Fizika – ko mēs zinām un ko nezinām

Pēdējo piecdesmit gadu laikā divas lielas fizikas nozares piedzīvojušas vēsturiskas pārmaiņas. 60. gadu sākuma kosmoloģiju un tikpat lielā mērā arī elementārdaļiņu fiziku es atceros kā savā starpā konkurējošu pieņēmumu kakofoniju. Šodien abos gadījumos mūsu rīcībā jau ir pa vienai plaši pieņemtai teorijai, kas pazīstama kā tā saucamais “standarta modelis”.

Kosmoloģija un elementārdaļiņu fizika pievēršas attiecīgi pašiem lielākajiem un pašiem sīkākajiem attālumiem, par kādiem mūsu rīcībā ir drošas zināšanas. Kosmologs raugās uz kosmosa horizontu, maksimālo attālumu, kādā gaisma būtu varējusi aizceļot tajos vairāk nekā desmit miljardos gadu, kopš Visums kļuvis gaismas caurlaidīgs; elementārdaļiņu fiziķis pēta attālumus, kas daudz mazāki par atoma kodolu. Un tomēr mūsu standarta modeļi tik tiešām darbojas – tie ļauj mums izteikt ļoti precīzas skaitliskas prognozes, kuras, kā pēc tam izrādās, apstiprina novērojumi.

Līdz zināmai stadijai kosmoloģijas un elementārdaļiņu fizikas vēsture ir stāstāma atsevišķi, tomēr ar laiku šie stāsti saplūst vienā.

1.

Kosmoloģijas zinātne aizsākās 20. gadsimta 20. gados. Toreiz tika atklāts, ka mazie mākonīši, kas vienmēr nemainīgās vietās saskatāmi starp zvaigznēm, patiesībā ir tālas galaktikas, līdzīgas mūsu Piena Ceļam, un katrā no tām ir miljardiem zvaigžņu. Pēc tam noskaidrojās, ka visas šīs galaktikas traucas projām no mums un cita no citas. Vairākus gadu desmitus kosmoloģiskie pētījumi izpaudās gandrīz vai vienīgi kā mēģinājumi noteikt Visuma izplešanās ātrumu un izmērīt tā izmaiņas.

Dīvainā kārtā toreiz visai maz uzmanības pievērsa kādam neizbēgamam secinājumam: ja jau galaktikas virzās projām cita no citas, tad kaut kad pagātnē bijis laiks, kad tās visas bijušas saspiestas cieši kopā. No izmērītā izplešanās ātruma varēja secināt, ka šāds laiks bijis pirms vairākiem miljardiem gadu. 40. gadu beigās aprēķini parādīja, ka agrīnajam Visumam bija jābūt ļoti karstam, pretējā gadījumā viss izplatījumā atrodamais ūdeņradis (šajos laikos – visplašāk sastopamais elements) būtu pārvērties smagākos elementos. Karstā matērija būtu izstarojusi gaismu – gaismu, kura būtu nonākusi līdz mūsdienām kā tikko jaušamas pēdas no mikroviļņu starojuma, kas, Visumam izplešoties, atdzisis līdz savai pašreizējai temperatūrai dažus grādus virs absolūtās nulles.[1. Tiek pieņemts, ka starojumam piemīt noteikta temperatūra, ja tās enerģija uz tilpuma vienību visos viļņu garumos ir tāda pati kā starojumam alā, kuras sienas tiek uzturētas šajā temperatūrā. Šis starojums pārsvarā ir redzamā gaisma, ja temperatūra ir daži tūkstoši grādu. Tas ir infrasarkanais starojums, ja temperatūra ir tāda, kādu esam pieraduši sastapt savā ikdienas dzīvē, un mikroviļņu starojums, ja temperatūra ir daži grādi virs absolūtās nulles.]

Toreiz neviens nemēģināja uziet kosmiskā mikroviļņu fona starojuma paliekas, un šis pieņēmums tika gandrīz aizmirsts. Kādu laiku daži teorētiķi pat uzskatīja, ka stāvoklis, kādā pastāv Visums, ir noturīgs – ka tas vienmēr izskatās aptuveni vienādi un pastāvīgi rodas jauna matērija, kas aizpilda telpu starp izklīstošajām galaktikām.

