Nuo pir­mų­jų juo­do­sios be­dug­nės at­vaiz­dų iki lai­ko, bu­vu­sio prieš Di­dį­jį Spro­gi­mą ty­ri­mo, da­bar yra nau­jas bendro­sios re­lia­ty­vu­mo teo­ri­jos auk­so am­žius, sa­ko kos­mo­lo­gas Pedro Ferreira

Nuo pir­mų­jų juo­do­sios be­dug­nės at­vaiz­dų iki lai­ko, bu­vu­sio prieš Di­dį­jį Spro­gi­mą ty­ri­mo, da­bar yra nau­jas bendro­sio re­lia­ty­vu­mo teo­ri­jos auk­so am­žius, sa­ko kos­mo­lo­gas Pedro Ferreira

Kovą fizikų komanda pranešė aptikusi erdvėlaikio raibulius, kilusius visatai gimstant. Jų teiginys sukėlė audrą visame pasaulyje. Vienas mano kolega sakė, kad tai svarbiausias šio amžiaus atradimas, o kitas prasitarė, kad tai buvo labiausiai jaudinantis dalykas, kurį patyrė savo moksliniame gyvenime. Kažkas netgi pasakė, kad tai svarbiau už Higgso bozono atradimą.

Mane naujiena taip pat sujaudino. Nes jei atradimas atlaikys patikrinimą – o kai kurie mano kolegos nėra tuo įsitikinę – tai yra pirmasis tiesioginis užfiksavimas gravitacinių bangų, kurias Albertas Einšteinas numatė netrukus po to, kai 1915 m. paskelbė bendrojo reliatyvumo teoriją. Taip pat tai yra dar vienas įrodymas, kad visata tolimoje praeityje labai skyrėsi nuo regimos dabar, ir kad vystėsi daug milijardų metų – tai irgi prognozavo Einšteino teorija.

Tačiau, kaip bebūtų keista, atradimas manęs visiškai nenustebino. Per pastaruosius keletą metų, pradėjau tikėti, kad išaušo naujas bendrosios reliatyvumo teorijos aukso amžius ir kad turėtume tikėtis fantastiškų dalykų. Laukia dar daugybė puikių atradimų, nuo tiesioginio juodosios bedugnės atvaizdo iki erdvės ir laiko fundamentalios prigimties išsiaiškinimo. Kad suprastumėte mano optimizmą, reikėtų žvilgtelėti į Einšteino teorijos biografiją ir peržvelgti atradimų ir sukrėtimų šimtmetį.

Kai Einšteinas ėmė mąstyti apie gravitaciją 1907-aisiais, jis jau buvo išsiaiškinęs savo specialiąją reliatyvumo teoriją, apjungusią Niutono mechaniką – kaip daiktai juda, stumia ir traukia – su Maxwello elektros ir magnetizmo teorija. Tam reikėjo pakeisti fizikos taisykles. Erdvė ir laikas tapo neatsiejamai susieti ir šviesos greitis tapo šventu ir nekintančiu, bet kokio fizinio proceso kosmine greičio riba. Ji veikė nuostabiai – išskyrus vieną dalyką. Izaoko Niutono traukos jėga, aiškinanti planetų judėjimą apie Saulę ir daiktų kritimą ant Žemės paviršiaus, nederėjo. Tad Einšteinas pasiryžo surasti bendresnę formulę, įtraukiančią ir gravitaciją. Tam jis užtruko aštuonis metus.

Naujajai bendrojo reliatyvumo teorijai reikėjo visiškai kitokios matematikos formos ir naujo būdo mąstyti apie fiziką. Tai galima palyginti su tuo, jei Einšteinas būtų išmokęs sanskritą iš pagrindų ir panaudojęs jį romano rašymui. Galiausiai viską baigęs, jis gavo nuostabiausias lygtis. Jos buvo kompaktiškos, bet sudėtingos, tikras belaukiančių atradimų lobynas. Jie pakeitė mūsų požiūrį į tikrovės prigimtį. Nuo tada laikas ir erdvė atgijo: jie tapo plastiški ir dinamiški; jie reaguodavo į objektų buvimą ir savo ruožtu versdavo objektus judėti taip, lyg egzistuotų nematomas gravitacinės jėgos laukas. Tai buvo visapusiškai ideali teorija.

