projektima od nacionalnog značaja, sertifikat mu je poništen svega nekoliko dana pre njegovog isticanja. Naučna zajednica, međutim, Openhajmera nije odbacila tako da je on do kraja života bio radno viđen gost i predavač na najprestižnijim svetskim univerzitetima i naučnim skupovima. Preko dvadeset godina proveo je kao direktor prestižnog Instituta za napredne studije prinstonskog univerziteta gde je sarađivao sa Albertom Ajnštajnom i drugim čuvenim naučnicima. Zajedno sa Bertrandom Raselom i Ajnštajnom osnovao je Svetsku akademiju nauka i umetnosti, od Francuza je dobio Legiju časti a predsednik Kenedi mu je 1963. godine uručio nagradu “Enriko Fermi” za životno delo, čime je bio rehabilitovan, doduše nezvanično. Suštinu celog sukoba možda je najbolje opisao Ajnštajn: “Openhajmerov ključni problem je što voli nekog ko njega ne voli. A to je vlada Sjedinjenih Američkih Država”. Naknadna istraživanja samo su potvrdila činjenicu da je Openhajmer bio lojalni građanin i da u arhivskoj građi ne postoji ni najmanji trag bilo kakve nedozvoljene saradnje sa SSSR-om ili nekom drugom silom. Rehabilitacija je postala zvanična tek 2022. godine kada je simbolično obnovljen Openhajmerov bezbednosni sertifikat. 

Robert Openhajmer je čitavog života bio strastven pušač, palio je cigaretu za cigaretom i pored toga što je svojevremeno bio lečen od blagog ali upornog oblika tuberkuloze. Oboleo je od raka grla 1965. godine i umro dve godine kasnije u Prinstonu. Tri puta je bio kandidat za Nobelovu nagradu za fiziku ali je na kraju ipak ostao bez nje. 

RTS "OKO"

Mapiranje otiska "Božijeg prsta"

Teleskop “Euklid” uspešno je lansiran 1. jula sa kosmodroma u Kejp Kanaveralu pomoću raketnog nosača “Falkon 9” kompanije “Space X”. Reč je o misiji iza koje stoji Evropska svemirska agencija (ESA). Ona će rezultate istraživanja podeliti sa svojim međunarodnim partnerima kroz nedavno osnovani naučni konzorcijum sa više od 1.200 naučnika iz 18 zemalja. 

Teleskop se trenutno nalazi u orbiti oko Zemlje gde će postepeno rasklopiti svoje solarne panele i rashladiti instrumente do radne temperature. Ako sve prođe kako treba, teleskop će se krajem jula zaputiti ka Lagranževoj tački L2, milion i po kilometara daleko iza Zemljine orbite gde će, nakon kalibracije i dodatnih ispitivanja, započeti sa naučnim osmatranjima, tri meseca nakon lansiranja. U istoj tački (zapravo, u njenoj neposrednoj okolini), već se nalazi još jedan čuveni kosmički teleskop, “Džems Veb”. U toj tački gravitaciona dejstva Zemlje i Sunca tako su izbalansirana da letelica može da ostane u fiksnom relativnom položaju u odnosu na Sunce i Zemlju uz minimalan utrošak goriva (Sunce, Zemlja i letelica nalaze se sve vreme praktično na istoj liniji). Time je omogućeno nesmetano kontinuirano posmatranje najvećeg dela neba bez potrebe da opservatorija neprekidno mena svoju orijentaciju u prostoru.

Zašto je “Euklid” tako bitan? Zato što pomoću ovog letećeg teleskopa naučnici pokušavaju da odgovore na nekoliko fundamentalnih pitanja. Od čega je kosmos načinjen? Zašto izgleda ovako kao što izgleda? Koje pokretačke sile upravljaju evolucijom kosmosa? Kakva je njegova budućnost? I koliko će ta budućnost trajati? Ni na jedno od ovih pitanja nemamo ni izbliza celovit i definitivan odgovor. 

Glavno ogledalo "Euklida"

Ako sve treba da uprostimo i sumiramo u jednu rečenicu, recimo da “Euklid” treba da generiše detaljnu, trodimenzionalnu mapu jednog velikog dela kosmosa. Ta slika treba da nam pomogne da objasnimo kakvu ulogu u kosmičkom poretku imaju tamna materija i tamna energija, dominantne komponente kosmosa koje za nas i dalje predstavljaju potpunu misteriju. Situacija je, štaviše, paradoksalna: iako naše znanje o svetu koji nas okružuje raste ogromnom brzinom, ono što ne znamo izgleda da raste još brže. 