Zinātniskās kosmoloģijas modernā ēra sākās pirms četrdesmit astoņiem gadiem, kad nejauši tika atklāts kosmiskais mikroviļņu fona starojums. Līdz ar to tika pielikts punkts statiskā Visuma kosmoloģijai; kļuva skaidrs, ka pastāvējis kaut kāds agrīnais universs. Kopš 60. gadu vidus šo relikto starojumu intensīvi pētīja gan no bezapkalpes mākslīgajiem pavadoņiem orbītā, gan no lieliem radioteleskopiem tepat uz Zemes. Tagad zināms, ka starojuma pašreizējā temperatūra ir 2,725 °C virs absolūtās nulles. Kad šo lielumu izmanto aprēķinos par atomu kodolu veidošanos pirmajās trīs minūtēs kopš Lielā sprādziena sākuma, prognozētais pašreizējais vieglo elementu (ūdeņraža, hēlija un litija izotopu) līmenis lielā mērā saskan ar novērojumiem. (Ir zināms, ka smagākie elementi veidojas zvaigznēs.)

Vēl svarīgāks par precīziem mērījumiem bija 1977. gadā izdarītais atklājums, ka mikroviļņu starojuma temperatūra nav vienāda visā izplatījumā. Tajā vērojami nelieli negludumi – svārstības apmēram vienas simttūkstošās daļas apmērā. Tas nebija gluži pārsteigums. Šādus negludumus vajadzēja izraisīt nelielajiem agrīnā Visuma matērijas “kunkuļiem”, kas nepieciešami kā sēklas vēlākai gravitācijas izraisītai matērijas sabiezēšanai galaktikās.

Šos sabiezējumus un negludumus izraisīja haotiski skaņas viļņi agrīnā Visuma matērijā. Kamēr vien izplatījuma temperatūra noturējās augstāka par aptuveni 3000 grādiem, elektroni šajā karstajā matērijā palika nepiesaistīti un turpināja pastāvīgi izkaisīt savu starojumu, un skaņas viļņu sablīvēšanās un izretināšanās radīja attiecīgas izmaiņas starojuma intensitātē. Mēs nevaram tieši ielūkoties šajā ērā, jo starojuma un brīvo elektronu mijiedarbība padarīja Visumu necaurspīdīgu. Taču, kad Visums atdzisa līdz 3000 grādiem, brīvie elektroni saslēdzās ūdeņraža atomos, un Visums kļuva caurspīdīgs. Tajā laikā eksistējošais starojums izdzīvojis līdz mūsdienām; sekojošās Visuma izplešanās atdzesēts, tas tomēr saglabā pēdas, ko atstājuši skaņas viļņi, kuri piepildīja Visumu, pirms tas kļuva caurspīdīgs.

Minētie fizikas procesi neizbēgami kļuva par intensīvas novērošanas un teorētisku pētījumu priekšmetu. Šis darbs parādīja, ka izplatījums piepeši kļuvis caurspīdīgs aptuveni 380 000 gadu pēc atoma kodola rašanās. Pēc novērotajām kosmiskā mikroviļņu fona starojuma negludumu detaļām mēs varam aprēķināt daudzumus, kādos dažādas elementārdaļiņas bijušas sastopamas pirms caurspīdības iestāšanās.

Rezultāti atklāj jaunu noslēpumu. Izrādās, ka ar mums jau pazīstamajām daļiņām nepietiek, lai būtu iespējama vajadzīgā karstās matērijas masa, kurā izplatījušies skaņas viļņi. Veselām piecām sestdaļām no Visuma masas jābūt kaut kādai “tumšajai matērijai”, kas neizstaro un neabsorbē gaismu. Tāda tumšās matērijas daudzuma eksistenci jau bija iespējams secināt no fakta, ka galaktiku puduri turas vienkop ar gravitācijas spēku, neraugoties uz atsevišķo galaktiku lielajiem un atšķirīgajiem ātrumiem. Tā ir liela mīkla: kas ir šī tumšā matērija? Teoriju netrūkst, un sākušies mēģinājumi ar detektoriem notvert apkārtējā vidē sastopamas tumšās matērijas daļiņas vai to bojāejas paliekas un radīt tumšo matēriju daļiņu paātrinātājos. Taču pagaidām tumšā matērija nav atrasta, un neviens nezina, kas tā īsti ir.

