Mokslo ir technologijų pasaulis

Tai yra svarbiausia mokslo užduotis – suprasti viską, kas egzistuoja. Bet kuo labiau artėjame link šio tikslo, tuo tolesnis jis atrodo. Ar kada galėsime sučiupti tikrąją realybės prigimtį?

Mums, žmonėms, realybė kelia problemų. Jaučiame ją nuolat, bet apibrėžti jos nepavyksta, nekalbant jau apie supratimą.

Ji atrodo tokia solidi, tačiau pažvelgus arčiau, išskysta kaip miražas. Nežinome, kada ji prasidėjo, kokio dydžio yra, iš kur radosi ir kurlink juda ir jau tikrai neturime žalio supratimo, kodėl ji egzistuoja.

Kaip bebūtų, siekis suprasti tikrovę atrodo mums labai natūralus, ir šioje srityje nemenkai nuveikėme. Tai, kas anksčiau buvo aiškinama dieviška kūryba, dabar yra mokslo tyrimo objektas. Per pastaruosius maždaug 200 nulupome daug realybės sluoksnių, net jei ne viską iš to ką pamatėme, suprantame.

Šiaip jau paslaptis tik pagilėjo. Dabar lygiai užtikrintai galime teigti, kad tikrovė visiškai priklauso nuo subjektyvaus patyrimo, ar kad visiškai nepriklauso. Tikrovė dar niekada neatrodė tokia nereali.

Pasinerkime į naujausias idėjas apie tikrovę, nuo mūsų pačių kasdienių potyrių iki fundamentalios fizikos, siekiančios aprašyti tikrąją kosmoso prigimtį. Nuo šių idėjų gali apsvaigti galva, bet nėra puikesnio iššūkio protui, nei bandymas suvokti visko prasmę.

Tai kas gi toji realybė?

Iš tiesų realybė yra didelė ir labai neaiški koncepcija. Abstraktus būdas pasakyti „viskas, kas yra“. Tai labai daug apimanti sąvoka: erdvę, laiką, materiją, energiją, jėgas, sąmonę, netgi abstrakčias idėjas. Neaišku net, nuo ko pradėti?

Nobelio premijos laureatas fizikas Richardas Feynmanas kartą apibūdino bandymą suprasti tikrovę kaip šachmatų žaidimo stebėjimą, nežinant žaidimo taisyklių. Stebėdami žaidimą, pamažu perprantame figūrų reikšmes ir kaip jos juda.

Maždaug XX amžiaus viduryje fizikai manė bent jau identifikavę žaidimo pagrindus: daleles ir kvantinius laukus. Dalelės sudaro materiją ir energiją, o kvantiniai laukai atsako už sąveikas, pavyzdžiui elektromagnetizmą, apibrėžiančias jų sąveiką. Žaidimo taisykles apibrėžė kvantų teorija.

Šis standartinis modelis ištvėrė laiko išbandymus. Paskutinės trūkstamos jo dalies, Higgso bozono, atradimas patvirtino, kad jis bent jau teisingame kelyje.

Ir jis lyg ir atitinka vieną filosofinį realybės apibrėžimą: kas egzistuoja, ir ką tai daro? Pasak mokslo filosofo Tim Maudlin iš Niujorko universiteto, jei atsakėte į šiuos du klausimus, iš esmės perkandote realybės problemą.

Bet standartinis modelis toli gražu nepateikia išsamaus atsakymo. Jame neaptariama daug dalykų, kurie, kaip yra įsitikinę fizikai, yra tikri, tik dar neaprašyti, tokie, kaip tamsioji materija ir tamsioji energija. O ir svarbią mūsų realybės pajutimo dalį lemiančios jėgos, gravitacijos, jis neaprašo. Nors labai tikėtasi, kad Didysis hadronų greitintuvas atradus Higgso bozoną pateiks bent kokių išsamesnės teorijos užuominų, kol kas nieko nerodo.

Tai nereiškia, kad nesuprantame gravitacijos. Bendroji realiatyvumo teorija elegantiškai vaizduoja ją kaip erdvėlaikio deformaciją. Tik bėda, kad kvantinė teorija ir bendrasis reliatyvumas nežaidžia pagal tas pačias taisykles. Panašu, lyg vienas žaistų šachmatais, o kitas – nardais. Kvantinėje teorijoje realybė sudaryta iš mažų, nedalomų gabalėlių, o reliatyvume ji tolygi ir netrūki. Todėl nesuprantame situacijų, kur kartu veikia gravitacija ir kvantinė teorija, tarkime, juodosiose bedugnėse, Didžiajame sprogime ar mažos dalelės gravitaciniuose laukuose.