Osvrnimo se, za trenutak, na činjenice. Do pre 30-40 godina verovalo se da smo u potpunosti pronikli u tajne materije. Mislili smo da je čitav svet oko nas sazdan od čestica kao što su protoni, neutroni, elektroni, fotoni... ono što smo učili u školi, znate već. Ispostavilo se da je taj model beznadežno nekompletan. Nasledio ga je tzv. “LCDM model” prema kome vidljiva materija čini svega 4% kosmičke građe (brojka neznatno varira zavisno od izvora). Ostatak otpada na tamnu materiju (20%) i tamnu energiju (76%). Celokupno naše dosadašnje znanje ograničeno je na prva četiri procenta dok ostatak (96%) tek počinjemo da otkrivamo. 

Koliko danas znamo o tamoj materiji? Od vremena otkrića (vidi okvir), nismo mnogo napredovali. Znamo da je u pitanju materija koja se ne sastoji od do sada poznatih čestica. Znamo da tamna materija na “običnu” materiju deluje isključivo gravitacionom silom i da se to dejstvo može detektovati samo na velikim kosmičkom rastojanjima jer je tamna materija, iako sveprisutna i sveprožimajuća, veoma retka. Znamo da tamna materija niti apsorbuje niti emituje svetlost: ne možemo da je vidimo niti da je dodirnemo. Ne znamo od kojih se čestica sastoji, imamo neke teorije o tome, možemo otprilike da pretpostavimo koja je njihova masa ali su nam sva ostala svojstva nepoznata. I dalje nemamo čak ni nacrt eksperimenta koji bi nam omogućio direktnu detekciju tamne materije. Nije zato čudo što se problem identiteta tamne materije nalazi na samom vrhu liste najznačajnijih nerešenih problema u fizici. 

Kompjuterska simulacija razvoja kosmosa na najvećoj skali

Misija “Euklida” treba da traje najmanje šest godina. Prvi zadatak opservatorije je da napravi detaljnu mapu distribucije tamne materije u kosmosu. Umesto direktnog opažanja koje nije moguće, “Euklid” će posmatrati uticaj tamne materije na prostiranje svetlosti sa udaljenih galaksija. Oblaci tamne materije formiraju tzv. “gravitaciono sočivo” koje krivi zrake svetlosti svojim gravitacionim dejstvom, dovodeći do toga da neke od udaljenih galaksija izgledaju deformisano, uveličano ili multiplicirano. “Euklid” je specijalizovan upravo za merenje malih deformacija u izgledu galaksija. Na osnovu ovih merenja moguće je izračunati koja količna tamne materije je potrebna za to i kako je ona raspoređena. Ideja nije sasvim nova: teleskop “Habl” već se bavio ovakvim merenjima ali je pokrio samo mali deo neba (dva kvadratna stepena). “Euklid” je, u tom pogledu, mnogo ambiciozniji: detaljna mapa distribucije tamne materije po dubini kosmosa treba da obuhvati čitavih 15.000 kvadratnih stepeni, što predstavlja jednu trećinu čitavog neba. 

A šta je sa tamnom energijom? O njoj znamo još manje nego o tamnoj materiji. Ne, nije reč  o misterioznoj “sili” iz serijala “Ratovi zvezda”, niti je reč o nečemu što je po prirodi mračno i negativno. Kako stvari stoje, tamna energija je esencijalni sastojak praznog prostora, nešto što tera prostor da se konstantno širi. Širenjem prostora, sam prostor raste pa se time i tamna energija uvećava. Ako je sve tako kao što pretpostavljamo, to bi značilo da se širenje prostora ubrzava? Ma kako ovo fantastično zvučalo, sve govori da je ova pretpostavka tačna. Merenjem eksplozija udaljenih supernova, grupa naučnika je 1998. godine nedvosmisleno zaključila da je kosmos, neposredno nakon “Velikog praska”, ušao u fazu usporenog širenja da bi, u poslednjih pet milijardi godina, iz nepoznatih razloga, ušao u “Epohu tamne energije” i počeo da se širi sve brže i brže (za ovo otkriće dodeljena je Nobelova nagradu za fiziku 2011. godine). Ako se ništa spektakularno ne desi, kosmosu je, izgleda, suđeno da nestane u “velikom cepanju”. Proces širenja kosmosa nastaviće se sve bržim tempom, sve dok se rastojanja u njemu ne povećaju do te mere da će se raspasti bukvalno sve: od galaksija, preko zvezda, Sunčevog sistema, planeta i ljudi, do molekula, atoma, atomskih jezgara... 