Astronomi turpina darbu arī pie agrākā projekta, mērot ātrumu, ar kādu galaktikas virzās projām no mums un cita no citas. Viņu paveiktais darbs ļāvis izdarīt ievērojamu atklājumu. Agrāk tika gluži dabiski pieņemts, ka galaktiku savstarpējās pievilkšanās rezultātā Visuma izplešanās pamazām palēninās, gluži tāpat kā gaisā pasviests akmens Zemes pievilkšanas spēka ietekmē palēnina savu lidojumu augšup. Galvenais jautājums vienmēr bijis – vai Visuma izplešanās kaut kādā brīdī apstāsies un pāries pretējā procesā (kā akmens nokrīt atpakaļ uz Zemes), vai arī, neraugoties uz palēnināšanos, tā tomēr turpināsies bezgalīgi (tāpat kā savu ceļu turpinātu akmens, kas pasviests gaisā ar ātrumu, kāds nepieciešams, lai izrautos no Zemes pievilkšanas spēka ietekmes).

1998. gadā, izmantojot eksplodējošu zvaigžņu redzamo spožumu, lai izmērītu tālu galaktiku attālumu, divas astronomu grupas konstatēja, ka Visuma izplešanās ne tikai nepalēninās, bet drīzāk jau otrādi – paātrinās. Vispārīgās relativitātes teorijas ietvaros to iespējams izskaidrot vienīgi ar enerģiju, kas nav ieslodzīta nekādu daļiņu (vienalga, tumšo vai parasto) masā, – ar “tumšo enerģiju”, kas piemīt pašai telpai un rada sava veida antigravitāciju, kura grūž galaktikas projām citu no citas.

No šiem mērījumiem, kā arī pētījumiem, kas veltīti Visuma izplešanās ietekmei uz kosmisko fona starojumu, secināts, ka tumšā enerģija tagad veido trīs ceturtdaļas no visas izplatījumā eksistējošās enerģijas. Mēs esam uzzinājuši arī, ka Visuma izplešanās ilgst 13,8 miljardus gadu, kopš tas kļuvis caurspīdīgs. Un tā mūsu rīcībā tagad ir kosmoloģijas standarta modelis: mūsu Visums izplešas un sastāv lielākoties no tumšās enerģijas un tumšās matērijas. Šai tumsai ir neliels piemaisījums, ne vairāk par dažiem procentiem no kopējā apjoma; tā ir parastā matērija, no kuras sastāv zvaigznes un planētas – un arī mēs.2.

Elementārdaļiņu fizikas vēsture gājusi citu ceļu nekā kosmoloģija. Datu bada vietā mēs pirms piecdesmit gadiem piedzīvojām īstus plūdus, tikai šo informāciju nesapratām. Kad šī fizikas nozare beidzot sāka attīstīties, tas lielākoties notika, pateicoties sasniegumiem teorijā; eksperimenti pildīja tiesneša lomu dažādu konkurējošu hipotēžu sacensībā, šad un tad sagādājot arī pa kādam veselīgam pārsteigumam.

40. gadu beigās mūsu rīcībā bija laba teorija attiecībā uz vienu no spēkiem, kas iedarbojas uz elementārdaļiņām, tādām kā elektroni, – elektromagnētisko spēku. Šī teorija, kvantu elektrodinamika, ir viens atsevišķs piemērs plašākai kategorijai, kas pazīstama kā kvantu lauku teorijas. Proti, lielumi, kas parādās galvenajos vienādojumos, ir lauki, kuri aizpilda telpu, kā ūdens – vannu. Elementārdaļiņas ir sekundāras, tās ir šo lauku “kvanti”, lauku enerģijas un inerces saišķīši – kā virpuļi ūdenī. Fotoni, gaismas enerģijas bezmasas daļiņas, ir elektromagnētiskā lauka kvanti, un elektroni ir elektronu lauka kvanti.

Kvantu elektrodinamikā aprēķinus iespējams veikt ar lielu precizitāti, jo spēki ir samērā vāji. Kvantu lauku teorijā jebkura procesa ātrumu var izteikt kā summu, kurā katrs saskaitāmais atbilst vienam iespējamam starpposmam procesa gaitā. Piemēram, kad saduras divi elektroni, viens no tiem var izstarot fotonu, ko absorbē otrs elektrons, vai arī viens elektrons var izstarot divus fotonus, ko absorbē otrs elektrons tajā pašā vai apgrieztā secībā, kā tie tikuši izstaroti, vai arī viens elektrons var izstarot divus fotonus, un vienu no tiem absorbē tas pats elektrons, kurš to izstarojis, bet otru – otrs elektrons, un tā tālāk.

