Mokslo ir technologijų pasaulis

Mokslininkas premija apdovanotas už A. Einšteino reliatyvumo teorijos numatytų juodųjų bedugnių egzistavimo patvirtinimą. Tačiau tik dalis Penrose'o indėlio į mokslą ir… meną

Šių metų Nobelio fizikos premija padalinta trims laureatams. Vienas iš jų, Rogeris Penrose'as savo dalį gavo už Einšteino reliatyvumo teorijos numatytų juodųjų bedugnių egzistavimo patvirtinimą.

Darbas „Gravitational Collapse and Space-Time Singularities“ publikuotas dar 1965 metais, ir jis gerokai paveikė juodųjų bedugnių tyrinėjimą, tačiau įvertintas buvo tik dabar. Jo kolegos (taip pat tapę laureatais), Reinhard Genzel ir Andrea Ghez, pateikė įrodymus, kad Paukščių Tako centre yra supermasyvi juodoji bedugnė.

Penrose'as vadovauja Oxfordo universiteto matematikos katedrai ir yra garsus populiarizatorius, šioje srityje jis nusileidžia tik Stephenui Hawkingui. Ir jie buvo asmeniškai pažįstami – juos supažindino fizikos profesorius, kosmologas Dennis William Sciama. Pažymėtina, kad praėjus vos metams po Penrose'o straipsnio publikavimo, Hawkingas jo matematinius instrumentus panaudojo įrodymui, kad Didžiojo sprogimo kosmologiniame modelyje pačioje pradžioje taip pat buvo singuliarumas. Taip atsirado Penrose'o-Hawkingo teorijos, o paskui ir bendras mokslininkų darbas šia tema.

Beje, kitaip nei Hawkingas, kuriam labiau patiko uždara visata, Penrose'as pirmenybę teikė atvirai, nes geometriniu požiūriu ji įdomesnė. Penrose'as – kaip ir jo tėvai – užsiėmė geometrija, o konkrečiai – topologija, geometrijos sritimi, aprašančia geometrinių objektų savybes ir tiriančia nenutrūkstamumo fenomeną. Būtent ji ir padėjo jam įrodyti juodųjų bedugnių egzistavimą.

Neakivaizdžios juodosios bedugnės

Penrose'as⁠ „kolapsarų“ arba „sustingusių žvaigždžių“, kaip jos vadintos XX amžiaus viduryje, ėmėsi, kai ginčai dėl jų realumo buvo itin įtempti. Iki jo fundamentalaus darbo 1965 m., teoriniai modeliai aprašydavo tokių supermasyvių objektų susidarymą, tačiau jie dažnai būdavo atmetami, kaip idealizuotos ir idealiai simetriškos situacijos, kurios vargu ar kada galėtų rastis realiame pasaulyje.

Penrose'o proveržio esmė – naujų būdų ir principų, pasiskolintų iš topologijos, naudojimas. Jis norėjo parodyti, kad singuliarumas – begalinio tankio ir slėgio būsena – rasis, nepriklausomai nuo simetrijos, jei pakaks vietoje surinktos materijos. „Galvojau apie geometriją to, kas vyksta viduje juodųjų bedugnių – kaip elgiasi šviesos spinduliai, ką jie daro, kada ima fokusuotis, ir ar įmanoma jų fokusavimąsi kaip nors sustabdyti, ir panašias problemas“, – aiškina jis.

Penrose’as panaudojo idėją, kuri vėliau pavadinta uždaru paviršiumi (arba „paviršiumi nelaisvėje“, trapped surface) – tai būsena, kai kolapsas, grubiai tariant, pasiekė negrįžtamumo tašką. Vos tik kurioje nors keturmačio kolapsuojančio objekto vietoje susiformuoja toks, šviesos neišleidžiantis, paviršius, to paviršiaus viduje singuliarumas, remiantis BRT lygtimis aprašytais gamtos dėsniais, tampa neišvengiamas.

„Tuo metu, kai bendroji reliatyvumo teorija numatė juodųjų bedugnių egzistavimą, pats Einšteinas jų egzistavimu netikėjo, – pasakojo profesorius Jim Al Khalili, rengęs interviu su Penrose’u BBC programai The Life Scientific 2016 metais. – Penrose’as 1965 metais pirmasis matematiškai įrodė, kad jos yra natūrali reliatyvumo teorijos išdava, o ne vien mokslinė fantastika“.

