Kiek sveria gravitacija? Tikrovę keičiantis stulbinamas atsakymas

Už maždaug 384 400 kilometrų nuo Žemės, tyliai sklendžia Mėnulis. Iš tiesų, žinome daugiau: milimetro tikslumu žinome, kur Mėnulis yra, ir kokiu keliu jis skrieja apie mus. Jei norėtume dar didesnio tikslumo, turėtume atsižvelgti į tokias Žemės masės pasiskirstymo subtilybes, kaip pavasarį viename pusrutulyje užaugančių ir kitame nuvystančių lapų masė.

Gravitacijos suformuotas Bendrasis reliatyvumas yra vienas iš įspūdingiausių mūsų rūšies pasiekimų.

Bet yra problema. Bendrasis reliatyvumas nedera su sėkmingiausiu mūsų bandymu suprasti tikrovę – kvantine teorija. O dar visata plečiasi spartėdama, kas prieštarauja traukiamai gravitacijos prigimčiai. Dabartinis mūsų turimas pasaulio vaizdas leidžia mums numatyti Mėnulio judėjimą, bet kalbai pasisukus apie platesnį kosmosą, kažko ima trūkti.

Mano pastangos tai išsiaiškinti iškėlė klausimą, ar masę turi pati gravitacija. Fizikai ginčijasi dėl to ne vieną dešimtmetį. Dabar su kolegomis aptikome intriguojantį atsakymą, galintį suteikti aiškesnį gravitacijos vaizdą. Jei esame teisūs, tada ši paslaptingiausia iš sąveikų ne tik turi masę, bet ir to įrodymai margina visą kosmosą.

Viena iš įstabiausių gravitacijos savybių, yra tai, kad jos veikimas – priešingai nei visų kitų žinomų sąveikų, tarkime, elektromagnetizmo – yra visuotinis. Pirmasis tai maždaug 1590 metais pastebėjo Galilėjus. Mėtė jis skirtingos masės daiktus nuo pasvirusio Pizos bokšto, ar ne, užtikrintai pasakyti negalime, tačiau tai nesutrukdė jam suprasti, kad Žemės gravitacija taip pat veikia visus ir viską. Iš tiesų, jei nebūtų oro pasipriešinimo, vienu metu paleidus plaktuką ir plunksną, ant žemės jie nukristų vienu metu. Šis eksperimentas buvo atliktas Mėnulyje, kur nėra oro pasipriešinimo, ir parodyta, kad Galilėjus buvo teisus.

Po šimtmečio šis visuotinumas buvo Izaoko Niutono visuotinės traukos dėsnių centre. Remdamiesi būtent šiais dėsniais ir galime neįtikėtinai tiksliai prognozuoti Mėnulio ir kitų planetų judėjimą. Remdamiesi Niutono dėsniais, Mėnulio orbitą galime apskaičiuoti 10 centimetrų tikslumu, o Einšteino pataisymai tikslumą dar gerokai padidina.

Bet yra vienas, gilų nerimą keliantis, konceptualus Niutono dėsnių aspektas. Tai – Niutono padaryta prielaida, kad gravitacija veikia iš karto. Kad būtų aiškiau, kodėl tai turėtų neraminti, įsivaizduokime, kad dingo Saulė. Remiantis Niutonu, Saulės gravitacijos trūkumą pajustume iškart, tad, net Žemei skriejant įprasta orbita, dar maždaug 8 minutes ir 20 sekundžių regėtume pradingusios mūsų žvaigždės šviesą. Šis mintinio eksperimento rezultatas kertasi su mūsų supratimu, kad keliauti greičiau už šviesą negali niekas, netgi gravitacija.

Ši maksima priklauso Einšteinui. Jis parodė, kad Niutono dėsniai paaiškina gravitaciją tik tada, kai judama daug mažesniu greičiu nei šviesa vakuume. Jis suformulavo bendrąjį reliatyvumą kaip išsamų gravitacijos paveikslą. Ir jis lieka geriausiu mūsų bandymu.

Tad, kaip gravitacija veikia? Jei Niutono teorija šio klausimo praktiškai nenagrinėja, tai Einšteino atsakymas mūsų supratimą apie tikrovę transformavo. Bendrasis reliatyvumas erdvę ir laiką piešia kaip vienį – erdvėlaikį, išlinkstantį ir prisitaikantį prie visko, kas jame vyksta. Objektų judėjimą veikiant gravitacijai galima paaiškinti lankstaus realybės audinio nelygumais.