Vienmēr pastāv bezgalīgs iespējamo variantu skaits, un tas būtībā padara neiespējamus precīzus aprēķinus, taču, kad spēki ir vāji, galvenie saskaitāmie procesa ātruma aprēķinos ņemti no pašiem vienkāršākajiem scenārijiem. Kvantu elektrodinamikā, ņemot vērā tikai dažus vislielākos saskaitāmos, izdevās iegūt rezultātus, kas pārsteidzoši tuvu saskan ar eksperimentos gūtajiem. Pirms piecdesmit gadiem daži sapņoja par iespēju atrast kādu aptverošāku kvantu lauku teoriju, kas aprakstītu visas dabā sastopamās daļiņas un spēkus tikpat veiksmīgi, kā tas jau bija izdevies kvantu elektrodinamikai ar fotoniem un elektroniem. Un tā tas tik tiešām (vairāk vai mazāk) arī noticis.

Tas prasīja laiku. Pastāv vēl viens spēks, vēl vājāks par elektromagnētisko, – tā saucamais vājās mijiedarbības spēks jeb vājais kodolspēks, kas neitronu atoma kodolā reizēm pārvērš par protonu vai otrādi.

Līdz 50. gadiem radioaktivitātes pētījumi bija noveduši pie kvantu lauku teorijas par vājo mijiedarbību, kas labi darbojās, izskaidrojot pastāvošos datus. Nelaime tāda, ka, tiklīdz teoriju mēģināja izstiept plašāku par pierastajiem radioaktivitātes rāmjiem un izmantot, lai veiktu aprēķinus par eksotiskiem procesiem, kurus praktisku iemeslu dēļ nebija iespējams pētīt eksperimentāli, rezultāti bija bezgalīgi lielumi – kas, protams, ir bezjēdzīgi. Ar līdzīgu problēmu zinātnieki saskārās kvantu elektrodinamikas agrīnajā periodā, taču tad teorētiķi saprata, ka bezgalīgie lielumi savā starpā noīsināsies[2. Proti, daži saskaitāmie ātruma vai enerģijas izteiksmē ir pozitīvi un bezgalīgi, bet citi – negatīvi un bezgalīgi, taču summa ir galīga.], ja būs definēta elektrona masa un lādiņš (šo procedūru sauc par “normalizāciju”). Nelikās, ka šāda noīsināšanās būtu iespējama vājās mijiedarbības spēka gadījumā.

60. gadu beigās tika atrasts risinājums – jauna kvantu lauku teorija. Tā ne tikai bija izstrādāta pēc kvantu elektrodinamikas parauga, bet arī iekļāva kvantu elektrodinamiku kā īpašu gadījumu. Tāpat kā elektromagnētiskie spēki izplatās fotonu apmaiņas ceļā, tā arī vājās mijiedarbības spēks šajā “elektrovājās” mijiedarbības teorijā izplatās, apmainoties radniecīgām daļiņām, kas nosauktas par W⁺, W⁻ un Z⁰.

Šāda veida pieņēmumi sastapās ar acīmredzamu problēmu: fotoniem masas nav, turpretim jebkurām jaunām daļiņām, tādām kā šīs W⁺, W⁻ un Z⁰, vajadzēja būt ļoti smagām, citādi tās būtu atklātas jau pirms vairākiem desmitiem gadu, – jo smagāka daļiņa, jo lielāka enerģija nepieciešama, lai to radītu daļiņu paātrinātājā, un jo dārgāks šis paātrinātājs. Aktuāla bija arī ietiepīgā bezgalīgo lielumu problēma. Atrisinājums slēpās idejā, ko sauc par simetrijas laušanu; tā attīstīta un veiksmīgi pielietota citās daļiņu fizikas nozarēs kopš 60. gadiem. Jebkuras teorijas vienādojumiem var piemist zināmi vienkāršojumi, tā, piemēram, attiecības starp fotonu, W⁺, W⁻ un Z⁰ nav atspoguļotas mūsu reālo novērojumu aprakstošo vienādojumu atrisinājumos. Elektrovājās mijiedarbības teorijā starp vājajiem un elektromagnētiskajiem spēkiem pastāv precīza simetrija, no kā izrietētu, ka W⁺, W⁻ un Z⁰ nav masas – ja vien simetriju nelauztu četri hipotētiski “skalārie” lauki[3. Skalārs lauks ir tāds, kurš nav orientēts kādā telpas virzienā – atšķirībā no magnētiskā un elektriskā lauka, kuriem piemīt izteikta virziena “izjūta”.], kuri plešas pa visu universu un no kuriem W⁺, W⁻ un Z⁰, kā arī elektroni iegūst savu masu. Pagājušajā gadā atklāta jauna daļiņa, kas, pēc visa spriežot, izrādīsies prognozētais viena šāda skalārā lauka kvants.

