Septynios gravitacijos mįslės (I dalis)

Kas yra gravitacija?

Niutono gravitacijos idėja buvo graži ir paprasta, tada Einšteinas viską apvertė aukštyn kojom, ir netgi tai dar ne pasakos pabaiga

Kodėl gravitacija tik traukia?

Visos kitos gamtos jėgos turi priešingybes – kodėl gravitacija kitokia?

Kodėl gravitacija tokia silpna?

Gravitacija yra silpniausia iš visų fundamentaliųjų jėgų – kodėl ji tokia nuskriausta?

Kodėl gravitacija tokia tinkama?

Jei gravitacija būtų kiek stipresnė, mums pažįstama visata neegzistuotų

Ar gyvybei būtina gravitacija?

Nuo augalų iki putpelių, atrodo, tinkamam gyvybės veikimui būtina gravitacija

Ar galime pasipriešinti gravitacija?

Žmonės seniai svajojo sukurti skydą nu gravitacijos, bet niekam nepavyko to įgyvendinti – kol kas.

Ar kada nors turėsime kvantinės gravitacijos teoriją?

Kvantų mechanika ir reliatyvumas, geriausios dvi mūsų teorijos apie mūsų pasaulio veikimą, atrodo keistai nederančios su mūsų patiriamu pasauliu – ir viena su kita

1. Kas yra gravitacija?

Pašokus aukštyn, gravitacija grąžina jus Žemėn. Pasiekus kalvos viršūnę, gravitacija greitina jus į pakalnę. Viskas aišku ir gražu: gravitacija elgiasi taip, kaip apie ją manė Niutonas, kaip jėga, veikianti ir keičianti ko nors kito judėjimą.

Bent jau taip atrodė, kol nepasirodė Einšteinas. Jo bendroji reliatyvumo teorija teigia, kad gravitacija nėra tokia jau paprasta.

Bendrasis reliatyvumas sukuria karkasą, kuriame fizikos dėsniai visiems visada yra vienodi, kad ir kaip jie judėtų. Einšteinas tai pasiekė, padarydamas gravitaciją visatos, o ne atskirų jos kūnų savybe.

Bendrasis reliatyvumas aprašo gravitaciją geometriškai. Visatos audinyje – keturiuose erdvės ir laiko matmenyse – pilna masės ir energijos kuriamų duobių ir kalnelių. Šie nelygumai neišvengiami; ar tai būčiau aš, jūs, kosminės dulkės ar šviesos fotonas – stengiasi keliauti visata tiesia linija, tačiau išties seka bet kokios masės ar energijos išlenkiama trajektorija. Kitaip tariant, gravitacija nėra tai, ką vienas kūnas tiesiogiai daro kitam, tačiau tai, ką kūno masė daro jį supančiai visatai.

Kaip bebūtų, gravitacijos laikymas tiesiog jėga, kaip darė Niutonas, mums gerai pasitarnavo. Galėjome išsiųsti raketas į Mėnulį ir stulbinančiai tiksliai nustatyti planetų orbitas. „Niutono apibrėžimas veikia labai tiksliai,“ sako Bernardas Carras iš Queen Mary universiteto Londone.

Einšteino apibūdinimas puikiai atlaikė patikrinimą, kai veikdavo dideli greičiai ir pagreičiai. Kad ir kokie naudingi, nei Niutono, nei Einšteino modeliai gravitacijos iš esmės nepaaiškina. Vis dar nežinome kaip pamatinės, kvantinės masės, energijos ir erdvėlaikio savybės sukuria šį reiškinį.

Tačiau turime idėją. Pačiame baziniame lygyje, kitos trys fundamentalios gamtos jėgos – elektromagnetinė, silpnoji bei stiprioji branduolinės sąveikos – veikia per daleles. Pavyzdžiui, elektromagnetinė jėga pernešama fotonais. Tas vaizdas vadinamas kvantinio lauko teorija. Tad, manoma, kad turi būti ir gravitacinę sąveiką pernešančios dalelės.

Tačiau tebėra dvi problemos. Pirma, kol kas nesame radę jokių šių hipotetinių dalelių, vadinamųjų „gravitonų“, egzistavimo įrodymų. Antra, taikant kvantinio lauko teoriją gravitacijai, ji pateikia beprasmiškus atsakymus į paprastus klausimus. „Tai yra fundamentalios kliūtys, kurias reikia įveikti,“ sako Bruce'as Bassettas iš Keiptauno universiteto, PAR.

