Nepaisant šių prielaidų radikalumo, šie du suvienytosios teorijos kandidatai daugeliu atvejų yra konservatyviausi dabartinių modelių plėtiniai: abiejose bandoma išsaugoti kuo daugiau KM ir BRT teorinio pagrindimo.

„Nedaug žmonių nori tikėti, kad realybė neturi vieno, darnaus pagrindo”

O kokios labai ezoterinės idėjos, tarkime, vykstančio žaidimo taisyklių pakeitimas? Pavyzdžiui, jei BRT vėl atskirtų erdvę ir laiką, užuot sulipdžiusi į erdvėlaikį, galėtų atsirasti šiek tiek erdvės manevrams. Bet reliatyvumas ir kvantų mechanika savo sferose taip gerai dera su realybe, kad tokį triuką būtų velniškai sunku atlikti. Nedaug fizikų svarsto dar radikalesnę galimybę: kad KM ir BRT negali būti suvienyti, ir realybė neturi vieno, darnaus pagrindo.

Pirmą BRT šimtmetį visos šios galimybės buvo teorinės. Bet dabar technologijos galiausiai baigia prisivyti. Nepaisant liberalaus gravitonų naudojimo skaičiavimuose, jų egzistavimo tiesiogiai kol kas neaptikome. Tokie gravitacinių bangų eksperimentai kaip Advanced LIGO Louisiana'os ir Washingtono valstijose, bei siūlomas eLISA kosminis zondas, tikėtina, šią spragą užpildys (žr. „Trūkstama dėlionės detalė“) – ir gal leis giliau suprasti tikrąjį gravitacijos veikimą.

Einšteino liudijimai danguje

Kosminio mikrobangų fono (KMF) tyrimai pateikė neprilygstamai tikslų kosmoso paveikslą – bet jame yra tamsių spektrų

Prieš keletą metų ėmiau interviu iš kosmologės, pretenduojančios į stipendiją tyrinėti kosminį mikrobangų foną. Paklausiau, kokie jos manymu bus didžiausi pasiekimai per ateinančius kelis metus. Jos atsakymas: praktiškai jokių; bendras vaizdas daugiau mažiau aiškus ir apdulkėjęs.

Gali atrodyti, kad ji, nelyginant, šovė sau kojon. Atsitiktinai prieš 50 metų atrastas KMF, Didžiojo sprogimo atšvaitas, tikriausiai yra didingiausias BRT visatos modelio triumfas. Jis buvo aptiktas kaip nepaaiškinamas šnypštimas antenoje, pastatytoje antžeminės mikrobangų komunikacijos eksperimentams. Nuo tada KMF tyrimai pateikė įtikinamus įrodymus, kad mūsiškė visata prasidėjo nuo karšto, tankaus taško ir nuo tada vis plečiasi, išlaisvindamas radiaciją tada, kai atvėso pakankamai, kad galėtų susiformuoi pirmieji atomai.

KMF tyrimai leido mums aprašyti visatos pradžią CERNo LHC dalelių greitintuvu ar bet kokiu įmanomu jo įpėdiniu nepasiekiamų energijų lygiu. Antžeminiai eksperimentai ir vėlesnės kosminė misijos, tokios, kaip WMAP ir Planck palydovai, panaudojo šią radiaciją visatos geometrijos matavimams dar neregėtu tikslumu ir suteikė kol kas tiksliausią jos amžiaus įvertinimą – 13,8 mlrd metų. Jie taip pat paaiškino stulbinančius faktus, pirmiausia užfiksuotus galaktikų ir tolimų supernovų sukimosi tyrimuose, kad didžiosios dalies kosminės medžiagos mes negalime matyti: tamsioji materija ir tamsioji energija.

Tačiau man patiko kandidatės užtikrintumas, ir ji gavo darbą. Nors tikimės padidinti jau atliktų matavimų tikslumą ir tamsiosios materijos bei tamsiosios energijos paslaptys lieka, bendras BRT visatos vaizdas išties jau baigtas. Pernelyg daug stebėjimų sutampa pernelyg gerai, kad vis tai būtų kortų namelis.