Tad, didžiausias tikrovės tikrovės tyrimų iššūkis yra rasti būdą suvienyti kvantinę teoriją ir bendrąjį reliatyvumą. „Visos šios dalys prieštarauja kitai,“ sako Carlo Rovelli iš Aix-Marseille universiteto Prancūzijoje. „Taigi, reikia ne tik sulipinti šias dalis. Ieškome darnaus mąstymo, remdamiesi tuo, ką žinome.“

 

„Kalbant apie visko teoriją, kurioje viskas dera, nematau ženklų, kad būtume arti – jokių”

Žinoma, pasirinkimų yra, ir Rovelli pradėta kilpinė kvantinė gravitacija, kurioje erdvėlaikis nėra tolygus, o sudarytas iš mažų kilpų, nėra prasta. Yra ir senoji geroji stygų teorija. Joje visos dalelės ir jėgos yra septyniose ar daugiau dimensijų besitęsiančios vienmatės stygos taškai. Tiek kilpinė kvantinė gravitacija, tiek ir stygų teorija stengiasi išspręsti kai kuriuos gravitacijos ir kvantinių efektų paaiškinimų nesuderinamumus, bet abi turi savų problemų. Konkrečiai, remiantis stygų teorija, galima gauti ganėtinai netikėtų tikrovės interpretacijų, tokių, kaip multivisatos (žr. „Ar tikrovė visur tokia pati?“) ir „holografinis principas”, pagal kurį trimatė erdvė iš tiesų yra savotiška projekcija ant dvimačio paviršiaus.

Kur yra atsakymai?

Viena iš naujesnių fizikos teoretikų žvalgomų krypčių yra susietumas, kvantinis fenomenas, kuomet dvi dalelės gali veikti viena kitą netgi būdamos labai toli viena nuo kitos. Neseniai buvo parodyta, kad susietumas gali apibrėžti erdvės geometriją: kuo stipresnis susietumas, tuo labiau išlenkta erdvė. Kai kurie fizikai teigia, kad tai rodo kvantinę mechaninę erdvėlaikio prigimtį. Tokiu atveju kvantinė mechaniką tikrovę aprašo fundamentaliau, ir joje turėtume rasti atsakymus kas egzistuoja ir ką tai daro.

Toks mąstymas gali netgi suteikti visai kitą realybės perspektyvą. Gal toks redukcionistinis požiūris, skverbiantis vis gilyn, ieškant dar fundamentalesnių sluoksnių, pasiekė ribą. Kai kurie fizikai sako, kad reikia atitraukti žvilgsnį nuo nepagaunamos „tikros“ realybės prigimties paieškų ir susitelkti į modelius, apibūdinančius įvairius stebimus fizikos reiškinius.

„Mes modeliuojame,“ sako de Rham. „Mūsų įvykių interpretacija nebūtinai turi būti tai, kas vyksta iš tiesų.“

Tačiau gan retai svarstoma, kokiu tikslumu modeliai turėtų paaiškinti realybę. Kai kuriuose, tarkime, bendrojo reliatyvumo, paimami žinomi gamtos dydžiai – pavyzdžiui, planetos pozicija – ir numatoma, kas nutiks. Kvantinėje teorijoje naudojama kitokia filosofija – būsimiems rezultatams priskiriamos tikimybės.

Bet tai nėra vieninteliai realybės paaiškinimo metodai. Prisiminkime daug senesnę fizikos šaką: termodinamiką, mokslą apie karštį, darbą ir galią. Ji nesiekia apibrėžti fundamentaliosios daiktų prigimties, tačiau nurodo, kas gali įvykti, o kas ne. Pavyzdžiui, ji teigia, kad suplakto kiaušino negalima „atplakti“ ir kad energijos neįmanoma sukurti ar sunaikinti.

Kai kurie fizikai aiškinasi, ar toks požiūris galėtų padėti mums pasistūmėti priekin. Pavyzdžiui, konstruktoriaus teorija kyla iš idėjos, kad realybės esmė yra informacija, ir nustato, kas įmanoma ir kas – ne. Ji dar nauja, bet jau pateikė prognozes tokioms aplinkybėms, kuriose kitos teorijos bejėgės, tokiose, kaip kvantinių dalelių elgesys gravitaciniame lauke.

Kitas lygis

Ką visa tai reiškia? Mūsų supratimas apie žaidimo taisykles, tarkime taip, nėra tvirtas, bet pažanga yra, net jei ir ne visai tokia, kokios tikėjomės. „Jei klaustumėte, ar yra šansas išvysti kitą aiškaus supratimo lygį, tada taip, manau, tai pasiekiama,“ sako Rovelli. Nors kažin ar tai būtų galutinis žodis. Rovelli mano, kad tai tiesiog atskleis daugiau mūsų supratimo spragų. „Kalbant apie visko teoriją, kurioje viskas dera, nematau ženklų, kad būtume arti – jokių”, apibendrina jis.

