Mokslo ir technologijų pasaulis

Plokščias pasaulis, daugybė matmenų, banguojanti erdvė… Kokių tik keistenybių nesugalvoja mokslininkai, aiškindami pasaulio dėsnius.

turinys

1. Žemė apvali, Visata plokščia
2. Kadaise Visata buvo mažesnė už atomą
3. Visatos pagrindas – sunki neregima materija iš nežinomų dalelių

4. Erdvė siūbuoja, kaip želė
5. 11 matmenų, branos ir stygos

Dvi vieno mėnesio naujienos: „Visata neturėtų egzistuoti“ ir „Pagaliau rasta pusė Visatos medžiagos“. Jei esate pratę, kad mokslas į klausimus atsako aiškiai ir iš esmės, tai matant po dvi tokias naujienas per mėnesį, kosmologija darosi panaši į, atsiprašant, astrologiją. Negana to, kad mokslininkai pametė pusę Visatos, – kam nepasitaiko, paskui juk surado, – tai dar jie ir neužtikrinti, kad Visata išvis gali egzistuoti.

Tad, ką užtikrintai žinome apie kosmosą ir, svarbiausia, iš kur žinome? Pabandėme surinkti kelis pagrindinius faktus apie pasaulio sandarą, kurie atrodo kaip iš dangaus nukritę ir paaiškinti, kaip kosmologai visa tai išsiaiškino.

Žemė apvali, Visata plokščia

Kosmoso formos klausimas atrodo beprasmis – štai jis, kosmosas, spigina į mus žvaigždėmis iš visų pusių. Fizikams tai nėra svarus argumentas: nuo Einšteino laikų žinoma, kad gravitacija erdvę iškreipia, tad ir mūsų Visatos forma gali būti gan keista.

Reliatyvumo teorijoje įmanomi keli scenarijai, neprieštaraujantys niekam, ką mokslininkai spėjo aptikti iki ⁠XX amžiaus vidurio. Pagal vieną scenarijų, lygiagrečios tiesės mūsų Visatoje gali susikirsti, pagal kitą – išsiskirti be galo toli viena nuo kitos. (Šiuo atveju erdvė, kurioje veikia mums įprasti dėsniai, o lygiagrečios tiesės nesusikerta ir nenutolsta, yra „plokščia“). O būtent, Visata galėtų būti baigtinė ir uždara.

Žodį „galėtų“ reikėtų suprasti taip, kad iš vidaus gyvenimas būtų lygiai toks pat – kaip futbolo aikštė atrodo idealiai plokščia, nors Žemė yra rutulys. Išlenktoje Visatoje ir žvaigždės šviestų iš visų pusių ir geležinkelio bėgiai į Mebijaus juostą nesusisuktų. Visi šie efektai pasireikštų tik milijardų šviesmečių atstumu. Viena iš neįprastų gyvenimo uždarame kosmose pasekmių būtų, pavyzdžiui, tai, kad danguje regėtume daug vienos ir tos pačios galaktikos pėdsakų. Kaip smūginė banga nuo termobranduolinio sprogimo Naujosios Žemės archipelage gali apskrieti Žemę tris kartus ir tris kartus sudrebinti langų stiklus, taip ir, tarkime, Andromedos ūko skleidžiama šviesa, apskriejusi uždarą Visatą kartą ar du, galėtų atsklisti iki mūsų, tad regėtume iš karto tris galaktikos egzempliorius: jauną, seną, ir dar senesnę. (Tiesa, astronomai tokio reiškinio nematė nė karto.)

Kaip galima sužinoti, pasaulis plokščias ar kreivas? Pačioje Visatos jaunystėje, kai ji buvo daug tankessnė ir kupina karštos švytinčios plazmos, kreivumas būtų turėjęs pasireikšti stipriau. Mokslininkai turi savotišką Visatos kūdikystės nuotrauką, kai nuo Didžiojo sprogimo tebuvo praėję 380 tūkstančių metų – tai reliktinis spinduliavimas, tos pačios senovinės plazmos švytėjimas, atsklindantis iš visų dangaus taškų ir per daugiau nei 13 milijardų metų pavirtęs mikrobangomis. Senosios plazmos vaizdalapyje mokslininkai žymėjo šimtųjų procento dalių temperatūros skirtumus – ir pagal dėmių šiame vaizdalapyje dydį astrofizikai sugebėjo įvertinti Visatos išlinkimo laipsnį.