Didžiojo sprogimo teorijos užkulisiai

Albertas Einšteinas pirmasis suprato, kad kuo greičiau judame, tuo lėčiau mums eina laikas. Jei galėtume judėti šviesos greičiu, laikas mums sustotų. Jis nustotų „tekėti“. Tačiau kadangi šviesa ir toliau juda jai būdingu greičiu, jai laikas taip pat nejuda, tai yra, neegzistuoja.

Visatoje, kurioje niekas laiko tėkmės „nejaučia“, neegzistuoja nieko, tik šviesa. Penrose'o manymu, tolimiausioje mūsų ateityje, visata bus neišmatuojamai didelė ir neišmatuojamai sena, tačiau iš tiesų ji neturės trukmės ir kokių nors matmenų.

Taip ji niekuo nesiskirs nuo be galo suspaustos visatos. Ir kaip tik Didžiojo sprogimo momentu, prieš pradėdama plėstis, visata atsidūrė tokioje būsenoje: be trukmės ar matmenų. Ir Penrose’as spėja: o ką, jei visatos pabaiga tampa naujo visatos ciklo – eono – Didžiuoju sprogimu?

Jo nuomone, paskutinieji įvykiai prieš laiko dezintegraciją būtų grandiozinių juodųjų bedugnių susidūrimai prieš galutinį išgaravimą. Ar įmanoma, kad tokie susidūrimai palieka pėdsakus? Šie pėdsakai galėtų būti išsibarstę po kosmosą, kaip „po blėstančios šviesos jūrą“ plintančiuose savotiškuose ratiluose.

Penrose’o spėjimu, tokie ratilai galėjo išgyventi visatos atgimimo fazę, kai išnyksta ir persiskirsto atstumų mastelis. Jei mūsų visata buvo tokios evoliucijos produktu, dabar galėtume tokius ratilus stebėti. Tokia ir yra originali Penrose’o hipotezė.

Be abejo, ji atrodo spekuliatyvi ir avantiūriška. Tačiau štai jau dešimt metų Penrose’as su konforminės ciklinės kosmologijos modelio bendraautoriumi, astrofiziku iš Armenijos Vahagn "Vahe" Gurzadyan, tvirtina, tokius ratilus užfiksavę – aukštesnės temperatūros zonas kosminiame mikrobangų fone (KMF). Tokie teiginiai pagrįsti palydovo WMAP ir projekto Boomerang duomenimis, kuriuos ilgiau nei septynis metus Gurzadyanas analizavo. Tačiau nepriklausomoms mokslininkų grupėms jų analizės standartiniuose Lambda-CDM modeliuose pakartoti nepavyko, todėl Penrose'o analizė laikoma prieštaringa.

Visatos cikliškumo nepatvirtinimas Penrose’ą menkai tesutrikdė: 2018 metais jis drauge su kolegomis iš JAV ir Lenkijos publikavo darbą, kuriame bandoma patvirtinti konforminės ciklinės kosmologijos teoriją. Jame tvirtinama, kad kosmose stebimos anomalios elektromagnetino spinduliavimo sritys yra „Hawkingo taškai“ – kaip jis juos vadina – Hawkingo radiacijos likutinis spinduliavimas. Tai yra, radiacija, kurią, remiantis Hawkingo teorija, spinduliuoja juodoji bedugnė (tai dar vadinama „garavimu“), pagal Penrose’o teoriją yra ankstesnės visatos pėdsakas.

„Mes juos nuolat stebime. Tie taškai – truputį šiltesni kosmoso regionai, maždaug aštuonis kartus didesni už Mėnulio diametrą. Yra ganėtinai svarūs bent šešių tokių taškų egzistavimo įrodymai“, – jo žodžius pateikia The Independent.

Penrose’as mano, kad Hawkingo taškai patvirtina, kad Didysis sprogimas nebuvo pradžių pradžia. Iki jo jau egzistavo kažkas, ir tai egzistuos ateityje. „Turime visatą , kuri nuolat plečiasi ir plečiasi, ir visa jos masė išnyksta, ir mano beprotiška teorija tvirtina, kad mūsų tolima ateitis taps kitos amžinybės, kito eono Didžiuoju sprogimu“, – pasakojo Penrose’as The Telegraph.

