Trumpa Visatos apžvalga: svarbiausi fizikos dėsniai ir kaip tai veikia

Suprasti fiziką yra gerai dėl daugybės priežasčių. Ja paremtos ne tik mūsų žinios apie namus Saulės planetų sistemoje ir platesnėje visatoje, bet ji yra ir visų mūsų naudojamų technologijų pagrindas. Ji įžiebė pramonės ir elektros revoliucijas, sukurdama modernią visuomenę. Be fizikos nepasiektume interneto, nematytume mėgstamų šou ir ligoninėse nepavyktų gauti svarbių atvaizdų. Ateityje technologijomis galėsime atlikti tai, ką dabar geriausiu atveju laikome moksline fantastika — objektų judinimas jų neliečiant, nematomumas, senatvės išgydymas. Mūsų tolimos ateities palikuonių galimybės atrodys dieviškos, palyginus su tuo, ką galime nuveikti dabar. O dėl eksponentinio technologijų augimo, viso to galima tikėtis per artimiausius 100 metų.

Pabandžiau išdėstyti greitą fizikos pagrindą ir ką tai byloja apie visatą.

Glausta fizikos istorija

Visatoje veikia keturios pagrindinės sąveikos. Nuo stipriausios link silpniausios jos rikiuojasi taip: stiprioji branduolinė, silpnoji branduolinė, elektromagnetinė ir gravitacija.

Gravitacija

Būdamas 23-jų, Isaacas Newtonas sukūrė diferencialinį skaičiavimą tokiu tempu, kokiu jo mokomės mokykloje. Jis taip pat išrado refleksinį teleskopą, kuriuo sekė kometą. Ir dar, be abejo, suteikė mums gravitacijos koncepciją. Tai buvo mūsų pirmasis žingsnis, gliaudant didžiulės ir paslaptingos visatos paslaptis.

Trumpas trijų Niutono dėsnių priminimas:

1. Judantis objektas juda tiesiai ir tolygiai, o nejudantis objektas nepajuda, kol jų nepaveikia išorinė jėga.
2. Jėga lygi masės ir pagreičio sandaugai $(F=ma)$
3. Kiekvieno veiksmo atveju yra tokio pat dydžio, bet priešingos krypties atoveiksmis.

Šie pirmieji dėsniai paskatino pramonės revoliuciją ir taip išaušo naujausieji amžiai. Tačiau buvo ir pora kitų svarbių veikėjų.

Electromagnetizmas

Elektros revoliucija didžiąja dalimi kilo dėl žmogaus, netgi neturėjusio formalaus išsilavinimo. Michaelas Faraday'us elektros savybes demonstravo savo viešose paskaitose. Jis įeidavo į plieninį narvą ir leisdavo  elektrą, parodydamas, kad plienas sukuria barjerą, ir kol barjeras neliečiamas, elektros srovė nieko padaryti negali. Jo dėsnis aprašo, kaip elektra sukuriama magnetinėje aplinkoje. Magnetiniame lauke judančioje vieloje dėl magnetinio lauko stumiamų elektronų atsiranda elektros srovė.

Judantis magnetas sukuria elektrinį lauką, bet teisingas ir atvirkščias teiginys – judantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką. Jie yra vienas ir tas pats, vienas bendras elektromagnetinis laukas.

Pilietinio karo (1861 – 1865) metu Jamesas Maxwellas apskaičiavo tarp magnetinio ir elektrinio lauko osciliuojančios bangos greitį. Bangos, kurioje magnetiniai laukai kurdavo elektrinius laukus, kurie kurdavo magnetinius, kuri kurdavo elektrinius… Šios bangos greitis pasirodė esantis lygus šviesos greičiui. Tiesą sakant, tai ir buvo šviesa!

Stiprioji ir silpnoji branduolinė sąveika

Abi šios jėgos veikia atomų lygmeniu, bet kardinaliai priešingais tikslais. Stiprioji sąveika yra viena iš stipriausių visatos jėgų ir jungia branduolio sudėtines dalis — protonus ir neutronus. Silpnoji sąveika atsakinga už subatominių dalelių skilimą. Ji taip pat pradeda branduolinės sintezės reakcijas, palaikančias žvaigždžių švytėjimą. Dėl silpnosios sąveikos skylant elementams, jie tampa tampa kitais elementais. Pavyzdžiui, 6 protonus ir 8 neutronus branduolyje turinti anglis skyla į azotą, kurio branduolyje yra 7 protonai ir 7 neutronai. Šiuo atveju silpnoji sąveika paveikia neutroną, paversdama jį protonu.