Jei tai sunku įsivaizduoti, štai analogija. Jei kada teko skristi tolimu maršrutu, galėjote pramoginiuose ekranuose rodomame žemėlapyje pastebėti, kad skrydžio trajektorija atrodo kaip lankas, o ne tiesė. Tačiau tai yra iliuzija. Pilotai skrenda tiesiai, o išlinkę yra Žemės paviršius, todėl dvimačiame ekrane išlinkusi atrodo skrydžio trajektorija. Bendrasis reliatyvumas planetų šokį aiškina panašiai. Jos atrodo skriejančios elipsinėmis orbitomis, tačiau iš tiesų juda tiesiai per išlinkusį erdvėlaikį.

Ši keistai skambanti teorija buvo pirmoji iš dviejų XX amžiaus fizikos revoliucijų. Antroji, kvantinė teorija, buvo, ko gero, dar reikšmingesnė. Kvantinė teorija nagrinėja smulkiausius gamtos aspektus ir parodo, kad šis pasaulis nė iš tolo neprimena to, kuriame leidžiame dienas. Kvantinėje teorijoje beprasmiška kalbėti apie konkrečioje vietoje esančias daleles, jos egzistuoja tik kaip ūkanotas tikimybių debesis. Skamba keistai, tačiau žinome taip užtikrintai, kaip tik įmanoma moksle, kad taip iš tiesų yra.

„Šios „vaiduokliškos“ dalelės sukeltų netvarką, kaip mat sujaukdamos visą visatos surėdymą”

Todėl kvantinės teorijos teiginius apie jėgas domėn imti verta. Iš esmė kalbama apie kvantinius laukus, galinčius formuoti bangas ir sklisti per erdvę. Pasirodo, tas bangas taip pat sėkmingai galima vertinti kaip daleles. Tas pasakytina ir apie pačią šviesą. Kalbėdami apie šviesą, fizikai kartais kalba apie bangas elektromagnetiniame lauke, o kartais – fotonus apibūdina kaip elektromagnetinę sąveiką pernešančias daleles – bozonus.

Kvantinė teorija iš esmės teigia, kad visos fundamentalios sąveikos turi savo kvantinį lauką ir jame veikiantį vieną (ar daugiau) bozonų (žr. „Bozono gysla”). Be to, pagal ją, bozono masė yra atvirkščiai proporcinga jėgos veikimo atstumui. Todėl rimties masės neturinčių fotonų fotonų veikimo spindulys yra begalinis. Būtent todėl galime matyti kitoje visatos pusėje esančių žvaigždžių išspinduliuotą šviesą. Jeigu sąveiką perneša sunkesni bozonai, jų veikimo nuotolis bus ribotas.

Užbaigtos kvantinės gravitacijos teorijos dar nėra, tačiau yra įtikimų įrodymų, kad ši jėga privalo tilpti į kvantinį rūbą. Tai reiškia, kad erdvėlaikis yra kvantinis laukas ir kad bangas jame taip pat galima vertinti kaip bozonus. Tą dalelę vadiname gravitonu.

Ilka & Franz/Getty Images

Užtikrintai nežinome, ar gravitonai egzistuoja, bet visi ženklai tai rodo. Tarkime, 2015 metais LIGO sandarbio atrastos gravitacinės bangos. Tai patvirtino, kad gravitacinis laukas gali vibruoti taip pat, kaip ir elektromagnetinis. Tačiau šios bangos jokio kvantinio elgesio nerodo, tad negali būti tiesioginiu gravitonų įrodymu, tačiau itin primygtinai apie juos užsimena.

Šiokį tokį supratimą apie gravitonus turime. Gravitacija kosminiais mastais sklinda kaip šviesa, tad gravitonai privalo būti bemasiai arba labai lengvi. O kuris variantas tikrasis? Šis, regis, nekaltas klausimas yra svarbus, nes atsakymas į jį atskleis gravitacijos elgesį didžiausiais atstumais ir kokiu greičiu gravitacija sklinda. Jei gravitonai masės neturi, tada matematika rodo, kad ji privalo sklisti šviesos greičiu. Tačiau, jei masę jie turi, tada gali sklisti ir kitais greičiais.

Fizikai šį klausimą nagrinėjo daug metų, bet ginčas nutilo suvokus, kad problema yra pati masyvaus gravitono idėja. Pasirodo, kad jeigu gravitono masė nėra nulinė, jis iškart gali būti įvarus, įgauti skirtingas kvantines savybes. Fizikams bandant šiuos įvairius gravitonų tipus aprašyti, paaiškėjo, kad tada neįmanoma išvengti „vaiduoklio“: dalelės su neigiama energija.