"Euklid" na montažnom stolu

Iako se “tamna energija” može lepo uklopiti u Ajnštajnovu opštu teoriju relativiteta (nije nam potrebna neka nova teorija), mi još uvek nemamo šta da uklopimo. Ne znamo da li je tamna energija samo nepoznati broj u Ajnštajnovim jednačinama ili polje, nalik na gravitaciono, koje evoluira sa razvojem kosmosa. Ne znamo ni da li je ekspanzija kosmosa ravnomerna ili ima lokalne oscilacije ali znamo da je ona ostavila iza sebe “otisak” u vidu karakterističnog rasporeda galaksija. Taj otisak “božijeg prsta” treba da mapira “Euklid”: na njegovoj karti trebalo bi da se nađe nekoliko milijardi galaksija, sve do daljine od oko 10 milijardi svetlosnih godina. Generisana slika trebalo bi da nam da odgovor na neka ključna pitanja: kako se brzina ekspanzije kosmosa menjala tokom istorije i kakva ga budućnost očekuje.

Za ovaj poduhvat “Euklid” je opremljen kamerom rezolucije 600 megapiksela koja snima u vidljivom delu spetra. Ogledalo koje prikuplja svetlost za ovu kameru ima prečnik od 1,2 metra. Da biste jednu sliku sa “Euklida” videli u celini, sa svim finim detaljima, bilo bi potrebno da nekako objedinite 300 monitora visoke rezolucije. Preciznost kamere oko 50 puta je veća u odnosu na slične uređaje instalirane na zemlji. Tokom misije teleskop će generisati fantastičnih 170 petabajta podataka, ogromno naučno blago koje će se obrađivati godinama, ako ne i decenijama. Uz kameru, tu je još jedan instrument, spektrometar sa fotometrom. Zadatak ovog instrumenta je da analizira galaktički svetlosni spektar i utvrdi tzv. “crveni pomak” posmatranog objekta. Na bazi crvenog pomaka moguće je utvrditi i udaljenost posmatrane galaksije od nas (vidi okvir). Čitava letelica teška je oko dve tone, dugačka 4,5 i široka 3 metra. Budžet za razvoj teleskopa iznosio je oko 500 miliona dolara ali će konačni iznos, zajedno sa troškovima eksploatacije, verovatno biti dvostruko veći. Ilustracije radi, teleskop “Džejms Veb” velik je kao tenisko igralište, ima ogledalo prečnika 6 metara a ukupni troškovi konstrukcije bili su veći od 10 milijardi dolara. 

"Euklid" spakovan za lansiranje

Sonda je dobila ime po Euklidu, jednom od najvećih matematičara iz antičkog vremena, koji je u svom čuvenom delu “Elementi” postavio temelj geometrije kao matematičke discipline sistemski izgrađene na malom skupu aksioma. To delo odeleva zubu vremena već više od dve hiljade godina. Ime za sondu nije izabrano slučajno: tamna materija i tamna energija utiču na geometriju kosmosa do te mere da neki od Euklidovih postulata koje danas uzimamo zdravo za gotovo možda i ne važe. Još jedno nerešeno pitanje kojim će se “Euklid” indirektno baviti.

Ako tehnika bude odradila svoje, to neće staviti tačku na naše istraživanje tamne materije i tamne energije. Teško je verovati da će dve najveće enigme čovečanstva biti rešene u kratkom roku. Ali, nova saznanja koja očekujemo svakako će pokazati u kom pravcu dalja istraživanja treba da idu. Možda “Euklid” ponovo oživi i neke alternativne teorije, poput one o postojanju pete sile u prirodi koja se manifestuje isključivo u kosmičkim razmerama. Ima i onih, doduše malobrojnih, koji smatraju da treba menjati i Njutnov zakon gravitacije, naročito kada je u pitanju njeno delovanje na ogromnim rastojanjima: takva jedna promena mogla bi potpuno da eliminiše potrebu za postojanjem tamne materije. Kako god da bude, put do konačnog odgovora na najfundamentalnija pitanja kosmosa biće značajno skraćen.