2. Kodėl gravitacija tik traukia?

Visos kitos jėgos gamtoje turi kitą pusę. Pavyzdžiui, elektromagnetinė jėga gali traukti arba stumti, priklausomai nuo kūnų turimo krūvio. Kodėl gravitacija kitokia?

Panašu, atsakymas glūdi kvantų lauko teorijoje. Stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveiką perduodančios dalelės turi įvairius krūvio tipus, pavyzdžiui, elektrinius ar spalvos krūvius. „Šie krūviai gali būti teigiami arba neigiami, iš čia ir priešingų jėgos ženklų galimybė,“ sako Frankas Wilczekas iš MIT. Su hipotetinėmis dalelėmis gravitonais, kurie pagal kvantų lauko teoriją perduoda gravitaciją, taip nėra. „Gravitonai reaguoja į energijos tankį, kuris visada yra teigiamas,“ pažymi Wilczekas.

O gal darome pernelyg daug prielaidų? „Nežinome, ar gravitacija yra griežtai traukianti jėga,“ įspėja Paulas Wessonas iš Waterloo universiteto Ontarijuje, Kanadoje. Jis nurodo „tamsiąją energiją“, spartinančią visatos plėtimąsi, ir kelia mintį, kad tai gali rodyti, jog gravitacija gali ir stumti. Kai kurie fizikai spekuliuoja, kad tamsioji energija gali būti stumiančioji gravitacinė jėga, veikianti tik dideliu atstumu. „Yra tokio fundamentaliųjų jėgų veikimo precedentas,“ sako Wessonas. „Stiprioji branduolinė jėga vienu atstumu traukia, o kitu – stumia.“

Kaip bebūtų, akivaizdūs gravitacijos ir kitų fundamentaliųjų sąveikų skirtumai trukdo fizikams sukurti jas visas paaiškinančią „visko teoriją“. Kol kas dauguma fizikų mano, kad geriausias kelias link tokios teorijos veda per paslėptą gamtos simetriją, vadinamąją supersimetriją, pagal kurią kiekviena dalelė turi daug masyvesnę dvynę, laukiančią savo atradimo. Tačiau Wilczekas įspėja, kad tai gali būti ne galutinis atsakymas. „Taip pat įmanoma, kad reikės iš esmės visiškai naujos idėjos,“ sako jis.

3. Kodėl gravitacija tokia silpna?

Šoktelėkite į viršų. Ar kada susimąstėte, kaip nuostabu, kad tereikia tiek mažai pastangų pašokti keletą centimetrų į viršų. Jūsų raumenys, sveriantys vos keletą kilogramų, gali įveikti visos Žemės masės, 6 × 10²⁴ kilogramų gravitaciją. Gravitacija išties silpnutė – 10⁴⁰ kartų silpnesnė už atomus drauge laikančią elektromagnetinę jėgą.

Nors kitos jėgos veikia kitokiu atstumu ir tarp labai skirtingų dalelių, jų stiprumas daugmaž palyginamas. Gravitacija iškrenta iš konteksto. Kodėl taip yra?

Kol kas geriausią paaiškinimą pateikia stygų teorija, pirmaujantis kandidatas į „visko teorijos“ titulą. Pagal stygų teoriją, visatoje yra daugiau nei trys mums pažįstamos erdvės dimensijos, – galbūt netgi 10. Pagal geriausius stygų teorijos specialistų spėjimus, gravitacija tokia silpna todėl, kad ji, kitaip nei likusios fundamentalios sąveikos, gali veikti iš papildomų matmenų ir į juos. Juntame vos dalelę tikrojo gravitacijos stiprumo.

Šios hipotezės įrodymus gali pateikti eksperimentai, tiriantys gravitacinę trauką tarp labai arti vienas kito esančių objektų. Stygų teorija teigia, kad neregėti matmenys nematomi, kadangi labai maži, arba yra atsisukę „galu“ į mūsų matmenis, tad juos sunku aptikti. Šie kompaktiški matmenys gali pakeisti gravitacinę trauką tarp dviejų kūnų, jei šiuos skiria labai mažas atstumas. Eksperimentai pasiekė maždaug 0,06 mm atstumą, bet kol kas nieko neišvydo.

