Kadaise žydų persekiojimo ir materialinių sunkumų slegiamas fizikas Maksas Bornas, 1954 m. gavęs Nobelio fizikos premiją, atsidūręs be namų, pajamų ir pilietybės, nesiliovė galvojęs apie du skaičius, kurie jį jaudino po daugelio dešimtmečių atradimų ir sukurtų teorijų. Jam rūpėjo, kodėl tie skaičiai yra tokie ir kodėl jie išlieka nekintami. Siekis paaiškinti šias konstantas buvo viena iš varomųjų jėgų sukurti vieningą visatos aprašymo teoriją. Bornas ir vėliau daugelis kitų fizikų siekė sukurti vieningą teoriją, iš kurios sektų, kad gali būti tik viena nekintama šios konstantos vertė.
Kas yra konstantos ir kodėl jos svarbios?
Fizikoje egzistuoja dydžiai, kurie niekada nesikeičia ir vadinami konstantomis. Tokios konstantos yra šviesos greitis, gravitacijos konstanta, elektrono masė ir krūvis bei daug kitų. Jos laikomos vienodomis ir nekintamomis visatoje, tarsi fizikos „rūmo pastoliais“, apibūdinančiais visatos „rūbą“. Fizika ištobulėjo vis tiksliau matuojant šiuos dydžius. Borno galvoje nuolat kirbėjo du skaičiai, neturintys vienetų ir 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.
Plonoji struktūros konstanta (α)
Vienas toks santykis yra ypač įdomus. Jis jungia šviesos greitį c, elektrono krūvį e, Planko konstantą h ir vakuumo dielektrinę skvarbą ε. Šių dydžių sąryšį - plonąją struktūros konstantą 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.
Plonosios struktūros konstantos α reikšmė gyvybei
- 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.
Konstantų tikslumas ir vieningoji teorija
Dabar žinome, kad keturios fundamentaliosios 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 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, kurias dažnai naudojame, imdami jas iš žinynų, naudodami programinėje įrangoje šifruojant informaciją ir nesusimąstydami, kodėl jos yra tokios, o ne kitokios. 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.
Matuojant konstantas, 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. 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.
Protono ir elektrono masių santykio pastovumas
„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. Tikroji šio masių santykio vertė dabar laikoma 1836,15267389.
Visata praėjo tris svarbias fazes:
- Pradinę fazę po Didžiojo sprogimo, kai visatoje vyravo elektromagnetinė spinduliuotė.
- Kitą fazę, kurioje atsirado mums pažįstama medžiaga.
- Galiausiai 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. Tačiau 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 elektrono masių santykis kito mažiau nei 0,0005 proc. ir vargu ar šį kitimą galima laikyti kitimu. Išvada yra stulbinanti. Nors pokyčiai pasaulyje vyksta visur ir nuolatos, giliai slypi du skaičiai, kurie viską jungia ir kurie nesikeičia visoje visatoje. Ir mes nežinome kodėl? Šie skaičiai yra tarsi visatos egzistavimo mokslinė evangelija.
Konstantų matavimai ir visatos istorija
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, kuri matoma 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. 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, tačiau 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).
Tamsioji materija ir energija: nežinomos konstantos
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 tamsioji energija. Kas žino, kokios yra tamsiosios medžiagos konstantos? Gal jos ir nematome todėl, kad jos yra kitokios.
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.