Hrvatski|English

Institut za kozmologiju i filozofiju prirode

Institute for Cosmology and Philosophy of Nature

Fizika Svemira

Znanstveno istraživanje Svemira ne znači naprosto istraživanje fizikalnih sustava van Zemlje, već upravo istraživanje Kozmosa kao svega što jest, kao i povezanosti među svime što postoji. U skladu s time, fizika Svemira predstavlja najopćenitiji i najfascinantniji front teorijske fizike kao i konačni test granica našeg znanja i naših teorija: od najvećih skala na kojima vlada gravitacija, preko srednjih skala astrofizike, pa do kvantnih skala i njihove povezanosti s makroskopskim skalama u okvirima kozmoloških istraživanja prošlosti Svemira. Upravo fizika Svemira postavlja danas najteža i najdublja teorijska pitanja (ujedinjenje gravitacije i kvantne teorije, priroda tamne materije i tamne energije), tjerajući nas da razvijamo nove teorije te nam omogućavajući da neprestano provjeravamo postojeće teorije, krijući trenutno pritom od nas mnoštvo još neotkrivenih pojava. Institut za kozmologiju i filozofiju prirode istraživanje fizike Svemira provodi radom na tri povezana područja:

Fizikalna kozmologija

Fizikalna kozmologija nastoji opisati Svemir kao cjelinu te shvatiti njegovu evoluciju i postanak, koristeći pritom matematički opis prirodnih pojava te koncepte teorijske fizike. Standardni kozmološki model utemeljen na općoj teoriji relativnosti vodi ne samo na nužno rušenje fizikalnih jednadžbi u nekom trenutku prošlosti Svemira (tzv. singularnost Velikog praska), već otvara i čitav niz trenutno nerazjašnjenih pitanja i problema: kao što su problem prirode tamne energije, problem tamne materije, problem horizonta te novi problem nekonzistentnosti u vrijednostima Hubblovog parametra. Ovi se problemi često pokušavaju riješiti dodavanjem novih dodataka i parametara u teoriju, često uz izostanak bilo kakve teorijske motivacije – pritom uvelike podsječajući na umjetno dodavanje novih epicikli u geocentričnom sustavu kako bi se on održao.

Projektna orijentacija Instituta za kozmologiju i filozofiju prirode temelji se na potrebi rada na stvaranju nove paradigme kao alternative standardnom kozmološkom modelu, pri tome se rukovodeći potrebom sinteze kvantne fizike i opće teorije relativnosti. Od posebnog interesa u tom smislu je rad na izgradnji teorije cikličkog Svemira kao alternative paradigmi o početku Svemira u Velikom prasku, te pokušavanje razješnjavanja svih otvorenih temeljnih pitanja kozmologije u okviru ove alternative. Budući da ciklički Svemir zahtijeva postojanje učinaka koji prelaze okvire klasične opće teorije relativnosti, ovo istraživanje je usko povezano s istraživanjima iz područja fizike gravitacije usmjerenima prema pronalaženju kvantne teorije gravitacije.

Visoke energetske skale ranijih perioda razvoja Svemira posebno su zanimljive i za proučavanje odnosa gravitacije i elektromagnetizma te potencijalnih kvantnih učinaka koji bi mogli dovesti do njihove modifikacije i manifestacije njihovih skrivenih povezanosti, što također predstavlja jedno od područja istraživanja Instituta.