Viena iš didžiausių vilčių siejama su CERN Didžiuoju hadronų greitintuvu (LHC) šalia Ženevos, Šveicarijoje, yra, kad jis padės išsiaiškinti, kodėl gravitacija tokia silpna. „LHC tikslas daugiau ar mažiau, yra suprasti šį klausimą,“ sako Lisa Randall iš Harvardo universiteto.

Nors mažai tikėtina, kad LHC pateiks visą atsakymą, gravitacijos buvimo papildomame, paslėptame matmenyje hipotezė sustiprėtų, jei būtų rasti Kaluza-Klein būsenomis vadinamų dalelių pėdsakai.

Šie ginčai siekia ketvirtojo XX a. dešimetmečio teoretikų bandymus suvienyti elektromagnetizmą ir gravitaciją. Kaluza-Klein būsena atsiranda, kai pažįstamos dalelės pereina į papildomą matmenį. Ten blaškydamosi jos sukuria „aidą“, pasireiškiantį kaip sunkesnė dalelė.

4. Kodėl gravitacija tokia tinkama?

Turime būti dėkingi, kad gravitacija tokia silpna. Jeigu ji būtų vos truputį stipresnė, nesėdėtume čia ir nesišaipytume iš jos silpnumo.

Visatos atsiradimo momentu atsirado materija ir besiplečiantis erdvėlaikis, kuriame ši materija galėjo egzistuoti. Nors gravitacija trauk materiją, erdvės plėtimasis materijos daleles stūmė vieną nuo kitos – ir kuo toliau jos slinkosi, tuo darėsi silpnesnė tarpusavio trauka.

Pasirodo, kad šių dviejų jėgų grumtynės vyko it ant skustuvo ašmenų. Jei užgimusioje visatoje erdvės plėtimasis būtų nugalėjęs gravitacijos trauką, žvaigždės, galaktikos ir žmonės nebūtų galėję atsirasti. Kita vertus, jei gravitacija būtų buvusi daug stipresnė, žvaigždės ir galaktikos gal ir būtų galėjusios susiformuoti, bet jos greitai būtų kolapsavusios pačios į save ir viena į kitą. Be to, gravitacinis erdvėlaikio kreivumas būtų iškreipęs visatą į Didįjį suspaudimą. Mūsų kosminė istorija dabar jau būtų baigusis.

Tik pats viduriukas, kur plėtimasis ir gravitacija pirmąją sekundę po Didžiojo Sprogimo balansuoja 1 dalies iš 10¹⁵ ribose, leidžia susiformuoti gyvybei. Tai siejasi su gravitacine konstanta G, dar vadinama Didžiąja G.

G yra mažiausiai apibrėžta konstanta. Ji nustatyta vos 1 : 10 000 tikslumu, kas atrodo labai grubu, palyginus su kitu fundamentaliu skaičiumi, Planko konstanta, kurios tikslumas nustatytas 2,5 : 100 000 000. Tiksliau išmatuoti G sunku dėl gravitacijos silpnumo – bet tai tik technikos klausimas. Svarbiausia, iš kur šis dydis atsirado? Kodėl G reikšmė yra tokia, kad kosmose galėjo susiformuoti gyvybė?

Paprastas, bet nepatenkinamas atsakymas yra, kad jei reikšmė būtų kita, mūsų čia nebūtų ir negalėtume jos stebėti. Gilesnis atsakymas – niekas nežino. „Galime išmatuoti jos dydį, tačiau neturime supratimo, iš kur tokia jos reikšmė randasi,“ sako Johnas Barrow iš Kembridžo universiteto. „Niekada nepaaiškinome bazinių gamtos konstantų.“

5. Ar gyvybei būtina gravitacija?

Augalams tikrai taip. Charlesas Darwinas buvo pirmasis Vakarų mokslininkas. parodęs, kad šaknis turintys augalai turi ir gravitacijos jausmą: iš esmės indų sistemą, suteikiančią viršaus ir apačios pojūtį. Pavertus vazonų su augalais ant šono, jo šaknys ir toliau augs Žemės centro link.

Kosmose auginamų augalų šaknys dezorientuotos ir negali gerai paimti vandens ir maistinių medžiagų. Mažas krakmolo lygis – viena iš daugelio neigiamų to pasekmių. Iš kai kurios mikrogravitacijoje užaugintų sėklų netgi užauga augalai, kurių genai išreiškiami kitaip, nei įprasta.