Netgi nėra aišku, ar realybę gali suvokti mūsų smegenys (žr. „Ar galime suvokti tikrovę? ”). Šimpanzės yra protingos, tačiau kvantinės teorijos suprasti negalėtų, ar suprasti, kam jos iš viso reikia. Panašiai gali būti kokia nors fundamentali žmogaus proto riba, neleidžianti išvysti viso vaizdo – nors gal vieną dieną superprotingos mašinos tai galės atlikti.

Kaip tikrovė prasidėjo?

Nors realybės iki galo nesuprantame – ir gal niekad nesuprasime, – klausti apie jos atsiradimą nedraudžiama. Nieko keisto, kad atsakyti į šį klausimą toli gražu nėra lengva. Reikia klausti žmonių, iš to valgančių duoną. Jie nesutaria dėl daug ko, išskyrus vieną dalyką – tai sunkus klausimas. „Mūsų situacija sunki,“ guodžiasi Daniele Oriti iš Max Planck gravitacinės fizikos instituto Vokietijoje. „Esame kaip žuvelės tvenkinyje, besistengiančios perprasti jo padėtį.“

Įprasta tvenkinio pradžios istorija yra didysis sprogimas. Pagal šį scenarijų, visata prieš 13,8 milijardų metų atsirado iš nieko, sukeldama nuo tol nesibaigiantį plėtimąsi. Toks vaizdas gerai atitinka visus turimus duomenis – tokius, kaip tebesitęsiantis visatos plėtimasis – bet dar nėra visuotinai pripažintas.

Tai neturėtų stebinti, atsimenant nesuprantamą didžiojo sprogimo teorijos esmę: kaip iš nieko gali rastis visata. Kita svarbi kliūtis yra momentas po visatos atsiradimo, kai ji visa tilpo begalinio tankio ir temperatūros taške. „Nėra jokios teorijos, kuri apibūdintų tokią ultrakarštą ir ultratankią visatą,“ sako Anna Ijjas, irgi iš Max Planck gravitacijos fizikos instituto. Tad, mūsų žinios apie šiuos pirmuosius momentus tebėra funadmentaliai nepilnos.

Šias spragas gali užpildyti geresnės teorijos. Arba gali jas visai panaikinti, parodydamos, kad erdvės ir laiko pradžios visai nėra. Toks paaiškinimas Ijjasai – arčiausiai širdies. Ji sako, kad mūsų visatos pradžia sutapo su ankstesnės visatos pabaiga. Įsivaizduokite tai kaip smėlio laikrodį, kurio pusės sujungtos neįtikėtinai siauru kakleliu. Pagal šį modelį visatos spindulys buvo 10⁻²⁵ cm, daugiau nei milijardą kartų mažesnis už elektrono spindulį [2,8·10⁻¹⁵]. Tai yra nykstamai mažai, tačiau begalybę kartų daugiau, negu niekas, kurio reikia Didžiajam sprogimui.

Smėlio laikrodžio modelis vadinamas Didžiuoju atšokimu, ir jo pasekmės tikrovei – dramatiškos. Kadangi teoriniai skaičiavimai rodo, kad ankstesnė visata turėjo būti panaši į mūsiškę, jos kilmė irgi turėjo būti panaši. O tai reiškia, kad ir ji turėjo prasidėti iš ankstesnės visatos kolapso, ir taip iki begalybės. „Mūsų modelyje erdvėlaikis niekada neišnyksta,“ sako Ijjasa. Kitaip tariant, realybė egzistavo visada ir pradžios niekada nebuvo.

Tai įsivaizduoti sunku. „Tai neintuityvu,“ pripažįsta Ijjas. Bet alternatyvą – visiška nebūtį prieš erdvės ir laiko atsiradimą – dar sunkiau. „Begalybę kartų sunkiau,“ sako ji.

Kas buvo prieš tai?

Oriti labiau patinka kita alternatyva. Jam didysis sprogimas reprezentuoja ne visatos gimimą, bet momentą, kai visata įgavo dabartinę savo formą, su tokiomis suprantamomis savybėmis kaip erdvė ir laikas. Jis lygina tai su tokiu faziniu virsmu, kaip tarkime, garai kondensuojasi į skystą vandenį. „Prielaidos, kurias darai, kaip žuvis vandenyje, paprasčiausiai netinka dujoms,“ sako jis.