Kai Einšteinas pateikė savo teoriją pasauliui, ši ėmė gyventi nuosavą gyvenimą. Per kitą dešimtmetį nuostabūs tyrėjai panaudojo ją nuostabiausiems atradimams. Pirmojo pasaulinio karo metais gyveno britų astronomas Arthuras Eddingtonas, kvakeris ir principingas prieštarautojas. 1919 m. jis nuplaukė į mažą Príncipe salą stebėti visiško Saulės užtemimo ir parodė, kad tolimo žvaigždžių spiečiaus šviesa išsilenkė apie Saulę tiksliai taip, kaip pranašavo Einšteino teorija. Buvo ir vokiečių astronomas Karlas Schwarzschildas, kuris, kariaudamas Rusijoje Rytų fronte, sumąstė tai, kas vėliau taps žinoma, kaip juodoji bedugnė. Buvo ir sovietų meteorologas ir matematikas Alexanderis Friedmannas, kartu su belgų kunigu Georges Lemaître, parodė, kad iš Einšteino teorijos išplaukia, jog visata vystosi ir plečiasi. Ir, žinoma, nereikia pamiršti paties Alberto Einšteino, numačiusio gravitacinių bangų egzistavimą.

Ketvirto XX a. dešimtmečio pradžioje Einšteino teorija pavergė daug šviesiausių fizikos protų. Eddingtonas, Wolfgangas Pauli'is, Werneris Heisenbergas bei Erwinas Schrödingeris rašė knygas, dėstydami savo požiūrį, kaip teorija turėtų būti suprasta.

Tačiau nuskynus žemiausiai kabančius vaisius, bendrojo reliatyvumo teorija pamažu nustojo fizikų susidomėjimo. Kvantų fizikos atradimas nustūmė Einšteino teoriją į šešėlį. Kvantų fizika buvo daug praktiškesnė teorija, paaiškinanti dalykus, kurie galėjo būti išmatuoti laboratorijoje ir panaudoti bombų gamybai. Bendrasis reliatyvumas buvo prarastas. Jis tapo gražia, tačiau ezoteriška teorija, nedaug pasakančia apie tikrą pasaulį. Pasaulis žengė tolyn.

Reliatyvumo atgimimas

Ir tada, beveik po ketvirčio amžiaus, pradėjo kaltis žali atgimimo daigai. Šeštajame XX a. dešimtmetyje nauja radioastronomų karta pastebėjo visatą, užlietą neišpasakytai toli esančiais neįtikėtinai energingais objektais. Šie galingi švyturiai atrodė esantys pernelyg masyvūs, kad juos būtų galima paaiškinti Niutono gravitacija ir bendroji reliatyvumo teorija vėl patraukė dėmesį. Nauja fizikų karta pradėjo kreipti dėmesį į Einšteino teorijos paslaptis ir pamažu, tačiau užtikrintai, aiškintis anksčiau ignoruotus keistus ir intriguojančius rezultatus.

Kaupiantis empiriniams įrodymams, matematikai itin detaliai atskleidė juodųjų bedugnių vidinį veikimą. Reliktinio spinduliavimo – kosminio mikrobangų fono atradimas parodė, kad visata iš pradžių buvo karšta ir tanki, paremdamas idėją, kad besiplečianti visata yra tikėtinas mūsų kosmoso istorijos aprašymas. Atrodė, kad viskas stojo į savo vietas per šį „auksinį bendrojo reliatyvumo amžių“, kaip jį pavadino Kipas Thorne'as iš Kalifornijos technologijų instituto.