Garsiausia Einšteino formulė

Jūsų masė nėra nekintama. Kuo greičiau judate, tuo sunkesni darotės. Masė yra energija. Tokia yra Einšteino garsiausios formulės $E=mc^2$ esmė arba kad objekto energija lygi masei, padaugintai iš šviesos greičio kvadrato.

Ši formulė kartu su žiniomis apie silpnąją branduolinę sąveiką, padėjo suprasti, kas vyksta žvaigždėse.

Mums pasisekė, kad dabar Saulė, versdama vandenilį heliu, dosniai ir stabiliai tiekia šilumą ir šviesą. Tačiau po kelių milijardų metų taip nebebus. Tuomet Saulė taps tokia karšta, kad išgarins mūsų vandenynus, o dar po kelių milijardų – pavirs raudonąja milžine, kuri bus tokia didelė, kad veikiausiai sudegins visą mūsų planetą. Yra galimybė, nors ir menka, kad Žemei pavyks ištverti raudonosios milžinės karštį. Tačiau tada ji apie baltąja nykštuke virtusią Saulę skries šalia asteroidų žiedo.

Nereikia nė sakyti, kad mūsų rūšies šansai taip ilgai išlikti ir išvysti žvaigždės mirtį, švelniai tariant, neįtikėtinai menki.

Stygų teorija

Tai yra teorija, besistengianti apjungti Einšteino reliatyvumo teoriją su kvantine mechanika. Tai yra, stengiasi tapti paaiškinimu viskam – nuo smulkiausių subatominių dalelių iki didžiausių planetų ir žvaigždžių. Jos esmė – dalelės yra stygos ir skirtingai vibruojančios stygos atitinka skirtingas daleles. Taigi, jos apjungtų visas keturias sąveikas, apie kurias šnekėjome anksčiau.

Einšteino lygtys tampa nebetaikytinomis juodųjų skylių centre ir įvykiams prieš Didįjį Sprogimą – jos neįveikia singuliarumo. Stygų teorija teigia, kad esame ne viena Visata, o tik viena iš nesuskaičiuojamos gausybės multivisatos visatų. O jei tai tiesa, ateityje gali pavykti sukurti kirmgraužas, nuvesiančias į kitas visatas. Gali būtų netgi sukurti laiko mašiną, nors reikėtų neįsivaizduojamai daug energijos.

Tamsiosios energijos ir tamsiosios materijos paslaptis

Nors dabartiniuose fizikos vadovėliuose teigiama, kad visata sudaryta iš atomų, tai nėra tiesa. Didžioji dalis visatos yra tamsi. Tamsioji energija sudaro iki 68% visatos, tamsioji materija sudaro 27% o vadinamoji „normali materija“ — jūs, mes ir visa, ką regime aplink — mažiau nei 5%.

Tamsiosios energijos ir tamsiosios materijos egzistavimą patvirtina jų poveikis mūsų visatai. Pavyzdžiui, tamsioji materija su įprasta, barionine, materija nereaguoja niekaip kitaip, tik gravitaciškai. Ji veikia šešis kartus didesne gravitacija, nei įprasta materija, ir be jos galaktikos negalėtų egzistuoti, nes įprastos medžiagos gravitacija nepajėgtų išlaikyti žvaigždžių galaktikų spiečiuose. Žinome, kad tamsioji materija egzistuoja, nes matome jos išlenktą šviesą – gravitacinį lęšiavimą.

Tamsioji energija verčia visatą plėstis daug sparčiau, nei manėme. Tiesą sakant, manyta, kad galiausiai gravitacija sulėtins ir sustabdys visatos plėtimąsi. Apie tamsiąją energiją težinome, kad ji egzistuoja visur kosmose ir laikui bėgant, stiprėja.

Nobelio premija laukia bet ko, kas paaiškins tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją, ar netgi kodėl iš vis egzistuojame. Taip, iš tiesų mūsų visatos nė neturėtų būti. Esame tik todėl, kad po Didžiojo Sprogimo liko šiek tiek – gal viena dalimi iš milijardo – daugiau materijos, nei antimaterijos. Kas sukėlė tokį disbalansą? Niekas nežino.

Ella Alderson
medium.com