Kai 1933 metais nacių partija neleido Vokietijos žydui Maksui Bornui dėstyti kvantinės fizikos Getingeno universitete, pavadinusi ją žydų mokslu, jis laikinai dirbo Kembridžo universitete, po to žymus indų fizikas Ramanas (Chandrasekhara Venkata Raman) pakvietė jį padirbėti Indijos mokslo institute Bangalore.

Tuo metu jis ir jo šeima prarado Vokietijos pilietybę. Jis liko be namų, pajamų ir pilietybės, bet nesiliovė galvojęs apie du skaičius, kurie po eilės praėjusių dešimtmečių atradimų ir sukurtų teorijų jį jaudino.

Kas Bornui nedavė ramybės? Kodėl Bornui labiau rūpėjo tie du skaičiai, nei jo materialinė padėtis, prasidėjęs žydų persekiojimas? O jam rūpėjo, kodėl tie skaičiai yra tokie?

Kai kurie dydžiai niekada nesikeičia. Mes juos vadina konstantomis. Šviesos greitis, gravitacijos konstanta, elektrono masė ir krūvis, ir daug kitų laikomi vienodais ir nekintančiais visatoje. Jie yra tarsi fizikos rūmo pastoliai ir apibūdina visatos rūbą. Fizika ištobulėjo vis tiksliau matuojant šiuos dydžius.

Tie du skaičiai neturėjo vienetų ir buvo laikomi konstantomis. Vienas jų apibūdino sąveikos stiprumą tarp fundamentalių dalelių ir šviesos. Jo dydis yra 1/137. Antrasis skaičius siejo protono ir elektrono masę.

Tačiau niekas niekada nepaaiškino, kodėl šie dydžiai yra konstantos. Jeigu jos būtų nors truputį kitokios, atomų sandara būtų kitokia ir mums pažįstama gyvybė Žemėje būtų neįmanoma. Siekis paaiškinti šias konstantas buvo viena iš varomųjų jėgų sukurti vieningą visatos aprašymo teoriją. Fizikai tikisi, kad tokia teorija kada nors parodys, jog kiekviena šių konstantų gali turėti tik vieną galimą vertę. Ji atskleistų užslėptą tvarką tariamame visatos chaotiškume.

Jei atomų matmenys keičiasi laike, tai ilgio, masės, laiko ir kitų dydžių laboratoriniai matavimo prietaisai taip pat turi kisti.

Konstantų pastovumą tikrinantys prietaisai turi matuoti dydžius, nepriklausomus nuo vienetų sistemos, pavyzdžiui, protono ir elektrono masių ar kitų dydžių santykį. Vienas toks santykis ypač įdomus. Jis jungia šviesos greitį c, elektrono krūvį e, Planko konstantą h ir vakuumo dielektrinę skvarbą ε. Šių dydžių sąryšį alfa, α = e²/2εhc, pirmą kartą 1916 metais pavartojo Arnoldas Zomerfeldas, taikydamas kvantinę fiziką elektromagnetizmui. Šis sąryšis įvertina reliatyvistinį (c) ir kvantinį (h) dydžius elektromagnetinei (e) elektringųjų dalelių sąveikai tuščioje erdvėje (ε). Jis lygus 1/137,03599976 , arba apytikriai 1/137.

Jei α būtų kitoks, visas mus supantis gyvasis pasaulis būtų kitoks arba jo visai nebūtų. Jei α būtų mažesnis, medžiagų tankis būtų mažesnis proporcingai α kube, molekulių ryšiai suirtų žemesnėse temperatūrose proporcingai α kvadrate, padidėtų stabilių elementų skaičius periodinėje lentelėje proporcingai 1/α. Jei α būtų didesnis, maži atomų branduoliai neegzistuotų, nes jų protonų elektrinė stūma viršytų trauką, jungiančią branduolį sudarančias daleles. Kita vertus, α vertė 0,1 susprogdintų anglies atomus.

Branduolinės reakcijos žvaigždėse ypač jautrios α dydžiui. Kad įvyktų branduolių sintezė, žvaigždės gravitacija turi sukurti dešimčių milijonų laipsnių temperatūrą, kuri priverčia jungtis branduolius nugalint milžiniškas jų stūmos jėgas. Jei α viršytų 0,1, branduolių sintezė būtų neįmanoma. Jei α padidėtų vos 4 proc., žvaigždės nustotų gaminti anglį, vieną iš pagrindinių gyvybės elementų. Kas taip tiksliai suderino tas konstantas?