Šie vaiduokliai sukeltų sumaištį. Jų niekas nesustabdytų nuo sąveikos su įprastomis dalelėmis, kas sukeltų grandininę reakciją, kuri kaip mat ištrintų visatos tvarką. Kadangi to nenutiko, vadinasi, vaiduokliai egzistuoti negali, taigi, gravitonai masės turėti irgi negali.

Papildomi matmenys

Bent jau taip ilgai buvo tvirtinama. Kai su savo vyru Andrew Tolley, dirbančiu su manimi ICL, ir Gregory Gabadadze iš Niujorko universiteto, subūrėme komandą, šiam teiginiui prieštarauti jokiu būdu neketinau. Mus domino visiškai kita problema. Visatos plėtimasis greitėja daug lėčiau, nei būtų galima tikėtis, sujungus kvantinės teorijos prognozes su bendruoju reliatyvumu. Siekėme ištirti, ar galėtų pusiausvyrą sugrąžinti kosminiu masteliu besiskiriantys dėsniai. Tai buvo galima atlikti dvejopai: pasitelkiant papildomus matmenis arba leidžiant gravitonui turėti masę. Pamanėme, kad papildomi matmenys – gerokai labiau tikėtinas kelias.

Atradome kai ką įstabaus. Žaidžiant su bendrojo reliatyvumo modeliais, kuriuose yra papildomi matmenys, paaiškėjo, kad įmanoma turėti masyvius gravitonus be jokių vaiduoklių. Tai nebuvo tikrą visatą galintis apibūdinti modelis, tačiau jis parodė, kad masyvi gravitacija nėra tokia visiškai neįmanoma, kaip visad manėme. O persijungę vėl prie mąstymo apie keturmatę erdvę, suradome būdą, kaip galima būtų aprašyti masyvius gravitonus taip, kad jie bėdas nešančių vaiduoklių nesukurtų. Tai yra pirmoji nuosekli, tvirta masyvios gravitacijos teorija.

Jei esame teisūs, ir gravitonai rimties masę turi, tai galėtų pakeisti mūsų mąstymą apie gravitacijos veikimą. Tai paveiktų visus procesus, nuo ankstyvos visatos raidos iki planetų judėjimo ir kosmoso lemties. Net Mėnulio orbita neliktų tokia pati: tarp jo ir Žemė būtų mažutėlaitė papildoma trauka, pakeičianti palydovo orbitą maždaug po nanometrą per mėnesį.

„Po visatą turėtų visą laiką sklisti gravitacinės vaivorykštės”

Žymesnis būtų poveikis gravitacinių bangų greičiui. Tarkime, susiduria dvi juodosios bedugnės, tokios masyvios, kad sukuria aptinkamas bangas erdvėlaikyje – tokias, kurias aptiko LIGO. Jei gravitonai turi masę, tada šios bangos neprivalo keliauti šviesos greičiu vakuume. Gali įvykti tai, kas nutinka, baltą šviesą sudarantiems skirtingo dažnio šviesos spinduliams skirtingai lūžtant lietaus laše – vaivorykštė. „Gravitacinės vaivorykštės“ nebūtų spalvotos, bet jei gravitonai turi masę, jie turėtų visą laiką sklisti po visatą. Nė viena LIGO detektoriumi užfiksuota gravitacinė banga jokių buvimo vaivorykštės dalimi ženklų neparodė, bet tai nereiškia, kad nepamatysime būsimais detektoriais.

Man patinka galvoti apie gravitaciją kaip apie mus visus jungiančią jėgą. Kaskart pažvelgus į ją giliau, atsiskleidžia naujas ir netikėtas sudėtingos ir fundamentalios struktūros. Niutono dėsniai gražūs savo paprastumu. Einšteino teorija perrašė mūsų prielaidas apie laiką ir erdvę. Dabar vykstančios kvantinės gravitacijos paieškos veda link naujo fundamentalių dalelių supratimo. Tu pačiu, įmanoma, kad sulauksime pirmų įžvalgų apie gravitonus. Žinoma, ši pažanga senesnių teorijų nepaneigia – tik fundamentaliau apibūdina gamtą.

Nepaisant to, ar esame teisūs dėl gravitonų, ar ne, fizika išties žengia į naują erą, kai gravitaciją suprantame geriau, nei bet kada. Tik palyginkime, ką žinome apie, atrodytų neįžvelgiamą gravitoną su žiniomis apie nuolat į mūsų akis plūstančius fotonus. Jau dabar gravitacinių bangų matavimai nustatė gravitonų masės ribas tiksliau, nei fotonų. Nors gravitonai tokie paslaptingi, tai yra vienas iš rodiklių, kur juos pažįstame geriau už pačią šviesą.