Apie Europos branduolinių tyrimų organizacijos (CERN) liepos 4-ąją paskelbtą sensacingą žinią ir mokslo pažangą savaitraštis „15min“ kalbėjosi su Vilniaus universiteto Taikomųjų mokslų instituto Naujų medžiagų tyrimo ir matavimų technologijų skyriaus vedėju, profesoriumi Juozu Vidmantu Vaitkumi.
Jokio dieviškumo
– Didžiajame hadronų greitintuve atliktų bandymų rezultatai rodo, kad galų gale pavyko aptikti itin slapią dalelę, atitinkančią ilgai ieškotą Higgso bozoną ir galinčią paaiškinti, kaip medžiaga įgyja masę. Prireikė beveik 50 metų...
– Kažkada Isaacas Newtonas nustatė, kad svoris yra proporcingas masei, o Albertas Einsteinas paskelbė, kad energija proporcinga masei. Tačiau nė vienas iš jų taip ir neatsakė, kodėl egzistuoja masė.
Nagrinėjant visą elementariųjų dalelių pasaulį buvo siekiama sukurti bendrą sistemą. Tai pavyko padaryti – ta sistema vadinama standartiniu modeliu.
Standartinis modelis elementariųjų dalelių pasaulyje atitinka Periodinę cheminių elementų lentelę. Tačiau įsigilinimas į šių dalelių savybes parodė, kad greta jau atrastų dalelių, kurios suskirstytos į rūšis ir šeimas, reikalinga dar viena dalelė, kuri paaiškintų, kodėl vienos dalelės turi rimties masę, o kitos ne.
Patvirtinus teoriją paaiškėtų, kodėl egzistuoja masė, taptų aišku ir tai, kodėl egzistuoja traukos jėga, kitaip tariant, gravitacija.
1964 metais Edinburgo universiteto profesorius Peteris Higgsas pristatė teoriją, paaiškinančią, kodėl elementariosios dalelės, taip pat ir visi iš jų sudaryti kūnai, turi turėti masę. Jo teorija teigia, kad egzistuoja laukas, dabar vadinamas Higgso lauku, o dalelių masę užtikrina dalelė, kurią dabar vadiname Higgso bozonu. Patvirtinus teoriją paaiškėtų, kodėl egzistuoja masė, taptų aišku ir tai, kodėl egzistuoja traukos jėga, kitaip tariant, gravitacija.
Tokiu būdu profesoriaus sukurta teorija padėtų pakankamai gerai suprasti mus supantį pasaulį.
Prieš penkiasdešimt metų kilusi prielaida buvo tikrinama įvairiais būdais, kol Didžiajam hadronų greitintuvui padedant šių metų liepos 4-ąją paskelbta, kad, preliminariais duomenimis, pagaliau atrasta dalelė – Higgso bozonas. Tai sprendžiama iš vieno pagrindinių parametrų – jos masės, kuri atitinka tą, kokios buvo tikėtasi iš Higgso bozono.
Tačiau gauti duomenys, nors ir labai tikslūs, vis dar laikytini pirminiais: reikia laiko įsitikinti, ar tai iš tikrųjų yra ieškotasis Higgso bozonas, ar tiesiog kokia nors kita nauja dalelė.
– Žinia apie galimą Higgso bozono suradimą paskelbta kaip didžiausia sensacija. Prabilta apie kitokią Visatos sampratą ir naują erą fizikos istorijoje. Girdi, panaikinus masę, bus galima skristi greičiau už šviesą.
– Ką nors naujo atradus moksle dažniausiai kalbama tokiu tonu, lyg praeitis būtų paneigiama ir sukuriama kas nors įstabaus. Tačiau šiuo atveju žengiame į tam tikrą nežinomą sritį, o Higgso bozono atradimas reikštų, kad pasaulio pažinimo laiptais palypėjome tik viena pakopa aukščiau. Dabar galėsime spręsti kitus sudėtingus uždavinius, kuriuos matome egzistuojant, o nauji tyrinėjimai iškels ir naujų problemų.