Prieš šį fazinį virsmą erdvės ir laiko sąvokos neturi prasmės ir pati realybė tampa fundamentaliai neapibrėžiama. Netgi pasakymas „anksčiau“ yra netikslus, pabrėžia Oriti. „Laiko samprata praranda prasmę.“ Negana to, kadangi visi faziniai virsmai, bent jau teoriškai, yra grįžtami, visata kada nors ateityje gali grįžti į šią belaikę būseną, kas mums nereikštų nieko gero. Jei „ateitis“ iš viso tinkamas žodis.

Toks negalėjimas kalbėti apie realybę kasdieniais terminai atrodo neįtikėtinai trikdantis. „Tai trikdo ir mus,“ sako Oriti. „Užjaučiu, bet pratinkitės.“ Panašu, realybė iš tiesų neapsakoma žodžiais.

Ar realybė visur tokia pati?

Keliaujant bet kur po žinomą visatą, gamtos dėsniai tokie patys. Tai yra kosmologinio principo esmė, pagal kurį, mūsų visatos lopinėlis reprezentuoja ir visus kitus.

Kiek žinoma, tai yra tiesa. Kur tik regime, fizikos dėsniai yra „neįtikėtinai tokie patys“, sako Richardas Boweris iš Durhamo universiteto JK. Bet čia svarbus patikslinimas „kur tik regime“. O kaip yra ten, kur nematome?

Yra visatos regionai, kurie dingo iš mūsų regos laiko. Visam laikui. Tai yra ne stygų teorijos ar kvantinės mechanikos numatomos paraleliosios visatos, bet įprastos kosmologijos neišvengiama pasekmė. Kadangi visata plečiasi nutrūktgalvišku greičiu, o šviesos greitis yra baigtinis, visatos kraštai pasislėpė už kosminio horizonto, ir su jais niekados negalėsime susisiekti, nes jų šviesa niekados mūsų nepasieks. Žinoma visata iki horizonto tęsiasi maždaug 46 milijardus šviesmečių visomis kryptimis. Kiek yra už kosminio horizonto, nežinoma, bet gali būti, kad už horizonto yra vietų, kur fizikos dėsniai kitokie.

Viena iš priežasčių taip manyti – mūsų dėsniai keistai atsitiktinai palankūs gyvybei. Kosmologai tai vadina tiksliu suderinimu. Jei kuris fizikos dėsnis būtų šiek tiek kitoks, negalėtume egzistuoti. Jei, tarkime, neutronus ir protonus atomo branduolyje laikanti stiprioji sąveika būtų dar kiek stipresnė, Saulė jau būtų seniai sprogusi, gyvybei Žemėje dar nespėjus atsirasti. Tokių tikslaus suderinimo pavyzdžių yra ir daugiau, ir tai vadinama „Auksaplaukės paradoksu“, nes tiek daug dėsnių turi būti tinkami. O tai paradoksalu. „Nėra jokio paaiškinimo, kodėl jų reikšmės yra būtent tokios, kokios yra,“ sako Boweris. „Reikia tiesiog tarti sau, „yra taip, kaip yra“.“

Visatos su tokiomis tiksliomis specifikacijomis atsiradimo tikimybė tokia maža, kad daugelis fizikų yra tikri, kad privalo vietų, kur dėsniai kitokie. Tiesiog taip išpuolė, kad gyvename gyvybei tinkamame visatos plotelyje, nes, na, kitur gyventi negalime.

Ir tai pasakytina vien apie mūsų visatą. Praktiškai užtikrintai yra ir kitų. Multivisata yra daugelio teorijų išvada, taip pat ir juodųjų bedugnių fizikos ir stygų teorijos. Ne visos sukuria skirtingus fizikos dėsnius, tik kai kurios. Pavyzdžiui, stygų teorija sukuria iki 10⁵°° visatų, ir visose jose fizikos dėsniai skiriasi.

Ar kada galėsime išsiaiškinti, ar tai tiesa? Tikrovė tokia, kad jei kitos visatos egzistuoja, jos tikriausiai mums niekada nebus pasiekiamos. „Multivisatų teorijos iš principo turėtų būti priimamos rimtai, bet kaip jas būtų galima patikrinti, pasiūlymų, sakykime, ne tiek jau daug,“ pastebi Simonas Friederichas iš Groningeno universiteto Nyderlanduose.

Kol kas turime tyrinėti tai, ką galime. Bet yra ir geroji šio reikalo pusė: tokia realybė yra pažini. „Jei tėra viena visata, tada turime neblogą galimybę išsiaiškinti visą fiziką,“ sako Timas Blackwellas iš Goldsmiths, Londono universiteto. Deja, tai būtų lyg įsivaizdavimas, kad surašę visą mažos salos gyvybę, žinome visą biologinę įvairovę. Tikrovė kitur gali būti visai kitokia, tačiau kosmosas pernelyg didelis, kad sužinotume tai užtikrintai.