Dabar vykstantys nuodugnūs galaktikų ir jų pasiskirstymo tyrimai padės užpildyti spragas ir nušvies tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos įtaką visatos raidai. Bet iš paties KMF galima išpešti dar daug detalių. Mūsų labiausiai tikėtinas ankstyvosios visatos aprašymas sako, kad joje vyko spartėjančio plėtimosi periodas, dar vadinamas infliacija, mikroskopines kvantines fluktuacijas ištempusi iki astronominių mastų. Remiantis BRT, dėl šio įvykio erdvėlaikiu turėjo pasklisti raibuliai. 2014 m. pradžioje, Pietų ašigalyje vykstantis BICEP2 eksperimentas jau, atrodė, rado šias pirmines gravitacijos bangas – nors patikrinus skrupulingiau, pasirodė, kad stebėtą efektą sukėlė mūsų pačių galaktikos poveikis. Gravitacinių bangų paieškos tęsiasi KMF ir kitur (žr. „Trūkstama dėlionės detalė“).

Iki šiol tyrėme KMF veikiau kaip tolimo protėvio portretą, stengdamiesi jame įžvelgti bruožus, dėl kurių jis atrodo taip, kaip atrodo. Bet jis gali padėti nušviesti dabartį ar, bent jau kalbant kosmologiniais matais, labai neseną praeitį – ir taip parodyti mūsų visatos formavimo gravitacija subtilybes.

„Jei būtų įrodyta, kad bendrasis reliatyvumas yra klaidingas, tai būtų tikra revoliucija”

Tarkime, link mūsų sklindančio KMF spinduliavimo gravitacinis lęšiavimas – efektas, kurį Arthuras Eddingtonas panaudojo pateikti pirmąjį bendrojo reliatyvumo teorijos įrodymą 1919 metais. KMF fotonus nukreips ir mūsų regimą vaizdą šiek tiek paveiks didelio masto materijos pasiskirstymo visatoje sukelti erdvėlaikio linkiai. Lęšiavimo matavimai Planck zondu patvirtino, kad visatos plėtimasis dėl tamsiosios energijos poveikio išties spartėja.

Dar daugiau tikslių iškraipyto KMF matavimų turėtų leisti nustatyti tamsiosios materijos, panašu, sudarančios daugiau nei 80% kiekvienos galaktikos masės, pasiskirstymą. Taip atsivertų naujas langas, per kurį galėtume išsiaiškinti, kaip susiformavo „kosminio tinklo“ sudėtingi užpildai, sienos, spiečiai ir tuštumos, nesukdami galvos dėl normalios materijos sąveikų.

Didžiausias išbandymas

Iškraipymai, atsirandantys, kai KMF fotonus išsklaido jų kelyje esantys galaktikų spiečiai, leis išmatuoti šių spiečių judėjimo greitį, ir kaip greitai jie gravitaciškai kolapsuoja, siurbiami į tankesnes formas dėl tamsiosios materijos įtakos. Taip atsiranda naujas būdas išbandyti BRT prognozes. Nors teorija itin kruopščiai patikrinta Saulės sistemoje ir neutroninių žvaigždžių orbitose, ji dar nebuvo tikrinta milijardų šviesmečių masteliu.

Tikriausiai saugu spėti, kad bendrasis reliatyvumas visatą aprašo teisingai ir kosmologiniu masteliu, todėl glumina randami tamsūs spektrai. Jei kada nors būtų parodyta, kad bendrasis reliatyvumas yra klaidingas, tai būtų tikra revoliucija. Tai iškeltų tamsiosios energijos, kaip pastarųjų erų visatos plėtimosi varomosios jėgos klausimą. Bet tai priverstų ir išsiaiškinti, kokius principus turėtume atmesti, kad gautume gravitacijos aprašą, kuris kosminiu masteliu skirtųsi nuo mūsų naudojamo jau 100 metų. Tai klausimas, į kurį atsakyti kol kas ryžtasi labai nedaug kas.

Trūkstamos dėlionės detalės

Gravitacinės bangos yra paskutinioji nepatvirtinta neįtikėtinai sėkmingos Einšteino teorijos prognozė – o kas, jeigu jų taip ir nerasime?

Einšteinas numatė daug reiškinių, dažnai remdamasis vien genialiais mintiniais eksperimentais apversdamas tikrovę aukštyn kojom. Beveik taip pat dažnai ja nepavykdavo susitaikyti su rezultatais.