Kalbas, kad, panaikinus kosminių laivų masę, jie galėtų skristi greičiau už šviesą, kol kas vadinčiau pasakomis. Elementariųjų dalelių fizika pagrįsta teoriniais modeliais. Todėl tam, kad tokie dalykai galėtų vykti, pirmiausia reikėtų juos sukurti ir tik po daugybės eksperimentų iškeltas prielaidas patvirtinti arba paneigti.
– Higgso bozonas dar vadinamas „dieviškąja dalele“. Iš kur kilo toks apibūdinimas?
– Kiekvienas žmogus susikuria vaizdinį, kuris jam atrodo priimtinas. Kalbėdamas apie dabartinio pasaulio susikūrimą, mokslas kelia hipotezę, kad jis susiformavo iš tam tikro vadinamojo singuliarinio taško, kuriame buvo visos dabar mus supančios galaktikos. Prieš milijardus metų jos sudarė ne tokį erdvinį vaizdą, kokį matome dabar, bet buvo viename medžiagos gabale.
Kai kas mano, kad Didžiojo sprogimo metu veikė ne Higgso bozonas, o Dievo ranka, todėl dalelę ir vadina dieviškąja.
Iš to vieno kūno jos išsibarstė Didžiojo sprogimo metu. Per jį ir susiformavo Higgso laukas, kuriame veikiantysis partneris buvo Higgso bozonas. Didžiojo sprogimo metu jie suteikė masę visą mūsų pasaulį sudarančioms dalelėms. Veikiamos Higgso bozono sukurtos gravitacijos jėgos, jos pasiskirstė taip, kaip dabar yra išsidėsčiusios planetos – Saulė, Žemė, žvaigždynai.
Kai kas mano, kad Didžiojo sprogimo metu veikė ne Higgso bozonas, o Dievo ranka, todėl dalelę ir vadina dieviškąja. Tai – metaforiškas pavadinimas, neturintis jokio ryšio nei su mokslu, nei su religija.
Tiesą sakant, net nežinau, kada tiksliai atsirado šis pavadinimas. Manau, pastarąjį dešimtmetį, kai pradėjo iš tikrųjų aiškėti, kad Higgso bozonas turėtų egzistuoti. Tačiau mokslininkai jo tikrai nevadina „dieviškąja dalele“.
– Vadinasi, daugybę metų iki tol P.Higgso teorija buvo vertinama skeptiškai? Galbūt ji netgi sutikta pašaipiai?
– Žymus mokslininkas Mike‘as Hawkinsas pralošė 100 JAV dolerių: kažkada jis kirto lažybų, kad Higgso bozono nėra. Bet dabar net ir jis pripažino, kad faktai, bylojantys apie tokios rūšies dalelės egzistavimą, yra neginčytini.
Pats P.Higgsas (jam dabar 83-eji, – red. past.) išreiškė didžiulį pasitenkinimą ir prisipažino nesitikėjęs, kad dalelė bus atrasta dar jam gyvam esant. Manau, už Higgso bozoną jam bus suteikta Nobelio premija.
Tai, ko nėra
– Mokslininkai sako, kad Higgso bozono atradimas atvers vartus į didžiausias Visatos paslaptis – taip pat ir į tamsiosios medžiagos prigimtį. Tiesą sakant, negamtamoksliui sunku suvokti, kas tai per medžiaga?
– Taip jau yra, kad didžioji dalis Visatos medžiagos arba neskleidžia jokios šviesos (elektromagnetinių bangų), arba skleidžia tokią silpną (o gal tik kitokią spinduliuotę), kurios aptikti kol kas neįmanoma. Kai žiūrime į dangų, o jame – visiška tamsa, manome, kad ten nieko nėra, nors visa erdvė yra užpildyta spinduliuote, likusia po Didžiojo sprogimo.