Mokslo srityje pradėjau dirbti dešimtojo dešimtmečio pradžioje, apžavėtas šio „auksinio amžiaus“ ir visų į tai įsitraukusių nuostabių mąstytojų. Bendrasis reliatyvumas tebebuvo kiek ezoteriškas, mažne nepadorus, jo aura ir darbas su juo nebuvo itin rekomenduojami. Tačiau tai buvo šerdis to, kas iš tiesų įdomu moderniojoje fizikoje. Man atrodė, kad jis bent gali pateikti išties naujus atradimus, tiek teorinius, tiek stebėjimuose.

Dabar reikalai vėl vystosi sparčiai. Pradžiai, palydovai yra naujausi mokslo avanpostai. Šios neišpasakytai sudėtingos laboratorijos skrieja mūsų pažinimo paribiuose, atlikdamos anksčiau neįsivaizduotus eksperimentus. Prieš keletą metų Europos kosmoso agentūra paskelbė konkursą misijai, kurią ji remtų. Daugelio svarstomų palydovų misijų pagrindas yra Einšteino teorija.

Viena misija, eLISA, norima aptikti gravitacijos bangas, sklindančias iš sprogiųjų juodųjų bedugnių susidūrimų. Kita misija, Euclid, matuotų, kiek visata išsiplėtė nuo tada, kai buvo pusės dabartinio amžiaus, kad išsiaiškintų dabartinės kosmologijos pasiūlytos nepagaunamosios tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos efektus. Dar kita misija, ATHENA, ieškotų galingų rentgeno spindulių, skleidžiamų titaniškų gravitacijos jėgų šalia juodųjų bedugnių plėšomos materijos ir šviesos. Pirmą kartą nertume į ekstremaliausias erdvės sąlygas, kokias tik galima įsivaizduoti.

Bet nereikia laukti, kol tokių ekstremumų tyrimui į kosmosą bus paleisti gigantai. Kitais metais bus įjungta pažangioji lazerinė interferometrinė gravitacijos observatorija, ar trumpiau LIGO. Su ja tikimės išvysti juodųjų bedugnių embrionų aidą, kai jos palengva sukasi, susiduria ir susijungia į vieną masyvų kompaktišką objektą. Event Horizon teleskopu, po visą pasaulį išsibarsčiusių teleskopų tinklu, galime iš tiesų išvysti Paukščių Tako centre glūdinčią juodąją bedugnę. Pirmą kartą galime išvysti juodosios bedugnės šešėlį, apsuptą skriejančių žvaigždžių, dujų ir dulkių, plėšomų juodosios bedugnės traukos.

Dar yra mano mėgiamiausias: dešimtys tūkstančių radijo antenų, išsibarsčiusių per daugelį tūkstančių kilometrų. Vadinamasis Kvadartinio kilometro masyvas (Square Kilometre Array), arba SKA, nes bendras visų antenų priimamas plotas atitinka kvadratinį kilometrą, bus išsidėstęs dviejuose kontinentuose: Australijoje ir Pietų Afrikoje. Jei Eddingtonas naudojo mažą teleskopą Príncipe saloje, siekdamas patikrinti bendrojo reliatyvumo egzistavimą, SKA bus žvėris, galėsiantis patikrinti Einšteino teoriją galaktikų ir kosmologiniu masteliu neregėtu tikslumu. SKA aptiks bet kokį didžiosios idėjos netikslumą, jei tik toks būtų.

Kol bendrasis reliatyvumas veda stebėjimus ir eksperimentus į naują sudėtingumo aukštumas, pačios idėjos taip pat dramatiškai kinta. Vienas pažymėtinas pavyzdys yra laiko pradžios diskusijos. Kaskart, vedant viešas savo dalyko paskaitas, manęs nuolat klausia: „Kas buvo prieš Didįjį Sprogimą?“ Pasitelkiu įvairius atsakymus. Yra atsakymas „prieš Didįjį Sprogimą nebuvo „prieš“, nebuvo laiko“. Arba mano kolegės Jocelyn Bell Burnell labiau zeniškas atsakymas: „Tai tas pats, kas klausti, kas yra šiaurė, stovint šiaurės ašigalyje.“ Bet pastaruoju metu pastebėjau, kad mano atsakymai tampa vis įvairesni ir daug mažiau apibrėžti.