Kako je otkrivena tamna materija

Fric Cviki

Na tragove postojanja tamne materije prvi je naišao švajcarski astronom Fric Cviki 1933. godine posmatrajaću galaktički klaster Koma sa više od hiljadu identifikovanih galaksija. Cviki je pokušao da ustanovi vezu između brzine rotacije čitavog klastera i gravitacione sile koju generiše njegova vidljiva materija. Vrlo brzo je shvatio da se brojke ne uklapaju: izračunata gravitaciona sila bila je suviše mala da na okupu drži galaksije u klasteru koje su se, jednostavno, kretale prebrzo. Takav klaster odavno bi se raspao na svoje sastavne galaksije i nestao u kosmičkoj tami. Posmatranja, međutim, govore da je čitava konstelacija stabilna i da u sličnoj formi egzistira već milijardama godina. Postoji nešto, verovao je Cviki, nešto što mi ne vidimo, što je nekoliko puta masivnije od čitavog klastera, neka “dunkl” materija koja svojom dodatnom gravitacijom održava integritet klastera. Na žalost, Cviki nije uspeo da za svoju tezu pronađe još neki dokaz, a kao osobenjak nije bio ni naročito omiljen u naučnoj zajednici, tako da je njegov rezultat brzo pao u zaborav. 

Odlučujući napredak učinjen je tek tokom šezdesetih i sedamdesetih godina prošlog veka kada je Vera Rubin sa opservatorije Kit Pik u Arizoni počela da proučava brzine kretanja zvezda u Andromedi, nama najbližoj galaksiji. Sve galaksije rotiraju oko svog centra a zakon gravitacije nalaže da se zvezde bliže centru kreću mnogo brže od onih na periferiji. Slično ponašanje jasno je uočljivo na mnogo manjoj razmeri, kada posmatrate planete Sunčevog sistema. Tako se, na primer, Zemlja kreće oko Sunca brzinom od oko 30 kilometara u sekundi. Jupiter je pet puta udaljeniji ali se zato kreće i mnogo sporije: jedva 13 km/s. Vera Rubin je očekivala da slična zakonitost važi i u galaktičkim razmerama ali su je rezultati merenja demantovali: brzine zvezda bile su takoreći konstantne, zvezde na periferiji galaksije kretale su se praktično identičnom brzinom kao i one neuporedivo bliže centru. Štaviše, periferne zvezde kretale su se tako brzo da bi napustile galaksiju ukoliko ih neka dodatna, nevidljiva masa svojom gravitacijom ne bi držala na okupu. Tamna materija se na velika vrata ponovo vratila u nauku.

Vera Rubin

Tokom narednih godina, Vera Rubin i drugi astronomi pronašli su obilje dokaza da je svet oko nas prepun tamne materije i da galaksije predstavljaju tek vidljiva ostrva u neuporedivo većim oblacima tamne mase koja ih okružuje. Štaviše, pokazalo se da je količina “standardne” materije (materije koju vidimo golim okom sa kojom smo svakodnevno u kontaktu), bar pet puta manja od količine tamne materije koja kao fina paučina, negde gušća, negde ređa, prožima čitav kosmos. Duž niti te paučine raspoređene su sve galaksije, galaktički klasteri i super-klasteri. Čestice tamne materije (koje tek treba da identifikujemo) neprekidno se kreću utičući na kretanje zvezda, formiranje galaksija i drugih kosmičkih mega-struktura. Tamna materija je za kosmos ono što je vazduh za čoveka: nešto nevidljivo ali sveprisutno i esencijalno važno.