Elementariųjų dalelių fizikai, nagrinėjantys mūsų mikropasaulį, kelia prielaidą, kad Visatoje vis dėlto gali egzistuoti dalelės, kurios neaptinkamos elektromagnetinėmis (šviesos, mikrobangų, radijo) bangomis.
Nieko nematant, bet žinant, kad kažkas yra, ta materija pradėta vadinti tamsiąja medžiaga. Manoma, kad ji gali sudaryti netgi didesnę galaktikos masės dalį.
– Kaip galima nematyti, bet žinoti? Mokslininkai irgi vadovaujasi intuicija?
– Labiau logika (šypsosi). Astronomai pastebėjo, kad galaktikos yra žymiai sunkesnės nei sveria jose esančios žvaigždės ir visokiausios dujos. Vadinasi, yra dar kažkokia medžiaga, kurios neatpažįsta net šiuolaikinės mokslininkų naudojamos priemonės.
Todėl Higgso bozono suradimas leistų žengti kitą žingsnį – giliau nagrinėti visą mikropasaulio sandarą ir tai, kas moksliškai vadinama supersimetrijos teorija.
Todėl Higgso bozono suradimas leistų žengti kitą žingsnį – giliau nagrinėti visą mikropasaulio sandarą ir tai, kas moksliškai vadinama supersimetrijos teorija.
Kaip galima nematyti, bet žinoti? Įsivaizduokime vilkelį: kiekvienas vaikas žino, kad paleidus vilkelį jis sukasi tam tikru greičiu ir turi tam tikrą inerciją – kuo sunkesnis, tuo ilgiau sukasi.
Žiūrint į tam tikros rūšies galaktikas matyti, kad jos sukasi panašiai kaip vilkelis. Astronomai jau rado būdų įvertinti, kiek jose yra žvaigždžių, kiek dujų tarpžvaigždinėje erdvėje ir pan. Apskaičiavus tą masę, galima atlikti eksperimentą ir patikrinti, kiek laiko suktųsi toks vilkelis. Paaiškėjo, kad galaktikos sukasi kaip nepalyginti sunkesnis vilkelis. Taip atsirado hipotezė, kad galaktikose egzistuoja dar kažkokia medžiaga.
Tačiau tai tik vienas iš tyrimų metodų. Kitas, reikalaujantis gilesnių mokslinių žinių, parodė, kad galaktikos ir jų telkiniai veikia kaip vadinamieji gravitaciniai lęšiai – užlenkia šviesos bangas. Iš to, kaip galaktikos užlenkia tolesnių galaktikų skleidžiamą šviesą, galima nustatyti, kokia yra galaktikos telkinio masė. Tai irgi rodo, kad galaktikos yra kur kas sunkesnės nei jose esančių žvaigždžių ir dujų masė.
Netikėti atradimai
– Leiskite pabūti skeptike: mokslininkų smalsumas atsieina neįsivaizduojamus pinigus, tačiau kas iš to paprastam, dėl pasaulio sandaros galvos nesukančiam žmogui?
– Šiuo atveju tai yra grynai fundamentiniai tyrimai, skirti pasaulio pažinimo problemoms spręsti. Kasdienis vartotojas jokios realios naudos gauti negali.
Tačiau žmogų pasiekia mokslinių tyrimų metu netikėtai atrasti instrumentai. Pavyzdžiui, tam, kad galėtų veikti Didysis hadronų greitintuvas, mokslininkams pirmiausia reikėjo išmokti sukurti protonų greitintuvus. Tai padarius paaiškėjo, kad protonų pluoštą galima labai efektyviai panaudoti kaip patį geriausią chirurginį peilį vėžio metastazėms naikinti.
Jei fizikams CERN centre nebūtų reikėję spręsti sudėtingų uždavinių, galbūt dar neturėtume interneto.
Japonijoje įrengtame Protonų spindulinės terapijos centre atliekami vėžio ligos gydymo tyrimai ir kuriamos pažangiausios protonų pluošto terapijos sistemos. Protonai pasiekia didelį greitį ir jų energija koncentruojama į naviką. Tokia terapija itin pagerina vėžiu sergančiųjų gyvenimo kokybę, nes šis gydymas nesukelia skausmo ir mažiau veikia kitas organizmo funkcijas.