Dabar žinome, kad keturios fundamentalios jėgos ‒ gravitacinė, elektromagnetinė, silpnosios ir stipriosios sąveikos branduolinės jėgos ‒ stulbinančiai tiksliai suderino visas konstantas. Tik nežinome, kaip atsirado ar kas sukūrė tas keturias jėgas, kurioms veikiant po Didžiojo sprogimo iš energijos atsirado medžiaga ir visa kita, įskaitant mus, žmones. Bornas siekė sukurti teoriją, siejančią visas pasaulio fundamentalias jėgas. Jis taip pat siekė sukurti teoriją, kuri paaiškintų, iš kur tie skaičiai, arba tos konstantos, atsirado, kodėl protonas yra 1836 kartus sunkesnis už elektroną?

Atrodytų keista, kad rūpesčių prislėgtam Bornui labiau už bet ką rūpėjo tos dvi konstantos. Fizikoje yra daugybė konstantų. Mes dažnai naudojame šias konstantas, imdami jas iš žinynų, naudodami programinėje įrangoje šifruojant informaciją ir nesusimąstydami, kodėl jos yra tokios, o ne kitokios ir kodėl konstantos? Bet keisčiausias dalykas yra tas, kad nėra teorijos, kuri jas paaiškintų. Jos yra universalios ir nekintančios. Tokia konstanta yra ir protono ir elektrono masių santykis. Bet ši konstanta yra vėl ir vėl tikrinama vis modernesniais eksperimentais.

Bornas (1954 m. gavo Nobelio fizikos premiją) ir vėliau daugelis kitų fizikų siekė sukurti vieningą teoriją, iš kurios sektų, kad gali būti tik viena nekintama šios konstantos vertė. Matuojant konstantas yra geras būdas patikrinti, kad jas naudojančios teorijos turi prasmę, kad mokslas stovi ant tvirto pagrindo. Matavimų klaidos sukeltų daug rūpesčių. Todėl vietoj protonų ir elektronų masės matavimų, prasmingiau matuoti jų masių santykį, skaičių, kuris nepriklauso nuo vienetų naštos.

Vieningos teorijos kūrimas tęsėsi. Borno Kembridžo kolega Polis Dirakas žurnale „Nature“ kėlė mintį, ar minėtosios ir kitos fizikos konstantos buvo tikrai konstantos visoje visatos istorijoje? Matavimai Žemėje yra svarbūs, bet Žemė tėra tik mažas taškelis neaprėpiamoje visatoje. Ko Dirakas klausė prieš dešimtmečius, fizikai to paties klausia ir dabar. Ar šios konstantos yra konstantos visoje visatoje? Kodėl jos konstantos? Ar tikrai konstantos? Klausimas išliko dešimtmečius ir tapo dar aktualesnis. „Tiksliausias protono ir elektrono masių santykis dabar yra 1836,12 +/-0.05,“ ‒ 1951 metais rašė Frydrichas Lencas žurnale „Physical Review Letters“. Beje, šis skaičius tiksliai sutampa su skaičiumi 6π (pi) penktame laipsnyje = 1836,12. Tik neaišku, kodėl?

Abejojimas fizikos, arba visatos rūbo, konstantomis nėra neprotinga mintis: esančios teorijos nekliudo konstantoms turėti skirtingas vertes. Visata praėjo tris svarbias fazes – pradinę fazę po Didžiojo sprogimo, kai visatoje vyravo elektromagnetinė spinduliuotė, vėliau kitą fazę, kurioje atsirado mums pažįstama medžiaga, ir pagaliau yra labai ilga trečioji tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos dominavimo fazė, prasidėjusi galbūt prieš šešis milijardus metų. Egzistuoja hipotezė, kad pereinant iš vienos fazės į kitą galėjo keistis protonų ir elektronų masių santykis ir kitos konstantos, kaip keičiasi medžiagos kiti parametrai fazinių virsmų metu. Tikroji šio masių santykio vertė dabar laikoma 1836,15267389.

Amsterdamo universiteto ir Swinburno technologijos universiteto Melburne tyrėjai šiemet paskelbė straipsnį žurnale „Review of Modern Physics“, kuriame remiantis visatos 12,4 milijardų metų istorijos teleskopų tyrimais šis protonų ir elektronų masių santykis kito mažiau nei 0,0005 proc. ir vargu ar šį kitimą galima laikyti kitimu.

Išvada yra stulbinanti. Pokyčiai pasaulyje vyksta visur ir nuolatos. Pasaulis keičiasi, mes keičiamės. Žmogaus ląstelėse įvyksta milijonai DNR mutacijų per dieną. Kasmet vasaros žali medžių lapai rudenį prieš nukrentant tampa oranžiniais. Kosminės dujos veikiant gravitacijai susilieja per milijonus metų į uolėtas planetas, panašias į Žemę ir kitas, besisukančias apie saulę. Bet visų šių pokyčių gilumoje slypi du skaičiai, kurie viską jungia ir kurie nesikeičia visoje visatoje. Ir mes nežinome kodėl? Šie skaičiai yra tarsi visatos egzistavimo mokslinė evangelija.