Per keletą pastarųjų metų dėl kvantų fizikos ir kosmologijos vystymosi, laiko pradžios klausimas vėl tapo plačiai atvertas. Sukant laikrodį atgal, visata tankėja, kaista ir neaiškėja – idealios sąlygos svaresniam kvantų fizikos indėliui. Viena galimybė yra, kad mūsų visata atsirado iš vakuumo, erdvėlaikio burbulas, augęs ir augęs, kol tapo tuo, kas yra dabar.

Didingesnė galimybė yra, kad erdvėlaikis daug didesnis, nei manėme anksčiau ir mūsiškė visata tėra viena iš nesuskaičiuojamų visatų, sudarančių multivisatą. Multivisatoje visatos randasi ir auga iki kosminių proporcijų, kiekviena savo tempu ir konkrečiu būdu. Multivisata yra laukinė, beprotiškai didelė sritis galutinės stazės: nuolatinė kūrimosi ir nykimo būsena. Pagal šį scenarijų, mūsų visata yra kaip pūslelė daug platesniame, amžinai egzistavusiame erdvėlaikyje. Tai labai spekuliatyvi idėja, plečianti ribas to, ką galime vadinti mokslu, bet tebesanti erdvėlaikio sferoje.

Prieš Didįjį Sprogimą

Bet tyliai vyksta daug gilesnė revoliucija, purtanti Einšteino teorijos pamatus. Pastangos apjungti bendrojo reliatyvumo ir kvantų teorijas į visko teoriją, ir iškylančios problemos skaldo mūsų godojamą erdvėlaikio suvokimą. Ir panašu, visos jos rodo, kad fundamentaliame lygyje turėtume atsisakyti glotnaus ir plastiško, besivystančio, besisukančio ir iškrypstančio erdvėlaikio, kurį aprašo Einšteino teorija. Vietoje to, turėtume mąstyti apie jį kaip apie kažką fragmentuoto ir atomizuoto, kur lokališkumo supratimai – mūsų taip gerai pažįstami čia ir dabar – išmetami lauk.

Atsikračius erdvėlaikio, reikia peržvelgti ir fizikos dėsnius. Naujos taisyklės gali atrodyti nepažįstamos, bet galiausiai jos būtų daug paprastesnės ir ir daugelis paradoksų bei kliūčių turėtų išnykti. Paprastas pavyzdys – jei atsuktume mūsų visatos istorijos laiką atgal iki momento, kai visas erdvėlaikis buvo sukoncentruotas taške, dabartiniai mūsų fizikos dėsniai nebegaliotų. Kadangi negalime daug pasakyti, kas tada nutiko, galima spekuliuoti, kad buvo era iki Didžiojo Sprogimo, laikas, visiškai kitoks, nei dabar.

Visi eksperimentai, stebėjimai ir daugelį mūsų apimančios idėjos yra dalis aktyvaus ir gyvybingo bendrosios reliatyvumo teorijos gyvenimo dalis. Jos ilga ir vingiuota istorija dar nesibaigė. Nors gravitacinių bangų atradimas, jeigu bus patvirtintas, yra tik vienas fantastiškas pavyzdys, tikiuosi, jų bus daug daugiau. Taigi, nors XX amžiuje dominavo keisti ir nuostabūs kvantų fizikos atradimai, nuo atomų ir kvantų elektrodinamikos iki dalelių fizikos standartinio modelio, turėtume rengtis išvysti šlovingas Einšteino Tobulosios Teorijos pasekmes.

Pedro G. Ferreira yra asrofizikos profesorius Oxfordo universitete. Jo knyga The Perfect Theory (Little, Brown) buvo nominuota Karališkosios draugijos Wintono premijai už mokslines knygas.

Pedro G. Ferreira
New Scientist № 2980

Komentarai (0)