Ņemot vērā to, ka elektrovājās mijiedarbības teorijas vienādojumi ir līdzīgi kvantu elektrodinamikas vienādojumiem, likās ticami, ka visi bezgalīgie lielumi teorijā noīsināsies. To izdevās pierādīt 1971. gadā. 1973. gadā novēroja Z⁰ daļiņu apmaiņas efektu, un izrādījās, ka tas saskan ar elektrovājās mijiedarbības teorijas prognozēto. Pašas W⁺, W⁻ un Z⁰ daļiņas atklāja desmit gadus vēlāk, un tām konstatēja visas prognozētās īpašības.

Mazliet ilgāks laiks pagāja, līdz izdevās izprast citu spēku – stiprās mijiedarbības spēku, kas atoma kodolā satur kopā protonus un neitronus. Pirms piecdesmit gadiem mums par šo spēku bija savākts vesels datu kalns, un mēs varējām iztēloties neskaitāmas kvantu lauku teorijas, kas to varētu izskaidrot. Taču mums nebija iespējas šos datus izmantot, lai izvēlētos pareizo teoriju. Šis spēks ir ļoti stiprs, tāpēc jebkura no iespējamām procesa starpposmu virknēm būtiski ietekmē mūsu aprēķinus. Bija bezcerīgi mēģināt pat aptuveni aplēst šo lielumu kopējo vērtību, kā tas bija iespējams elektrovājās mijiedarbības teorijas gadījumā.

Vēl ļaunāk – gāja laiks, un tika atklātas arvien jaunas daļiņas, ko ietekmē stiprais kodolspēks. Likās maz ticami, ka visi šie simti daļiņu veidu varētu būt dažādu lauku kvanti, t.i., šo lauku enerģijas saišķīši, un katra veida daļiņai atbilstu cits lauks. Kaut kādā mērā daļiņu daudzveidību varēja izskaidrot, pieņemot, ka tie ir nedaudzu veidu īstu elementārdaļiņu – kvarku – savienojumi. Tika pieņemts, ka atoma kodolā katrs protons un neitrons sastāv no trīs kvarku kombinācijas. Taču tādā gadījumā kāpēc šos kvarkus nebija izdevies atrast nevienā eksperimentā? Atceros tolaik plaši izplatītās mokošās šaubas par to, vai stiprās mijiedarbības spēkus vispār iespējams aprak­stīt ar kādas kvantu lauku teorijas palīdzību.

Taču 70. gadu sākumā tika atklāta īstā teorija. Tāpat kā veiksmīgā elektrovājās mijiedarbības teorija, arī tā izrādījās līdzīga kvantu elektrodinamikai, vienīgi tagad elektriskā lādiņa vietu ieņēma lielums, ko sauc par “krāsu”.

Šajā teorijā, kas pazīstama ar nosaukumu kvantu hromodinamika, stiprā mijiedarbība starp kvarkiem rodas, tiem apmainoties ar fotoniem līdzīgām astoņu veidu daļiņām, ko sauc par gluoniem. Kvantu hromodinamika izskaidroja eksperimentos veikto novērojumu: stiprā mijiedarbība starp kvarkiem šķiet vājināmies, kad tos aplūko sīku attālumu mērogos, piemēram, kad tos apšauda ar augsti enerģizētiem elektroniem. Spēka vājināšanās ļāva veikt dažādus aptuvenus aprēķinus, kas līdzīgi elektrovājās mijiedarbības teorijā sastopamajiem. To iznākums saskanēja ar eksperimentu rezultātiem, apstiprinot teoriju.