Vera Rubin je za svoje otkriće dobila mnoge prestižne američke nagrade ali nikad nije dobila Nobelovu nagradu, iako je izgledalo da je to samo pitanje vremena. Nastavila je da se bavi naukom ali je, kako su godine odmicale, sve više bila okrenuta svojoj velikoj porodici. Rodila je četovoro dece, obdarila ih je pronicljivim, istraživačkim duhom i izvela na put koji je i sama prošla. Danas su sva njena deca ugledni doktori nauka, uspešni u svojim profesijama. Sve dok je imala snage borila se za emancipaciju žena, mnogo njih nikad ne bi počelo da se bavi naukom da nije bilo nepokolebljive Vere Rubin. Na početku karijere, jedva je pronašla fakultet koji je hteo da školuje ženu-astronoma. Ipak, afirmisala se u profesiji gde je, kao žena, bila veoma usamljena. Možda je zbog toga često odbijala da govori na naučnim skupovima gde su svi govornici bili muškarci. Bila je i jedna od prvih žena koja se “usudila” da potraži radno mesto u prestižnoj opservatoriji Palomar u San Dijegu. Ulazak u tu pravu “mušku jazbinu” nije bio nimalo lak: rekli su joj da opservatorija nije dobro mesto za žene jer, eto, ne postoji čak ni ženski toalet. Vera je isekla žensku siluetu od papira, zalepila je na vrata muškog WC-a i rekla: “Sad postoji”. Zadnje godine života provela je boreći se sa demencijom, daleko od očiju javnosti. Umrla je 2016. godine.

Crveni pomak

“Euklid” je, u svojoj suštini, mašina za vrlo precizno merenje “crvenog pomaka”. Kako ovaj pomak nastaje, šta iz njega zaključujemo i čemu on služi? 

Sigurno vam se više puta desilo da pored vas protutnji vozilo hitne pomoći ili policije sa uključenom sirenom. I sigurno ste primetili da se zvuk sirene drastično menja kada vozilo koje vam se približava prođe pored vas i počne da se udaljava. Stvar je u tome da zvuk koji emituje vozilo u pokretu menja frekvenciju: ona je veća kada vam se izvor zvuka približava a manja kada se izvor odaljava. Ovo se odražava na vašu subjektivnu percepciju: zvuk automobila koji vam se primiče uvek je viši u odnosu na zvuk istog automobila koji odmiče. 

Evolucija kosmosa od "Velikog praska" do danas

Ova pojava, poznata kao “Doplerov efekat”, odnosi se na zvuk ali i na svetlosne, elektro-magnetne talase. Kada vam se izvor svetlosti približava, frekvencija svetlosti i energija rastu, boja svetla pomera se ka plavom delu spektra (plavi pomak). Kada se izvor svetlosti udaljava, frekvencija svetlosti i energija opadaju a boja svetla postaje crvenija (crveni pomak). 

Kada su astronomi tokom dvadesetih godina prošlog veka uperili svoje teleskope u nebo, sa iznenađenjem su zaključili da je svetlost praktično svih galaksija pomerena ka crvenom delu spektra. Bio je to dokaz da se sve galaksije međusobno udaljavaju. Ako se trenutno udaljavaju, nekad su morale biti bliže. Vratite se dovoljno u prošlost i stići ćete na sam početak, kada su sve galaksije bile na jednom mestu. Ako su sve već bile na jednom mestu, znači li to da je kosmos započeo svoju evoluciju iz jedne tačke? Tako je iz crvenog pomaka nastala ideja o “Velikom prasku” koja je, vremenom, potopla sve alternativne teorije. 

Danas znamo da se sve galaksije međusobno udaljavaju i ne samo to: merenjem crvenog pomaka ustanovili smo da je brzina udaljavanja svake galaksije proporcionalna njenom rastojanju od nas. Što je veće rastojanje, veća je i brzina udaljavanja. Ovaj (Hablov) zakon omogućava nam da na osnovu izmerenog crvenog pomaka sa priličnom sigurnošću odredimo i rastojanje, čak i kad je ono ekstremno veliko. Što je to rastojanje veće, svetlost galaksija je sve crvenija, toliko “crvena” da se može posmatrati samo teleskopima koji vide crveni i infra-crveni deo spektra, kao što su “Džems Veb” ili “Euklid”. 

Naudaljenije galaksije su, istovremeno, i najstariji objekti u kosmosu koje možemo da posmatramo. Kosmički teleskop je, zapravo, jedino sredstvo pomoću kojeg možemo da iz ovog kutka kosmosa dobacimo do kraja prostora i početka vremena.

Vreme #1697