Visatos istorija yra gera smėliadėžė konstantų matavimui. Kadangi šviesa ir mikrobangos iš ankstyvosios visatos vis dar pasiekia žemę, šviesos ir radijo teleskopai yra puikios priemonės šių konstantų matavimams. Ankstyvoji visatos gimimo šviesa sąveikauja su tolimųjų galaktikų ir žvaigždžių dujomis prieš pasiekdama Žemę. Šviesa atsklinda į Žemę su šių dujų charakteristikomis, tarsi pirštų atspaudais. Dujos sugeria tam tikrų dažnių šviesą. Jie matomi teleskopų spektruose. Lygindami šiuos spektrus su tų pačių dujų laboratorinių matavimų spektrais, mokslininkai gali nustatyti protonų ir elektronų masių santykio kitimą.

Australijos, Prancūzijos, Rusijos, Šveicarijos, JAV, Didžiosios Britanijos, Indijos Filipinų, Nyderlandų ir kitų šalių mokslininkai dešimtmečius tyrė vandenilio, amoniako ir metanolio sklandančias dujas, nutolusias už milijardų metų erdvėje. Jie lygino signalus iš didžiausio teleskopo šaltoje ir sausoje Čilės dykumoje, 100 metrų antenos diametro radijo teleskopo Vokietijoje ir 30 metrų diametro Siera Nevados radijo teleskopo Ispanijoje. Jie panaudojo Hablo (Hubble) kosminį teleskopą įsitikinti, ar baltųjų nykštukų žvaigždžių aplinkoje, kur gravitacija yra 10 000 kartų stipresnė nei Žemės, nepakeičia to protono ir elektrono masių santykio.

Ir jokio pokyčio nerasta. Masių santykis pastovus. Jei jis skirtųsi bent keliais procentais, tai reikštų, kad kažkur visata yra kitokia. Mažesnis masių santykis reikštų silpnesnius protonus ir silpnesnę elektronų, besisukančių apie branduolius trauką, kurie reikštų skirtingos rūšies medžiagos buvimą visatoje. Nors mokslininkai nepateikia jokių naujų rezultatų, tai nereiškia, kad šis klausimas neaktualus. Jis vienodai yra beprasmiškas ir svarbus. Jokia fizikos teorija nepaaiškina, kodėl šis masių santykis yra nepajudinamas mokslo piemuo. Įvairių šalių mokslininkai daugelį metų moderniausiais prietaisais tiria tolimiausiose visatos srityse, įvairiausiose gravitacinėse aplinkose seniai iškeltą Makso Borno klausimą. O atsakymo nėra. Tai reiškia, kad klausimas buvo geras.

Eksperimentinis fizikos konstantų tyrimas galimai tęsis tol, kol nebus teorijos, kodėl jos yra konstantos arba esminio atradimo, paaiškinančio visatą. Kiekviena abejonė kosmose vykstančiais reiškiniais yra pagrindas tyrimui, nes esame susiję su kosmosu tais pačiais žvaigždėse gimusiais atomais, esame kosmoso vaikai. Jeigu tos konstantos yra konstantos, tai reiškia, kad visatos rūbas nuo jos gimimo nesikeičia ir tai kelia nuostabą. Apie tai plačiau rašiau knygoje „Ateitis jau atėjo“ (Tyto alba, 2015). Bet tos konstantos tokios yra tik maždaug keturiuose procentuose visatos, kuri yra sudaryta iš mums pažįstamų elementarių dalelių, atomų, molekulių ir pažįstamos medžiagos. Joje mes ir gyvename. Apie 96 proc. visatos sudaro mums nepažįstama ir nematoma tamsioji medžiaga ir energija. Kas žino, kokios yra tamsiosios medžiagos konstantos? Gal jos ir nematome todėl, kad jos yra kitokios. Ir CERN dalelių greitintuvas Ženevoje padarytų daug svarbesnį nei Higso dalelės atradimą (beje, jis dar nerado Higso dalelės partnerės, numatytos supersimetrijos teorijos), jeigu atrastų, kokios dalelės sudaro tamsiąją medžiagą, užpildančią didžiąją dalį visatos. Tik tada galėtume suprasti visatos rūbą ir pasakyti, ar jis keičiasi ir kaip, ar nesikeičia. Tik tada galėtume pasakyti, kad suprantame visatą, o ne jos 4 proc. evoliuciją. Visatos tyrimai svarbūs, nes kas nerodo pagarbos visatai, gauna nuo jos antausį.

LMA tikrasis narys, prof. Jonas Grigas

Komentarai (10)