Gluoni nav atrasti nevienā eksperimentā. Iesākumā pieņēma, ka tas ir tāpēc, ka šo daļiņu masa ir pārāk liela, lai tās varētu radīt pašreizējos paātrinātājos. Gluoni var iegūt lielu masu ar simetrijas laušanas palīdzību, gluži tāpat kā W⁺, W⁻ un Z⁰ elektrovājās mijiedarbības teorijā. Taču pat šādā gadījumā paliktu noslēpums, kāpēc kvarki nekad nav atrasti. Grūti noticēt, ka kvarki būtu tik ļoti smagi; tie nevar būt daudz smagāki par tādām daļiņām kā protoni un neitroni, kuri tos satur.

Tad daži teorētiķi izteica pieņēmumu, ka, ja reiz stiprās mijiedarbības spēks kvantu hromodinamikā vājinās, kad to aplūko nelielu attālumu mērogā, varbūt tas kļūst ļoti spēcīgs lielos attālumos – tik spēcīgs, ka “krāsainās” daļiņas, tādas kā kvarki un gluoni, ir neiespējami atraut citu no citas. Matemātiski neviens to nav pierādījis, bet vairums fiziķu uzskata, ka tā ir taisnība, un, šķiet, nav nekādu izredžu, ka jebkad tiks atrasti atsevišķi kvarki vai gluoni.

Tātad tagad mums ir elementārdaļiņu fizikas standarta modelis. Tā elementi ir kvantu lauki un dažādās elementārdaļiņas, kas ir šo lauku kvanti: fotoni, W⁺, W^- un Z⁰ daļiņas, astoņi gluoni, sešu veidu kvarki, elektroni un divu tiem līdzīgu veidu daļiņas, kā arī trīs veidi tikpat kā bezmasas daļiņu, ko sauc par neitrīno. Šīs teorijas vienādojumi nav patvaļīgi izraudzīti, tos cieši iegrožo dažādi simetrijas principi un bezgalīgo lielumu noīsināšanās nosacījums.

Un tomēr ir pilnīgi skaidrs, ka šis standarta modelis nav galīgā teorija. Tā vienādojumos izmantota vesela rinda skaitļu (piemēram, kvarku masas lielums), ko esam spiesti paņemt no saviem eksperimentiem, tā arī nesaprotot, kāpēc tie ir tādi, kādi tie ir. Ja standarta modelis būtu izsmeļoša atbilde uz visiem jautājumiem, tas prasītu, lai neitrīno masa ir vienāda ar nulli, taču patiesībā tā ir tikai ārkārtīgi niecīga, mazāka par miljono daļu no elektrona masas. Turklāt standarta modelis neiekļauj spēku, ko pazīstam visilgāk un vislabāk, – gravitācijas spēku. Gravitāciju mēs parasti aprakstām ar lauka teorijas – vispārīgās relativitātes teorijas – palīdzību, taču šī nav kvantu lauku teorija, kurā bezgalīgi lielumi savstarpēji noīsinās kā standarta modelī.

Kopš 80. gadiem liels matemātiski sarežģīts darbs ieguldīts, lai izstrādātu kvantu teoriju, kuras pamatelementi ir nevis daļiņas vai lauki, bet gan sīkas stīgas, kuru dažādos vibrācijas veidus mēs novērojam kā dažādās elementārdaļiņas. Vienam no šiem veidiem atbilst gravitons, gravitācijas lauka kvants. Ja stīgu teorija būtu pareiza, tā neatceltu lauku teorijas, tādas kā standarta modelis vai vispārīgā relativitāte; tās vienkārši tiktu pazeminātas statusā par “spēkā esošām lauku teorijām”, tuvinājumiem, kas ir spēkā tajos attāluma un enerģijas mērogos, kādus līdz šim esam spējuši izpētīt.

Stīgu teorija ir pievilcīga ar to, ka iekļauj gravitāciju, nesatur bezgalīgus lielumus un tās struktūru ciešos grožos tur matemātiskās konsekvences nosacījumi, tātad, pēc visa spriežot, pastāv tikai viena stīgu teorija. Diemžēl, lai gan mēs pagaidām vēl precīzi nezinām stīgu teorijas galvenos vienādojumus, ir pamats domāt, ka, lai kādi tie būtu, tiem iespējami ļoti daudzi atrisinājumi. Es vienmēr esmu bijis stīgu teorijas cienītājs, tomēr zināmu vilšanos sagādā tas, ka nevienam līdz šim vēl nav izdevies atrast atrisinājumu, kas atbilstu pasaulei, kuru mēs novērojam.

3.

