Mokslo ir technologijų pasaulis

Už­fik­suo­ti keis­ti juo­dų­jų be­dug­nių ir to­li­mų su­per­no­vų sig­na­lai ro­do, kad erd­vė­lai­kis yra kaž­kas dau­giau, nei ma­nė Ein­štei­nas

Gyvename neregimame landšafte, kuris, nors ir negalimas pajusti tiesiogiai, apsprendžia viską, ką matome ir veikiame. Visi objektai, nuo planetų, besisukančių aplink Saulę iki raketų skriejančių į Mėnulį ar nerūpestingai ant grindų numesto pieštuko, seka jo nejuntamais kontūrais. Kovojame su jais kaskart žingsniuodami įkalnėn ar kopdami laiptais.

Tai yra erdvėlaikio landšaftas: fizinės visatos audinys, gal net pati realybė. Nors ir nematome jo kalvų ir klonių, jaučiame juos kaip jėgą, kurią vadiname gravitacija. Išvystytas fiziko Hermanno Minkowski'io XX amžiuje ir naudota Alberto Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje, erdvėlaikis tapo viena galingiausių fizikos koncepcijų.

Bet yra viena įkyri problema: niekas nežino, kas tai yra. Einšteinas erdvėlaikį įsivaizdavo kaip idealiai glotnų paviršių, iškraipomą žvaigždžių, planetų ir galaktikų masės, kuriančios gravitaciją. Dabar signalai iš įvairių dangaus kūnų pateikia kitokias užuominas. Jei stebėjimai bus patvirtinti – o jie kontroversiški, – gali paaiškėti, kad tikrovės landšaftas gruoblėtesnis, nei manė Einšteinas. Tai reikštų, kad kalbant apie erdvėlaikį ar gravitaciją, jo žodis nebūtų paskutinis – ir fundamentaliai pakeistų visatos suvokimą.

Prieš Einšteiną manyta, kad erdvė ir laikas yra dvi atskiros visatos savybės. Isaacui Newtonui tai buvo standus kūrimo karkasas ir gal net tam tikras Dievo įsikūnijimas – „sensoriumas“, per kurį Jis stebėdavo pasaulį – gravitacija ir judesiu pasireikšdavo Visagalis. Daugeliui tai atrodė pernelyg tolimas įžirgliojimas į nepažabotos teologijas valdas, ir Newtono religinės interpretacijos buvo greitai nustumtos pašalėn. Bet mažai kas abejojo moksliniu teiginių pagrindu.

Tik XIX a. viduryje paaiškėjo, kad Newtono dinamika negali paaiškinti Merkurijaus orbitinio judėjimo apie Saulę. Einšteino reliatyvumas galėjo, bet tik apjungdamas erdvę ir laiką į vieną matematiškai neatskiriamą visumą, kurioje tai, kas nutinka vienam, paveikia ir kitą: erdvės ir laiko kontinuumą.

Bet nors reliatyvumo matematika labai gerai aprašo erdvėlaikio savybes, apie jo prigimtį nė neužsimena. Tenka ieškoti stebimų užuominų. Visatoje viskas, nuo didžiausių galaktikų iki mažiausios dalelės, nuo blankiausios radijo bangos iki ryškiausio šviesos blyksnio, skendi erdvėlaikyje, tad, reikia manyti, turi kažkaip su juo sąveikauti. Kyla klausimas ar ši sąveika palieka kokius nors pėdsakus, kuriuos galėtume išmatuoti ir interpretuoti ir taip išvysti tikrąjį erdvėlaikio veidą. „Tai gražus klausimas, ir pradedame į jį atsakyti,“ sako Giovanni'is Amelino-Camelia iš La Sapienza universiteto Romoje, Italijoje.

2005-aisiais, atrodė, žvilgtelėjome į atsakymą. Didysis atmosferinis gama spindulių vaizdavimo Čerenkovo teleskopas (MAGIC – the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov telescope) – yra masyvas galingų imtuvų La Palma'oje Ispanijos Kanarų salose, fiksuojančių didžiausios energijos kosminius gama spindulius. Birželio 30-osios naktį, masyvas užfiksavo gama radiacijos pliūpsnį iš milžiniškos juodosios bedugnės, esančios už 500 milijonų š.m. nutolusios Markarian 501 galaktikos centre. Tai nebuvo labai netikėta. Mūsų teorijos numato, kad kaskart kam nors įkritus į juodąją bedugnę, išspinduliuojama radiacija. Bet pakankamai dideli žybsniai, kad būtų užfiksuotos antžeminiais teleskopais, netgi tokiu galingu imtuvu, kaip MAGIC, yra retos, ir Markariano blyksnis iš esmės buvo pirmasis užfiksuotas tokio tipo.