90 procentų tikslumu įrodyti, kad Visata plokščia („plokštumo“ apibrėžimą žr. aukščiau) pavyko tik 2000 metais BOOMERanG eksperimentu: reliktini spinduliavimo vaizdalapį NASA sudarė, oro balionais leisdama prietaisus į stratosferą. 2006 metais už reliktinio spinduliavimo stebėjimus palydovu buvo įteikta Nobelio premija Johnui C. Matheriui ir George'ui Smootui. Naujausi patikslinti duomenys – dabar paklaida mažiau nei pusė procento – gauti kosminiu zondu Planck, ir jie publikuoti vos prieš pusantrų metų.

Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, Visata kinta: jis visą laiką plečiasi ir vėsta. Septintajame dešimtmetyje atradus reliktinį spinduliavimą, ši hipotezė nustojo būti tiesiog „dar viena hipoteze“ ir konkuruoti su idėja, kad kosmosas pastovus ir nekintamas. Astronomai mato kaip galaktikos skrieja viena nuo kitos ir kaip tos, kurias matome visai jaunas, nepanašios į dabartines – bendrai, to pakanka, kad Didžiuoju sprogimu būtų galima neabejoti.

Naujas ir svarbus teorijos patikslinimas susijęs su tuo, kas būtent sprogo. Patikslinimas vadinamas kosminės infliacijos teorija. Ji teigia, kad pirmuoju laiko momentu Visata buvo mažesnė už atomo branduolį ir net mažiausią šiuolaikinės fizikos atstumą – „Planko ilgį“ – tai yra milijoninę milijardinės milijardinės milijardinės centimetro dalies (1,61622837×10⁻³⁵ m). Sprogstamas augimas visam laikui atskyrė gigantiškas kosmines struktūras vieną nuo kitos.

Galaktikos, kurias regime priešingose dangaus pusėse, negali apsikeisti jokiais signalais, tad, ir kaip nors viena kitą paveikti: jos tolsta greičiau už besiplečiančioje erdvėje sklindančią šviesą (savaime suprantama, matematiniai skaičiavimai akivaizdžiai rodo, kad jokio paradokso čia nėra ir reliatyvumo teorija, draudžianti konkrečiam taškui judėti greičiau už šviesą, nepažeidžiamas). Lygiai taip pat yra galaktikos (ir kosmoso sritys, kuriose jos yra), egzistuojančios už mūsų regimos Visatos ribų, todėl mes apie jas niekada nesužinosime.

Infliacijos eksperimentinių įrodymų aktyviai ieškoma. Ir 2014 metais BICEP2 eksperimentu, tyrinėjančiu reliktinio spinduliavimo ypatumus, netgi beveik rado, tačiau paaiškėjo, kad galimą signalą slopina galaktinių dulkių triukšmas.

Savo ruožtu kosmologai sako, kad pagrindinis infliacijos įrodymas – pati Visata, kuri, nepaisant dabartinio jos dydžio, visomis kryptimis atrodo daugmaž vienodai. Nes jeigu skirtingos jos sritys niekaip ir niekada negalėjo viena kitos paveikti, jos homogeniškumo paaiškinti kokiu nors kitokiu – lėtesniu – plėtimusi nepavyksta.

Tie patys reliktinio spinduliavimo (t.y. netrukus po DS Visatą užpildžiusios plazmos vaizdo) tyrimai leidžia sužinoti, kuo užpildytas kosmosas. Kalbant supaprastintai, plazmoje konkuruoja dvi jėgos: gravitacija, traukianti atskiras medžiagos dalis vieną prie kitos, ir šviesos slėgis, stumiantis materiją išorėn. Tačiau tam, kad išvystume tokį vaizdelį, kokį mato astronomai, reikia tarti, kad didžioji Visatos užpildo dalis pakluso tik gravitacijos jėgoms, o šviesos slėgis (ar bet kokio kito spinduliavimo), jo neveikia. Pasirodo, kad tokios paslaptingos materijos penkis kartus daugiau, nei „įprastos“, iš kurios sudaryti visi objektai, kuriuos galime pamatyti ar paliesti.