Terapija grindžiama moduliuoto intensyvumo protonų terapija, kurios metu galima geriau kontroliuoti apšvitinimo dozes: galima parinkti tokią dalelių energiją, kuri ardys tik naviką, esantį, tarkime, dviejų centimetrų po oda gylyje, tačiau neveiks sveikų audinių ar organų. Tai – labai efektyvu.
Kitas pavyzdys – wi-fi technologija, kilusi iš radijo astronomijos, kai mokslininkai kūrė specialią programinę įrangą ištirti, kiek kokių dujų yra kitose galaktikose bei kokie kiti objektai kosminėje erdvėje spinduliuoja mikrobangas.
Maža to, jei fizikams CERN centre nebūtų reikėję spręsti sudėtingų uždavinių, galbūt dar neturėtume interneto.
– Didieji eksperimentai vykdomi CERN laboratorijoje – 27 km ilgio idealaus apskritimo žiede 100 metrų po žeme. Bet ten gautus duomenis apdoroja gausios mokslininkų pajėgos visame pasaulyje. Lietuvoje – irgi. Globalizacija džiugina?
– Į šiuolaikinius tyrimus įsitraukia tarptautinė mokslininkų bendruomenė. Anksčiau tas pats mokslininkas iškeldavo hipotezę, sukurdavo jai patikrinti reikalingą modelį ir atlikdavo visus tyrimus.
Dabar vieni mokslininkai sugalvoja teoriją, kiti kuria įrenginį jai pagrįsti, treti pradeda tą prietaisą eksploatuoti ir tik ketvirti apdoroja gautus rezultatus – patikrina, ar pirmųjų idėja buvo teisinga. Įsitraukimas į pasaulinio lygio projektus motyvuoja, tačiau kone visi mokslininkai sako, kad anksčiau, kai viską nuo pradžių iki galo atlikdavai pats, dirbti buvo nepalyginamai įdomiau.
– Jei galutinai pasitvirtins, kad Didžiajame hadronų greitintuve atrastas Higgso bozonas, kokie tyrimai lauks ateityje?
– Turėjau galimybę asmeniškai paklausti CERN laboratorijos generalinio direktoriaus, kokie tolesni planai. Atsakyta, kad ketinama statyti kitos rūšies greitintuvą – ne žiedinį, o linijinį, kuriame būtų galima atlikti naujų eksperimentų. Tačiau kol kas tai tik idėja. Prieš tai reikia sukurti modelį, kuris veiktų, o tai gali trukti dešimtmečius.
Kelia grėsmę Žemei?
Didysis hadronų priešinių srautų greitintuvas (Large Hadron Collider – LHC) yra 27 km ilgio apskritimo formos 100 m gylio tunelis Šveicarijos–Prancūzijos pasienyje. Šviesos greičiui beveik prilygstančiu greičiu supriešinę du pluoštus dalelių, mokslininkai stengiasi atkurti sąlygas, kurios egzistavo po vadinamojo Didžiojo sprogimo. Tokiu būdu tikimasi įminti Visatos sukūrimo mįslę.
Šio eksperimento kritikai teigia, kad 9 mlrd. dolerių kainavęs projektas yra pasaulio pabaigos įrenginys, kuris sunaikins planetą. Jie bijo, kad eksperimento metu susidariusios juodosios skylės gali įtraukti Žemę, tačiau CERN laboratorijos mokslininkai šią teoriją neigia.
Neigimas pagrįstas Argentinoje įrengtoje Pierre Auger kosminių spindulių tyrimo laboratorijoje gautais rezultatais, kurie parodė, kad Žemę bombarduoja kosminės prigimties dalelės, kurių energija milijonus kartų viršija tai, ką žmogus sukuria CERN laboratorijoje, – ir nieko neatsitinka.