Fizika gravitacije

Jedinstveni status gravitacije kao pojave proizlazi prvo iz njezinog beskonačnog dosega i činjenice da se radi o univerzalnoj interakciji među svim oblicima materije, za čije je postojanje jedino nužno postojanje mase. Važnost gravitacije dodatno je istaknuta u općoj teoriji relativnosti gdje fizika gravitacije zapravo postaje fizika samog prostora i vremena – onoga što predstavlja temelj opisa stvarnosti u svim drugim oblicima interakcija i teorija. Međutim, radikalni novi uvidi o građi prostor-vremena opće teorije relativnosti još se uvijek nisu uspješno ujedinili s principima druge najveće teorije fizike – kvantne mehanike. Uz to, još uvijek nije poznato niti koji put vodi prema ujedinjenu ove dvije teorije. Usprkos svim dosadašnjim eksperimentalnim uspjesima opće teorije relativnosti znamo da ona ne može biti potpuna teorija budući da je njezin opis klasično-deterministički, a ne kvantno-mehanički. Štoviše, da bi opća teorija relativnosti ispravno opisivala Svemir koji opažamo potrebno je - potpuno nemotivirano - uvesti još uvijek neobjašnjene parametre tamne materije i tamne energije. Čini se da sve upućuje na to kako su svi ovi problemi međusobno povezani. Uz ovu, postoji i druga – često ignorirana – strana ovog problema: kvantna fizika ostaje na starom shvaćanju ne-dinamičkog prostora i vremena te interakcija kao sila, koje je opća teorija relativnosti nadišla. Stoga se opravdano postavlja pitanje: može li se omogućiti da se kvantne teorije polja razviju i obogate shvaćanjima prostor-vremena opće teorije relativnosti; ili, rečeno drugačije, mogu li se one približiti geometrijskom opisu?

Ne pretendirajući na mogućnost rješavanja ovog teškog problema u jednom koraku, Institut za kozmologiju i filozofiju prirode posebnu pažnju usmjerava na pitanje efektivnog rada na približavanju teoriji kvantne gravitacije uz rješavanje problema tamne energije i tamne materije. Pri tome su od posebnog značaja diskusije o mogućim opažačkim posljedicama i novim pojavama koje bi se mogle manifestirati u režimima koji se približavaju kvantno-gravitacijskom opisu. Kao jedan od prvih koraka u tom smjeru važno područje istraživanja predstavljaju modificirane teorije gravitacije - kao oblici matematičkih poopćenja opće teorije relativnosti – te izučavanje njihovih posljedica.

Visokoenergijska astrofizika

Astrofizika u prvom redu predstavlja znanstvenu disciplinu kojoj je cilj razumijevanje prirode svemirskih fenomena i objekata pri tom koristeći koncepte i spoznaje „zemaljske” fizike. U drugom redu, astrofizika donosi nesaglediv i bogat izvor materijala i uvida u, za „zemaljsku” fiziku, ekstremne sustave koji su neophodni za napredak fundamentalnoga znanja, uspostavljajući potrebu za univerzalnim shvaćanjem onog bliskog - „zemaljskog” i onog nedostupnog, ili teško dostupnog - „nebeskog”. Time astrofizika predstavlja omiljeno izletište teorijske fizike gdje ona redovito nalazi inspiraciju, ali i provjerava svoje hipoteze.

Fokusirajući se na fenomene i objekte koji emitiraju zračenja i/ili materiju visokih energija, visokoenergijska astrofizika se razvila kao zasebna pod-disciplina astrofizike. Upravo ona proučava sustave od iznimne važnosti za daljnji napredak teorijske fizike i ostvarivanje njezine težnje za dubljim uvidom u građu materije, ali i unifikacijom još uvijek razdvojenih područja opće teorije relativnosti i kvantne mehanike. Burni procesi u zvijezdama, kompaktni objekti ekstremnih masa, supernove i njihovi ostaci, međuzvjezdani prostor ispunjen zračenjem, magnetskim poljima, poznatom i možda nepoznatom materijom... sve su to predmeti proučavanja visokoenergijske astrofizike koji zahtijevaju pristupe i koncepte nedokučive zemaljskim laboratorijima.