Elementārdaļiņu fizikas un kosmoloģijas risinātie jautājumi arvien vairāk saplūst. Viena no kosmoloģijas klasiskajām problēmām ir šāda: kāpēc Visums ir gandrīz viendabīgs? 13,8 miljardi gadu, kopš tas ir caurspīdīgs, nav pietiekams laiks, lai jebkāda fizikāla mijiedarbība būtu varējusi savienot Visuma daļas tā pretējās pusēs un novest līdz blīvuma un temperatūras homogenitātei, par kādu liecina novērojumi. 80. gadu sākumā tika atklāts, ka, atbilstoši dažādām kvantu lauku teorijām, pirms izveidojās atomu kodoli, bija jābūt inflācijas jeb “uzpūšanās” periodam, kura laikā Visums izpleties eksponenciāli. Izteikti viendabīgi apgabali, sākumā pavisam niecīgi, inflācijas laikā esot izpletušies lielāki par pašreiz novērojamā Visuma izmēriem, joprojām saglabājot viendabīgumu. Šis ir visai spekulatīvs pieņēmums, bet ar iespaidīgiem panākumiem: aprēķini liecina, ka kvantu fluktuācijas inflācijas laikā dažus simtus tūkstošu gadu vēlāk izraisītu tieši tādus haotiskus skaņu viļņus, kādu pēdas mēs tagad saskatām kosmiskajā fona starojumā.

Inflācija pēc savas dabas ir haotiska. Visumam izplešoties, veidojušies burbuļi, un katrs no tiem attīstījies par lielāku vai mazāku sprādzienu – iespējams, ar dažādām vērtībām tam, ko parasti sauc par dabas konstantēm. Viena burbuļa iemītnieki (ja tādi ir) nevar novērot citus burbuļus, tāpēc paši savu burbuli uztver par visu universu. Šo atsevišķo visumu (universu) kopumu tagad pieņemts saukt par multiversu.

Šie burbuļi var realizēt visus atšķirīgos stīgu teorijas vienādojumu atrisinājumus. Ja tā patiešām ir, tad mūsu centieni atrast racionālu izskaidrojumu precīzajām kvarku masas vērtībām un citām mūsu Lielajā sprādzienā novērojamajām standarta modeļa konstantēm ir nolemti neveiksmei, jo šīs vērtības būtu vienīgi konkrētās mūsu apdzīvotās multiversa daļas nejaušība. Mums vajadzētu samierināties ar primitīvi antropisku skaidrojumu dažiem mums redzamā izplatījuma aspektiem: jebkurām mums līdzīgām būtnēm, kas spējīgas pētīt universu, jāpieder pie tādas Visuma daļas, kurā dabas konstantes pieļauj dzīvības un saprāta attīstīšanos. Var izrādīties, ka cilvēks tik tiešām ir visu lietu mērs, lai gan ne gluži tādā izpratnē, kā to domāja Protagors.

Pagaidām šķiet, ka šis antropiskais pieņēmums piedāvā vienīgo izskaidrojumu novērotajai tum­­šās enerģijas vērtībai. Standarta modelī un visās pārējās zināmajās kvantu lauku teorijās tumšā enerģija ir tikai dabas konstante. Tai varētu būt jebkāds apjoms. Ja mēs nezinātu, ka tā nav, tad varētu pieņemt, ka tumšās enerģijas blīvums līdzināsies elementārdaļiņu fizikai tipiskajiem enerģijas blīvumiem, piemēram, tam, kas novērojams atoma kodolā. Taču tādā gadījumā Visums būtu izpleties tik strauji, ka nebūtu izveidojušās nekādas galaktikas, zvaigznes vai planētas. Lai attīstītos dzīvība, tumšā enerģija nevarētu būt daudz lielāka par mūsu novēroto apjomu, un nav nekāda iemesla, kāpēc tai vajadzētu būt mazākai.

Tik primitīvi antropiski izskaidrojumi nav tas, ko mēs fizikā cerējām atrast, taču var gadīties, ka nāksies ar tiem apmierināties. Fizika vēsturiski attīstījusies, ne tikai atrodot precīzus dabas parādību izskaidrojumus, bet arī atklājot, ko vispār iespējams precīzi izskaidrot. Un tādu lietu var izrādīties mazāk, nekā mēs agrāk domājām. 

No angļu valodas tulkojusi Sabīne Ozola
The New York Review of Books, 7.11.2013.