Kvantinės putos

Detali analizė atskleidė kai ką visiškai neįprasto apie blyksnį: atrodo, žemesnės energijos radiacija atskriejo iki 4 minučių anksčiau, nei aukštesnės energijos. Pagal Einšteino reliatyvumą, erdvėlaikis taip elgtis jokiu būdu negali. Reliatyvumo glotniame erdvėlaikyje, bet kokia šviesa skrieja tokiu pačiu greičiu, nepriklausomai nuo jos energijos. Bet efektas visiškai atitiko kitas, konkuruojančias teorijas, kuriomis stengiamasi aprašyti erdvėlaikį kvantų mechanikos terminais – teorijos, visiškai atskiros ir nesuderinamos su bendruoju reliatyvumu, paaiškinančios, kaip veikia viskas, išskyrus gravitaciją.

Kvantų teorijoje niekas nėra statiška ar užtikrinta. Dalelės ir energija gali fluktuoti, atsirasti ir pranykti per trumpiausią laiką. Daug kvantinės gravitacijos teorijų – trokštamų „visko teorijų“ apjungsiančių erdvėlaikio ir gravitacijos aprašymus su kvantų mechanika – teigia, kad kažkas panašaus ir vyksta erdvėlaikyje: jis ne glotnus kontinuumas, o turbulentiška kvantinė puta be aiškiai apibrėžto paviršiaus. Einšteino glotonus peizažas darosi panašesnis į pašiauštą jūros paviršių, per kurį turi brautis dalelės ir spinduliavimas. Mažesnės energijos spinduliavimas, kurio bangų ilgis ilgesnis labiau panėšėtų į jūrų lainerį, skrodžiantį putotą kvantų okeaną be didelių sutrikdymų. Tuo tarpu aukštesnės energijos ir tuo pačiu trumpesnio bangos ilgio šviesa labiau primena mažą kateriuką, pūškuojantį per bangas.

1998 m. Amelino-Camelia ir Johnas Ellisas, tada dirbęs CERN netoli Ženevos, Šveicarijoje, pasiūlė idėją, kad aukštos energijos šviesa iš tolimų, aktyvių galaktikų gali būti panaudota šio efekto patikrinimui. Tolimas atstumas leistų netgi subtiliausiems poveikiams susikaupti į aptinkamą laiko skirtumą. Būtent tai MAGIC ir matė.

Fizikoje reikalai retai būna paprasti ir MAGIC stebėjimai sukėlė gyvą diskusiją. „Tai tapo vos ne miuziklu,“ šypsosi Robertas Wagneris iš Maxo Plancko fizikos instituto Miunchene, Vokietijoje, pirminį stebėjimą atlikusios komandos narys. Kai panašus gama spindulių teleskopas, Didelių energijų stereoskopinė sistema HESS (High Energy Stereoscopic System) įkurta Namibijos plynėse – užfiksavo kitą milžinišką galaktikos blyksnį 2006 liepą, tai buvo puiki proga patikrinti teoriją. Stebėta galaktika PKS 2155-304 yra keturis kartus toliau nuo Žemės nei Markarian 501, tad laiko skirtumas turėjo būti dar didesnis.

Bet… nieko. „Neišvydome nė užuominos laiko skirtumo,“ sako Agnieszka Jacholkowska iš Pierre'o ir Marie Curie universiteto Paryžiuje, Prancūzijoje, viena iš signalą analizuojančios komandos narių. Jei tarsime, kad erdvėlaikis, kas jis bebūtų, yra toks pat visur, tai kelia mintį, kad pirmoji laiko gaištis buvo kažkas būdingo gama spindulių šaltiniui Markarian 501 galaktikoje. Pavyzdžiui, dalelės galėjo būti greitinamos galaktikos centro magnetiniame lauke, dėl ko natūraliai įvyktų žemesnės energijos gama spindulių emisija. Bet kadangi niekas tiksliai nežino, kokie procesai vyksta tamsiose galaktikų širdyse, lieka plati erdvė debatams.

Ir tai tęsėsi iki pernai, kai Žemę pasiekė energingiausi trumpoje stebėjimų istorijoje gama spinduliai.