Ši paslaptingoji masė vadinama tamsiąja materija. Apie jos egzistavimą astronomai sužinojo jau septintajame dešimtmetyje: stebėdami galaktikas, suprato, kad žvaigždes nuo išsilakstymo į visas puses laiko galaktikoje paslėptas masyvus skeletas iš neregimos medžiagos, savo trauka ir priverčiantis šviesulius suktis tokiu greičiu aplink masės centrą. Iki šio amžiaus pradžios paaiškėjo, kad jokia fizikams žinoma dalelė tokių griaučių sudaryti negali: astronomai daug laiko sugaišo, atmetinėdami netinkamas hipotezes. Pavyzdžiui, buvo spėjama, kad iš tikrųjų „tamsioji materija“ – kokios nors laisvai klajojančios juodosios skylės. Tačiau buvo įrodyta, kad jeigu šios juodosios skylės pakankamai didelės, jos paveiktų tarpžvaigždinėje erdvėje esančias dujas, priversdamos jas švytėti skirtinguose diapazonuose ir prietaisai šį efektą būtinai užfiksuotų. O pačias daleles, iš kurių galėtų būti sudaryta tamsioji materija, bandoma sukurti Didžiajame hadronų greitintuve – nors galutinio rezultato dar nėra, tačiau kiekvienas eksperimentas patikslina teorinius modelius.

Gravitacinės bangas, už kurias skyrė Nobelio premiją fizikos srityje, numatė dar A. Einšteinas 1916 metais. Jei gravitacija gali išlenkti erdvę kaip gumą, tai įvairūs galingi kosminiai kataklizmai gali ją sudrebinti – priversti susispausti ir išsiplėsti. Per Žemę sklindanti gravitacinė banga atstumą tarp bet kurių objektų iš pradžių kiek padidina, o paskui šiek tiek sumažina. Jokia liniuote tokių atstumų išmatuoti nepavyktų – atstumų pokyčiai yra 1/10 000 atomo branduolio skersmens dydžio eilės.

Pirmasis kataklizmas, kurio sukeltas gravitacines bangas pavyko užfiksuoti – dviejų juodųjų skylių susiliejimą 2015 metais: jos tapo viena nauja juodąja skyle, kurios masė keliomis Saulės masėmis mažesnė už dviejų atskirų juodųjų skylių masę – ir visas šis masės defektas virto per Visatą nuvilnijusių gravitacinių bangų energija. 2017 metais, kone kartu su Nobelio premijos paskelbimu, mokslininkai pranešė išmokę registruoti ir kitokias – kylančias iš neutroninių žvaigždžių susiliejimo – gravitacines bangas.

Kaip tokius dalykus iš viso įmanoma stebėti? Mokslininkai tai atlieka interferometru – prietaisu, kuriame šviesos tarp veidrodžių spindulys sklinda ilgu koridoriumi (LIGO interferometro, kuriame buvo atliktas atradimas, šis koridorius – keturių kilometrų ilgio betoninis vamzdis), ir fiksuojamas šviesos įveikiamo kelio ilgis. Per gravitacinių bangų sklidimo laiką šviesa spėja atstumą tarp veidrodžių įveikti tūkstančius kartų – bendras efektas jau juntamas.

Ką dar – be to, kad gravitacinės bangos išties egzistuoja – mokslininkai iš tokių erdvės susispaudimų gali sužinoti? Pavyzdžiui, išvysti kuo įvairiausios kataklizmus, tokius, kaip „drebėjimus“ neutroninėse žvaigždėse, kur cukraus gabalėlio dydžio medžiagos porcija sveria tiek, kiek Everesto kalnas. Kiekvieno gravitacines bangas galinčio sukurti kosminio įvykio pėdsakas – silpnų ir stiprių gravitacinių bangų seka, kurią teoretikai galėjo apskaičiuoti iš anksto – unikalus. Interferometrais Žemėje galima užfiksuoti tik kelių svyravimų per sekundę dažnio gravitacines bangas, tačiau galima stebėti pulsarus, kurie veikia kaip kosminiai tikslaus laiko kosminiai signalai: jie siunčia radijo bangų diapazono signalus tiksliai žinomais intervalais. Jeigu su signalais kažkas nutiktų, tai reikš, kad be gravitacinių bangų čia neapsieita.