Be gravitacijos gyvūnams kyla daugybė problemų – nors visko dar nežinome. „Gyvūnai kosmose yra jau pusšimtį metų, bet dar neregėjome nė vieno žinduolio viso gyvenimo ciklo,“ sako biologas Richardas Wassersugas iš Dalhousie\o universiteto Halifaxe, Naujojoje Škotijoje, Kanadoje.

Žinome, kad problemų gali būti nuo pat pradžių. Eksperimentai Rusijos kosminėje stotyje Mir parodė, kad mažiau, nei paprastai putpelių kiaušinių išsirita, o išsiritę viščiukai turėjo didesnę apsigimimų riziką.

JAV kosminiame laive Discovery, vyko KFC greitojo maisto korporacijos apmokėti bandymai, tyrę putpelių embrionų vystymąsi. Nė vienas iš 16 embrionų neišsirito. Esant normaliai gravitacijai, trynys būna šalia lukšto, bet mikrogravitacijoje jis plaukioja baltymo viduryje. Tai sukelia dujų mainų tarp embriono ir lukšto problemas, kurios pasirodė esančios fatališkos embrionams. Wasseris mano, kad šias problemas galėtų išspręsti tinkama inžinerija, arba vėlesnis embrionų nugabenimas į kosmosą.

Dar didesnės problemos kyla, jei embrionas visgi išvysta dienos šviesą. Mikrogravitacijoje išsiritę viščiukai nemoka balansuoti ir pakankamai orientuotis, kad galėtų maitintis. Amfibijoms kyla problemų su kvėpavimu: jų instinktas liepia kilti „aukštyn“ į orą, bet viršaus nėra.

Žmonėms kyla problemos su kvėpavimu dėl kitos priežasties. Kosmose astronautų plaučių tūris sumažėja, kadangi nėra diafragmą žemyn tempiančios gravitacijos. Lyg to nebūtų gana, mikrogravitacijoje kepenys pakyla aukščiau, dar labiau sumažindami plaučių tūrį. Trumpoje kelionėje tai didelių rūpesčių nekelia, bet kas nutiktų kosmose gimusiems kūdikiams?

„Nežinome, kas nutiktų, jei nuo ropojančio kūdikio iki suaugusiojo gyventumėte su mažesniais plaučiais,“ sako Wassersugas. „Yra rimtas pagrindas manyti, kad jaunuoliui augant, atsirastų rimtų problemų.“ Veiktų įvairios smulkmenos: pavyzdžiui, neitų švariai iškosėti iš plaučių. Ši ir kitos, atrodytų menkos komplikacijos „iki lytinės bandos galėtų sukelti rimtą pavojų“, perspėja Wassersugas.

O kur dar kaulų audinio praradimas. Kad kaulai tinkamai augtų, juos turi veikti kūno svoris. Į Žemę grįžtančioms KS įguloms mikrogravitacijoje pasireiškia stipri raumenų atrofija – tikriausiai pakankama, kad moterims būtų neįmanoma natūraliai pagimdyti kosmose.

Kas žino, koks dar gali būti ilgamečio buvimo kosmose poveikis? „Neįtikėtina, kiek mažai žinome apie vystymąsi ir augimą besvorėje aplinkoje,“ pabrėžia Wassersugas.

Plačiau apie nesvarumo poveikį žmonių mąstymui.

6. Ar galime pasipriešinti gravitacija?

Nors gravitacijos skydų kūrimo istorija ilga, šios idėjos įgyvendinti dar niekam nepavyko. Tikriausiai žinomiausias emigravusio rusų mokslininko Evgenijaus Podkletnovo bandymas.

1992 m. Pokletnovas publikavo straipsnį, kuriame teigė aptikęs 2% svorio sumažėjimą apie besisukantį keraminio superlaidininko diską.

Martinas Tajmaras, kompanijos Austrian Research Centers mokslininkas, panašų teiginį publikavo 2003 ir sugebėjo tęsti tyrimą, gaudamas ESA finansavimą. Po trijų metų Tajmaras ir ESA paskelbė besisukančiame diske išmatavę efektą, kuris, toliau jį tobulinant, galėtų būti panaudotas gravitacijos silpninimui. Kiti bandė pakartoti šį efektą, tačiau niekam nepavyko.

Kodėl iš viso kas nors galvoja, kad tai išvis įmanoma? Kadangi reliatyvumas neatmeta galimybės, kad gravitaciją sukeliantis sulenktas erdvėlaikis gali būti „atlenktas“. „Tinkamai pasirengus turtų būti įmanoma sumažinti – arba padidinti – gravitacijos poveikį,“ teigia fizikas Bahramas Mashhoonas iš Missouri'io universiteto.

