Kaip mokslininkai supranta Visatą? (3)
Plokščias pasaulis, daugybė matmenų, banguojanti erdvė… Kokių tik keistenybių nesugalvoja mokslininkai, aiškindami pasaulio dėsnius.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
turinys
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.
Kadaise Visata buvo mažesnė už atomą
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.