Be tvirtai žinomų faktų, fizikams netrūksta ir daugybės hipotezių, geriau aiškinančių jau žinomus dalykus. Tarkime, stygų teorija visą elementariųjų dalelių zoologijos sodą – mezonus, elektronus, neutrinus, neutronus, higsonus, viršutinius kvarkus ir visus kitus – paaiškina paprastu principu: visos jos – itin plonų ir masyvių vienmačių stygų vibracijos daugiamatėje erdvėje, kur matmenų 11 arba 26. Papildomų išmatavimų nematome nes jie „suvynioti“.

Įmanomi ir „išvynioti“, tačiau mums nepasiekiami išmatavimai: kosmologai rimtai nagrinėja idėją, kad Visata – nelyginant plona plėvelė (arba „brana“), ištempta aukštesnio matmens erdvėje. Aplink gali būti pilna paralelių Visatų – tokių pat plonų plėvelių – tačiau viena kitą jos gali veikti tik gravitacija. O kiti signalai už plėvelės – branos – ribų sklisti negali.

Šios hipotezės nuo ankstesnių sąrašo punktų skiriasi tuo, kad kol kas netgi nėra sugalvota, kaip ją būtų galima patvirtinti ar paneigti. Tarkime, stygų teorijos tiesiogiai eksperimentais patikrinti negalima: tam reikėtų milijardus kartų didesnės energijos, nei suteikiama dalelėms LHC. Tiesa, ir ankstesni punktai – pradedant nuo Žemės apvalumo idėjos – kadaise irgi atrodė pernelyg abstrakčios, antgamtiškos ir nepatikrinamos.

Ką paskaityti ir pažiūrėti

• Harvardo astrofizikos profesorės Lisa'os Randall knygoje Warped Passages (angl.) – paprastas ir 500 puslapių trumpumo įvadas į slaptų matmenų, branų, stygų ir elementariųjų dalelių fiziką kosmose.
• Astrofiziko B. Šterno lekcijoje „Visatos tyrimų proveržiai ir akligatviai“ (ru.) per valandą glaustai apžvelgiama šiuolaikinės astrofizikos ir kosmologijos padėtis. Tinka perskaičiusiems vieną dvi gerą mokslo populiarinimo knygą apie juodąsias skyles ir Didįjį sprogimą, o dabar norintiems smulkiau sužinoti, kaip burbuliukų pavidalo visatos gimsta iš erdvėlaikio putų.
• Rogerio Penrose'o knyga „The Road to Reality“ (angl.). Jeigu antro kurso studento lygio matematika negąsdina, bet suprantate, kad apie kvantinę gravitaciją savo universiteto programoje nieko negirdėjote, Hawkingo bendraautorius ir neegzistuojančių geometrinių figūrų išradėjas pasistengė būtent dėl jūsų. Jis parašė pilną formulių 1200 puslapių knygą, kur sudėtingumas auga palengva: prasideda viskas Pitagoro teorema, o baigiasi supersimetrijos teorija ir šešiamatėmis Calabi–Yau erdvėmis.
• TED lekcijoje „What it takes to do extreme astrophysics“ (angl.) – mokslo žurnalistas Anilas Ananthaswamy'is pasakoja, kaip praktiškai atrodo Visatos sandarą tiriantys astrofizikų ir kosmologų eksperimentai. Antarktidoje NASA dvi tonas prietaisų gigantišku helio balionu iškelia į 40 km aukštį, tamsiosios materijos dalelių medžiotojai bandymus atlieka kilometrinio gylio apleistose šachtose, į Baikalo ežerą gramzdina rutulių grandines, kurios tamsaus vandens storymėje tiria retus neutrinų sukeltus blykstelėjimus.

B. Kozlovsky
Colta.ru skilties „Mokslas“ redaktorius
republic.ru

▲
turinys