Znanstveni radovi

  • Simulating the Galactic Multi-messenger Emissions with HERMES. Andrej Dundovic, Carmelo Evoli, Daniele Gaggero, Dario Grasso. e-Print: 2105.13165 [astro-ph.HE]. A&A 653, A18 (2021)
  • Dynamic properties of cyclic cosmologies. Petar Pavlović, Marko Sossich. e-Print: 2009.03625 [gr-qc]. Phys.Rev.D 103 (2021) 2, 023529
  • Novel aspects of cosmic ray diffusion in synthetic magnetic turbulence. Andrej Dundovic, Oreste Pezzi, Pasquale Blasi, Carmelo Evoli, William H. Matthaeus. e-Print: 2007.09142 [astro-ph.HE]. Phys.Rev.D 102 (2020) 10, 103016
  • Influence of the Vacuum Polarization Effect on the Motion of Charged Particles in the Magnetic Field around a Schwarzschild Black Hole. Petar Pavlović, Andrey Saveliev, Marko Sossich. e-Print: 1908.01888 [gr-qc]. Phys.Rev.D 100 (2019) 8, 084033
  • Anisotropies of Ultra-high Energy Cosmic Rays Dominated by a Single Source in the Presence of Deflections. Andrej Dundović, Günter Sigl. e-Print: 1710.05517 [astro-ph.HE]. JCAP 01 (2019), 018
  • Effect of vacuum polarization on the magnetic fields around a Schwarzschild black hole. Petar Pavlović, Marko Sossich. e-Print: 1809.06054 [gr-qc]. Phys.Rev.D 99 (2019) 2, 024011
  • On minimal energy states of chiral MHD turbulence. Petar Pavlović, Günter Sigl. e-Print: 1806.06447 [hep-th]. JCAP 04 (2019), 055
  • Magnetogenesis in Cyclical Universe. Natacha Leite, Petar Pavlović. e-Print: 1805.06036 [gr-qc]. Class.Quant.Grav. 35 (2018) 21, 215005
  • The Effects of Running Gravitational Coupling On Rotating Black Holes. Sumarna Haroon, Mubasher Jamil, Kai Lin, Petar Pavlovic, Marko Sossich et al. e-Print: 1712.08762 [gr-qc]. Eur.Phys.J.C 78 (2018), 519
  • Cyclic cosmology in modified gravity. Petar Pavlovic, Marko Sossich. e-Print: 1701.03657 [gr-qc]. Phys.Rev.D 95 (2017) 10, 103519
  • Chiral Magnetohydrodynamic Turbulence. Petar Pavlović, Natacha Leite, Günter Sigl. e-Print: 1612.07382 [astro-ph.CO]. Phys.Rev.D 96 (2017) 2, 023504
  • Propagation of ultrahigh energy cosmic rays in extragalactic magnetic fields: a view from cosmological simulations. Stefan Hackstein, Franco Vazza, Marcus Brüggen, Guenter Sigl, Andrej Dundovic. e-Print: 1607.08872 [astro-ph.CO]. Mon.Not.Roy.Astron.Soc. 462 (2016) 4, 3660-3671
  • Cosmological wormholes in f(R) theories of gravity. Sebastian Bahamonde, Mubasher Jamil, Petar Pavlovic, Marko Sossich. e-Print: 1606.05295 [gr-qc]. Phys.Rev.D 94 (2016) 4, 044041
  • CRPropa 3 - a Public Astrophysical Simulation Framework for Propagating Extraterrestrial Ultra-High Energy Particles. Rafael Alves Batista, Andrej Dundovic, Martin Erdmann, Karl-Heinz Kampert, Daniel Kuempel, et al. e-Print: 1603.07142 [astro-ph.IM]. JCAP 05 (2016), 038
  • Modified Magnetohydrodynamics Around the Electroweak Transition. Petar Pavlović, Natacha Leite, Günter Sigl. e-Print: 1602.08419 [astro-ph.CO]. JCAP 06 (2016), 044
  • Wormholes in viable f(R) modified theories of gravity and Weak Energy Condition. Petar Pavlovic, Marko Sossich. e-Print: 1406.2509 [gr-qc]. Eur.Phys.J.C 75 (2015), 117