Būtent toks buvo gravitacinių bangų atvejis. Ir nors galiausiai Einšteinas sutiko, kad tokios erdvėlaikio osciliacijos gali egzistuoti, jos lieka vieninteliu dar nepatvirtintu bendrosios reliatyvumo teorijos spėjimu. Neseniai pradėjo veikti naujausias ir geriausias specialiai jų radimui skirtas detektorius. Jei neko nėra, kažkas yra yra labai ne taip. „Tai būtų visiškai paslaptinga,“ sako Alessandra Buonanno iš Maxo Plancko Gravitacinės fizikos instituto Potsdame, Vokietijoje. „Negalime jų nematyti.“

BRT teigia, kad dėl materijos poveikio erdvėlaikis išlinksta. Didelei masei greitėjant, šis išlinkimas turėtų kisti. To rezultatas – raibuliai erdvėlaikyje, sklindantys šviesos greičiu, visai kaip elektromagnetinės bangos, atsirandančios iš greitėjančio elektros krūvio.

Tik ne visai taip pat: kitaip, nei elektromagnetinės bangos, sklindančios erdvėlaikiu, gravitacinės bangos yra paties erdvėlaikio susispaudimai ir išsiplėtimai. Kadangi gravitacija nepalyginamai silpnesnė už elektromagnetinę sąveiką, jos bangos taip pat yra labai mažos.

Todėl gravitacinių bangų skaičiavimai yra gan keblūs. Einšteinas iškart suprato, kad BRT lygčių sprendiniai turėjo bangos formą ir 1918 metais išvedė formulę, pagal kurią galėjo įvertinti, kiek energijos tokios bangos gali pernešti. Bet jis bangas laikė nefizinėmis ir pagrindinės BRT formulės yra tokios nepaklusnios, kad kontroversija ar formulė yra tinkama netgi teoretiškai, truko kelis dešimtmečius.

„Su gravitacinėmis bangomis galėtume žvilgtelėti atgal, gal netgi iki Didžiojo sprogimo”

Net jei teisinga, formulė rodė, kad tik patys masyviausi visatos objektai galėtų sukurti aptinkamą signalą: pavyzdžiui, dvi juodosios bedugnės ar tango šokančios neutroninės žvaigždės. Įprasta gravitacinė banga, sklisdama per Žemę, iškreiptų aplinkinius objektus mažiau, nei viena milijardine trilijonosios dalies dalimi. Tokių mažų poslinkių aptikimas primintų atstumo tarp Žemės ir Saulės išmatavimą atomo branduolio spindulio tikslumu.

Pamojuokite sėkmei

Tik po Einšteino mirties gravitacinės bangos buvo plačiai pripažintos. Eksperimentatoriai kruopščiai kūrė detektorius, iš pradžių, didelius pakabintus cilindrus, kurios turėjo stumtelėti praeinanti banga. Septintojo dešimtmečio gale, JAV fizikas Joseph Weber pirmasis paskelbė jas išvydęs. Vėliau buvo pateikta dar daugiau nei tuzinas panašių pareiškimų, be nei vienas neišlaikė skrupulingo patikrinimo.

Tokiam teoretikui, kaip Buonanno, nesugebėjimas užfiksuoti gravitacinių bangų tiesiogiai yra akademinis reikalas: jau turime daugybę netiesioginių įrodymų, kad jos egzistuoja. 1974 m. astronomas Russellas Hulse'as ir Josephas Tayloras atrado dvinarį pulsarą – besisukančią porą neutroninių žvaigždžių, spinduliuojančių radijo bangas tiksliais intervalais – ir pradėjo sekti jų sukimosi spartą. Iki dešimtojo dešimtmečio pradžios jie parodė, kad šios žvaigždės praranda energiją tiksliai tokiu tempu, kokį numatė Einšteinas, jeigu jos spinduliuotų gravitacines bangas. Nuo tada dar keletas panašių dvinarių sistemų tyrimų patvirtino tokį požiūrį.

Stebėjimai gali būti nepatikimi: gal koks keistas astrofizikinis procesas verčia mus manyti, kad dvinarės žvaigždės lėtėja, sako teoretikas B. S. Sathyaprakash iš Cardiffo universiteto JK. O gal gravitacinės bangos skleidžiamos taip kaip manoma, tačiau nepasiekia mūsų. Bet šiuo atveju „nelengva sugalvoti teoriją, kur vienas dalykas vyktų, o kitas nebe, sako Sathyaprakash.