Tajmaras tam pasitelkia vadinamąjį „gravitomagnetizmo“ efektą. Remiantis bendruoju reliatyvumu, besisukančio kūno masė paskui save vilks erdvėlaikį, sudarydamas jame sūkurį. Kaip besisukantis krūvis sukuria magnetinį lauką, taip besisukanti masė sukuria gravitomagnetinį lauką.

Tai turėtų pasireikšti į aplinkiniame pasaulyje – pavyzdžiui, Žemės sukimasis turėtų sukelti palydovų orbitų precesiją – bet tikriausiai nenustebsite sužinoję, kad yra praktinių šios idėjos panaudojimo gravitacijos susilpninimui problemų. „Reliatyvistiniai efektai praktikoje labai silpni,“ pabrėžia Mashhoonas.

Nors netgi nėra aišku, ar besisukantis superlaidininkas daro kokią nors gravitomagnetinę įtaką, žmonės neturėtų būti grasomi nuo šios srities tyrinėjimų, sako Mashhoonas. Gali pasirodyti, kad tai vienintelis būdas įgyvendinti tarpžvaigždines keliones. Kai kurie mokslininkai teigia, kad viršijus tam tikrą kritinį greitį, reliatyvumas gali suteikti stumiantį gravitacinį poveikį, kuris galėtų būti panaudotas stūmai ir kaip gravitacijos skydas. „Su dabartinėmis technologijomis kelionė iki artimiausios žvaigždės truktų apie milijoną metų,“ sako Mashhoonas. „Sunku kaltinti žmones, tiriančius tokius dalykus.“

7. Ar kada nors turėsime kvantinės gravitacijos teoriją?

Kvantų mechanika ir reliatyvumas, geriausios dvi mūsų teorijos apie mūsų pasaulio veikimą, atrodo keistai nederančios su mus supančiu pasauliu – ir viena su kita.

Kvantų teorija, aprašanti reiškinius subatominiame lygyje, išties keista. Kvantiniai objektai gali būti dviejose vietose vienu metu, ar judėti skirtingomis kryptimis.

Ne ką geresnis ir reliatyvumas. Galime jį naudoti švelniai išlenkto erdvėlaikio aprašymui, bet ekstremaliose sąlygose, kokios yra juodosiose bedugnėse ar visatos pradžioje, lygtys virsta nesąmonėmis.

Fiziko požiūriu, didžioji problema yra ta, kad niekas neišsiaiškino, kaip suderinti kvantų teoriją ir reliatyvumą į kvantinės gravitacijos teoriją. Turi būti geresnė teorija, aprašanti, kaip ir kodėl viskas veikia, nuo subatominių mastelių, bet tai pasirodo labai nelengva.

Einšteinas buvo vienas iš pirmųjų mokslininkų, bandžiusių sujungi gravitaciją su kitomis fizikos teorijomis, tačiau gali būti, kad nuo to laiko mes artyn nepasistūmėjome. Dabar populiariausioms kvantinės gravitacijos teorijoms kyla fundamentalios problemos, kurių niekas nežino kaip išspręsti.

Ar tai reiškia, kad niekada to nepasieksime? Neturėtume pasiduoti desperacijai, sako Lee Smolinas iš Perimetero Teorinės fizikos instituto Waterloo, Kanadoje. „Stipriai tikiu mūsų gebėjimu suprasti visatą, kurioje esame“ sako jis.

Pasak Rogerio Penrose'o iš Oxfordo universiteto, galutinė kvantinės gravitacijos teorija nebus panaši į jokią dabar esančią. Jis mano, kad dabartinės teorijos nėra pakankamai galingos, kad jas būtų galima laikyti bent kandidatais, kadangi jos ignoruoja svarbius aspektus, pavyzdžiui keisto kvantinio pasaulio paslapčių sprendimą. „Tokia teorija turėtų egzistuoti, bet manau, kad ji turėtų atstovauti svarbią mūsų fizinio pasaulio vaizdinio revoliuciją,“ svarsto jis. „Reikės didžiulio proveržio, ir esminio pasitraukimo nuo dabartinio mąstymo.“

Ar nusigausime ten? Penrose'as optimistiškas. „Galime save sunaikinti branduoliniame kare ar perkaitinę Žemę,“ sako jis. „Bet to neskaitant, nematau priežasčių, kodėl neturėtume.“