Tai buvo gama spindulių pliūpsnis (gamma-ray burst – GRB): trumpas, intensyvus radiacijos žybsnis ne iš aktyvios galaktikos centro, bet iš hipergigantiškos žvaigždės sprogios mirties. GRB yra tokie šviesūs, kad dabartiniai teleskopai gali juos stebėti kitame visatos pakraštyje, o tai reiškia, kad jų šviesa erdvėlaikiu keliavo keletą milijardų šviesmečių.

Tačiau netgi tada NASA'os Fermi teleskopu2013 balandžio 27 stebėtas GRB – prozišku pavadinimu GRB130427A – buvo stulbinantis. Jis užliejo Žemę 10 kartų daugiau aukštos energijos gama spindulių, nei įprasti žybsniai, o gama spindulių fotonų energija už regimosios šviesos fotonų buvo didesnė 35 milijardus kartų. Į visame pasaulyje išdėstytas observatorijas buvo automatiškai nusiųsti aliarmo signalai ir per kelias valandas žybsnio vietą stebėjo teleskopų baterija. Vienas iš mokslininkų, gavusių aliarmo signalą, buvo Amelino-Camelia.

Gegužę jis su kolegomis paskelbė dokumentą, kuriame rašoma, kad stebėta šimtų sekundžių gaištis tarp žybsnio žemos ir aukštos energijos gama spindulių (arxiv.org/1305.2626v2). „Skaičiai atitiko labai gerai. Tai yra pirmasis tvirtas tokios savybės įrodymas,“ sako Amelino-Camelia.

Tvirtas, kadangi ne taip, kaip Markarian 501 stebėjimo atveju, buvo įmanoma sulyginti įvairių energijų fotonų užfiksavimo laikus, su numatytais paprasta lygtimi. Šis santykis glosto matematikų akį ir taip pat gali padėti išvysti, kas glūdi už reliatyvumo, jei jis išties sulūžęs: skirtingi kvantinės gravitacijos variantai brėžia skirtingus erdvėlaikio paveikslus ir gali skirtingai veikti šviesą.

Tarkime, stygų teorijoje kvantinis erdvėlaikis yra pynė iš šešių papildomų erdvės matmenų, šalia įprastų trijų erdvės ir vieno laiko. Skirtingų energijų fotonų sklidimas per šį darinį skirsis nuo numatomo kilpinės kvantinės gravitacijos, kitos populiarios teorijos, vaizduojančios erdvėlaikį kaip grandininių laiškų formą, sudarytą iš susipynusių kilpų.

O kol kas Amelino-Camelia uždraudė komandai tirti, kurios iš šių konkuruojančių teorijų, (jei kuri nors iš viso) geriausiai atitinka duomenis. „Kol kas, manau, svarbu atskirti tai, ko norėtume, kad gamta būtų teorijoje ir kokia gamta yra, sprendžiant iš turimų faktų,“ sako jis.

Kitas žingsnis yra pažiūrėti, kokias radiacijos žybsnių signalo vėlavimo prognozes teikia laiko gaišties formulės iš kitų šaltinių. Dokumente Amelino-Camelia ir jo komanda aprašo keturis kitus GRB, kurių elgesys atitiko lygtį, nors ne užtikrintai jos palaikymui.

Kiti tokių įrodymų neranda. Vos po kelių dienų nuo Amelino-Camelia darbo publikavimo, Jacholkowska ir jos kolegos publikavo kitų keturių, ne tokių energingų GRB, stebėtų Fermi teleskopu, analizę. Jie nerado signalo vėlavimo ženklų (arxiv.org/abs/1305.3463).

Jacholkowska'os požiūriu, negalime daryti jokių tvirtų išvadų, kadangi Amelino-Camelia interpretacijoje laikoma, kaip ir Markarian 501 analizėje prieš tai, kad gama spinduliai buvo išspinduliuoti tuo pačiu metu, nepriklausomai nuo jų energijos. Tai visada bus problema, jei interpretacijos remsis vieno šaltinio vienu stebėjimu, pastebi Ellis. „Jei rastumėte efektą kuris panašus dviem atvejais, tada tikrai galima pradėti galvoti, kad kažką radote,“ sako jis.

Reikalus gali paaiškinti testas su neutrinais. Šios vaiduokliškos dalelės skrieja praktiškai šviesos greičiu, beveik su nieko nesąveikaudamos. Bet kadangi jos perneša energiją, tai turėtų sąveikauti su erdvėlaikiu, ir jei Amelino-Camelia yra teisus, jausti nuo energijos priklausomą laiko gaištį – tačiau ją galėtume išmatuoti tik jei rastume pakankamai toli nukeliavusius neutrinus.