Alternatyvių įrodymų paieška tęsiasi. Pulsarų laiko masyvai yra gan naujas metodas. Išmatuojamas tikslus radiobangų atskriejimo laikas iš greitai besisukančių dvinarių. Jei erdvėlaikis virptelėtų, turėtume išvysti būdingą radijo signalą – tokį, kokį medžioja Tarptautinis pulsarų laiko masyvas (International Pulsar Timing Array), pasaulinis radioteleskopų tinklas.

Pažangus lazerinė interferometrinė gravitacinių bangų observatorija (Advanced LIGO), kuri buvo įjungta praeitą mėnesį po penkis metus trukusio ankstesnio detektoriaus atnaujinimo, naudoja betarpiškesnį metodą. Juo lazerio spinduliai keliauja pirmyn ir atgal kilometrinėmis detektoriaus atšakomis, taip ieškodami iškraipymų, kuriuos sukelia gravitacinės bangos. Jo detektoriai Louisiana'oje ir Washingtono valstijoje bus sinchronizuoti su instrumentais Vokietijoje (GEO600), Italijoje (VIRGO) ir Japonijoje (KAGRA).

Advanced LIGO yra 10 kartų jautresnis už senuosius detektorius ir gali skenuoti daugiau nei tūkstantį kartų didesnę erdvę. Tai reiškia praktiškai garantuotą sėkmę, tiki Jamesas Hough iš Glasgow universiteto, JK: „Aš asmeniškai tikiu, kad naujaisiais detektoriai bus atliktas atradimas.“

Bet tai priklauso nuo to ar bus pakankamai Žemėje aptinkamų gravitacinių bangų šaltinių. Remiantis astrofizikiniais modeliais, tikėtinas metinis „įvykio dažnis“ yra nuo mažiau už 1 iki daugiau nei 200. Norint garantuoti aptikimą, reikia pakilti į kosmosą, sako Hough. Europos kosmoso agentūros lazerinis interferometras (Evolved Laser Interferometer Space Antenna – eLISA) turėtų atlikti būtent tai. Jo skrydis planuojamas ketvirtojo dešimtmečio viduryje, jo trys detektoriai suformuos milijono kilometrų kraštinės trikampį. LISA Pathfinder, zondas, kuriuo bus išbandyta ši technologija, turėtų būti paleistas kitą mėnesį.

eLISA turėtų būti apipilta signalais netgi iš silpniausių šaltinių, ir tai bus „viskas arba nieko“ bandymas. „Turėtume palaukti, kol eLISA neišvys gravitacinių bangų iš gerai nustatytų dvinarių sistemų, kad galėtume užtikrintai sakyti, kad bendroji reliatyvumo teorija klaidinga,“ sako Hough.

Gravitacinių bangų užfiksavimas būtų ne tik dar vienas Einšteino teorijos patvirtinimas, bet ir naujas astronomijos tipas, naudojantis gravitacines bangas pažvelgti daug toliau į visatos praeitį, nei įmanoma, naudojant šviesą – gal net iki pat Didžiojo sprogimo. Taip pat galėtume tapti liudininkais juodųjų bedugnių gimimo ir kitų procesų, kurių išsiaiškinimui kitu atveju būtų reikalinga ilgai ieškota kvantinė gravitacijos teorija. Laukdami erdvėlaikio rūko išsisklaidymo, Hough su bendradarbiais jau planuoja patobulinti turimus interferometrus ir naujas instrumentų kartas.

Jei nieko nepamatysime, pasekmės bus labai rimtos, ir ne tik bendrajai reliatyvumo teorijai. Gravitacinės bangos išties yra subtilios pasekmės Einšteino 1905 metais paskelbtos specialiosios reliatyvumo teorijos (SRT), kur jos užkerta kelią gravitacinės įtakos sklidimui erdvėlaikiu begaliniu greičiu. SRT prielaidos taip pat buvo inkorporuotos ir kitur, pavyzdžiui, kvantų lauko teorijose, aprašančiose kitas gamtos sąveikas. „Jei nepavyks aptikti gravitacinių bangų iš šaltinio, kuris, esame tikri, turi būti pasiekiamas, tai būtų didžiulis smūgis ne tik bendrajai reliatyvumo teorijai, bet ir daugeliui jos alternatyvų,“ sako Sathyaprakash.

* Gravitacinės bangos jau atrastos. Plačiau apie tai, kas jos yra ir su kuo valgomos, paskaitykite čia