Suprantama, kad idėja nederanti su patogia Didžiojo sprogimo teorija, sulaukė neslepiamo skepsio ir pelnytos kritikos. Pavyzdžiui, Jamesas iš Britų Kolumbijos universiteto Kanadoje 2018 metais nurodė, kad mokslininkai KMF nuodugniai tyrinėja daug metų ir panašių karštų taškų nepastebėjo, nors ir aptiko vieną anomaliai šaltą zoną.

Be to, jei be galo didelė visata vienoje būtyje turi virsti be galo maža visata (juodąja bedugne) kitoje, tai joje visos dalelės ilgainiui prarastų savo masę – ši mintis dabarties mokslininkams irgi nepriimtina.

Remiantis standartine kosmologija, po Didžiojo sprogimo visata trumpai plėtėsi – vyko „infliacija“, – padėjusi pašalinti visatos struktūros neatitikimus, pažeidimus. Gi Penrose’o infliacija pakeičiama eksponentiniu prieš Didįjį sprogimą buvusios epochos plėtimusi. Penrose’as apie tai rašo ir naujausiame savo darbe „Akivaizdūs Hawkingo taškų įrodymai kosminiame mikrobangų fone“, publikuotame šių metų gegužę. Įdomu, kad dviem mėnesiais anksčiau pasirodė Toronto universiteto ir Britų Kolumbijos universiteto mokslininkų analizė, rodanti, kad „statistiškai patikimų Hawkingo taškų egzistavimo KMF įrodymų nėra“.

Atsakydamas į kritiką, Penrose’as pareiškė, kad juodosios bedugnės kadaise irgi egzistavo tik matematiškai, kol nebuvo įrodytas jų realus egzistavimas. „Tuo metu žmonės buvo nusiteikę gan skeptiškai, ir daug vandens nutekėjo, kol juodosios bedugnės buvo pripažintos… Jų reikšmė, manau, lig šiol nepakankamai įvertinta“, – pasakojo jis BBC.

Šiaip jau skųstis jis neturėtų. Sero Rogerio Penrose'o, 1994 metais už nuopelnus mokslui įšventinto į riterius, indėlis į reliatyvumo teorijos vystymą, ko gero, svarbiausias nuo Einšteino laikų ir galiausiai sulaukė įvertinimo Nobelio premija.

Neįmanoma įmanoma?

Net ir be šio apdovanojimo Rogeris Penrose’as jau seniai įrašė savo vardą į mokslo metraščius, be to, įvairiausiose jo srityse. Jo veikla pažymėta daugybe premijų, ir dažnai joje pastebimi geometrijos pėdsakai: pavyzdžiui, jis sukūrė tvistorių teoriją – išskirtinai matematiškas sampratas, neturinčias fizinės formos, Andromedos paradoksą, Penrose’o mozaiką, kurioje vos dviem paprastos formos plytelėmis galima begalinę plokštumą iškloti nepasikartojančiu raštu, o taip pat žmogaus sąmonės kvantinio paaiškinimo idėjas, pateiktas knygoje „Naujasis karaliaus protas“ (1989).

Ne itin besidomintys mokslu pažįsta Penrose’ą iš jo neįmanomų figūrų – pavyzdžiui, „Penrose’o laiptų“ ar „neįmanomo trikampio“. Pirmoji yra optinė iliuzija, kurioje hipotetinis pėsčiasis gali be galo leistis arba kilti su savimi sujungtais laiptais. Abi figūras galima išvysti M. C. Eschero „Kilimo ir leidimosi“ ir „Krioklio“ litografijose, o taip Christopherio Nolano filme „Pradžia“.

Toks platus pasiekimų spektras byloja apie didelę fiziko matematiko fantaziją, ir pats seras Rogeris mąsto apie jos reikšmę moksle (be jos neįmanoma įminti visatos paslapčių) knygoje „Mada, tikėjimas ir fantazija naujoje visatos fizikoje“ (2016). Šie trys komponentai, kartais gan naudingi ir net būtini fizikai, jo nuomone, gali nusukti tyrinėtojus nuo teisingo kelio tokiose svarbiose srityse kaip stygų teorija, kvantinė mechanika ir kosmologija.

Beje, Penrose’as pažymi, kad ironiška, jog tie patys komponentai suformavo jo paties fizikos pasaulėžiūrą – nuo tvistorio teorijos iki prieštaringojo konforminės ciklinės kosmologijos modelio. Šis yra toks fantastinis, kad Penrose’ knygos anotacijoje Princetono universiteto interneto svetainėje vadinamas „konforminės pakvaišusios kosmologijos“ modeliu.