Tai visada buvo problema. Branduolinės sintezės reakcijos Saulę daro tokiu didžiuliu neutrinų fabriku, kad jo produkcija nuplauna praktiškai visus signalus, atkeliaujančius iš toliau. Be Saulės neutrinų, vieninteliai kosminės kilmės neutrinai buvo iš supernovos SN1987A – žvaigždės, sprogusios mūsų kosminiame galiniame kieme, Didžiajame Magelano debesyje už 170 000 š.m. Tai vis vien per arti, kad neutrinams pasireikštų išmatuojama gaištis.

Dabar gali būti prieinama rimta pagalba. IceCube yra neutrinų detektorius, užkastas kubiniame kilometre Antarktidos ledo visu pajėgumu ėmęs veikti 2011 m. 2012-ųjų balandį jis rado du neutrinus, nuo kurių mokslininkams ištįso liežuviai. Dėl mokslinio pokšto pavadinti Bert ir Ernie, pagal du TV serialo Sesame Street veikėjus, jie buvo daug energingesni, nei gimstantys Saulėje. Vien dėl šios priežasties, Danas Hooperis iš Fermilab Batavia'oje, Ilinojuje, mano, kad tikėtina, jog jie radosi gama spindulių žybsnio metu. „Nėra daug reiškinių, galinčių vienai dalelei suteikti tiek energijos. Pretendentų sąrašo viršuje – GRB,“ pažymi jis. Visai neseniai IceCube pranešė apie dar 26 neutrinų atradimą, kurių energija galbūt išduoda užgalaktinį šaltinį.

Amelino-Camelia mano radęs dar trejetą ankstesniuose IceCube duomenyse – idealiai atitinkančius kvantinių erdvėlaikio efektų idėją. Jie visi atskriejo iš trijų nepriklausomai patvirtintų GRB krypties – bet jeigu jie iš tiesų susiję su žybsniais, Žemę pasiekė tūkstančiais sekundžių anksčiau už gama spindulius.

Neutrinai iš kolapsuojančios žvaigždės išskrieja anksčiau, nei GRB šviesa, kadangi jie nesąveikauja, tad regimas žybsnis, prieš pasileisdamas į kosminę kelionę, turi prasibrauti per kolapsuojančias dujas. Bet netgi įtraukdamas tai į skaičiavimus, Amelino-Camelia tvirtina, kad didžiulis tarpas tarp neutrinų ir gama spindulių dera su įvairiais jų sąveikos su erdvėlaikiu efektais.

Ellis išlieka skeptiškas. „Kartas nuo karto kas nors šiek tiek susijaudina, bet nemanau, kad yra kokių nors statistiškai patikimų įrodymų,“ sako jis. „Viena iš problemų, kad ekstraordinariems teiginiams reikia ekstraordinaraus įrodymo, tad reikia atlikti kažką išties įtikinančio.“

Tam neišvengiamai reikės didesnių teleskopų, gebančių greičiau užfiksuoti daugiau gama spindulių ir neutrinų. Wagneris dalyvauja grupėje, sudarytoje iš daugiau, nei 1000 tyrėjų iš 23 šalių, siekiančioje pastatyti milžinišką MAGIC ir HESS įpėdinį. Čerenkovo teleskopų masyvas (Cherenkov Telescope Array) būtų 10 kartų jautresnis ir kasmet juo galima būtų stebėti 10 – 20 aktyvių galaktikų žybsnių. Po trijų metų technikos vystymo ir galimos vietos paieškų, su parama, kol kas daugiausia iš Vokietijos, Ispanijos ir JK vyriausybių, komanda dabar ieškos 200 mln.€, reikalingų teleskopo pavertimui realybe.

Ar jis pagaliau atvers mūsų akis į aplink plytintį peizažą? Su projektu susijusieji to tikisi. „Nėra priežasčių būti pesimistiškiems,“ sako Wagneris. Bet kokios erdvėlaikio struktūros atradimas būtų revoliucija, rungtyniaujanti su Einšteino, ir galėtų nurodyti kelią, kai fizikams nesiseka įžvelgti kito žingsnio. „Būtų sunku pervertinti tokio įvykio svarbą,“ pažymi Hooperis.

Stuartas Clarkas yra New Scientist konsultantas ir knygos The Sensorium of God (Polygon), autorius, kurioje vaizduojamos Newtono pastangos, ieškant erdvės ir laiko prasmės

Stuart Clark
New Scientist, № 2950