Mums labai pasisekė, kad Žemėje atsirado gyvybė. Pasisekė, kad galėjo išsivystyti kažkas tokio sudėtingo, kaip žmogus. Jau nekalbant apie labai mažą tikimybę, kad susitiks būtent kiekvieno iš mūsų tėvai. Ne didesnė tikimybė buvo ir tai, kad jūs būsite pradėti tam tikru metu, jog gimėte būtent jūs. Ir šios neįtikėtinos tikimybės tęsiasi atgal link jūsų senelių, ir jų tėvų, ir jūsų senelių, prosenelių, ir taip toliau, iki pat neatmenamų laikų. Tai yra mokslo būdas jums priminti, kokie dėkingi turėtumėte būti už tai, kad esate ir ką turite.
Tačiau net ir žinant visa tai, viskas yra dar sudėtingiau. Daug sudėtingiau. Jūsų egzistavimas nepriklausė vien tik nuo jūsų protėvių įsimylėjimo ir sėkmių. Taip pat priklausė ir nuo absurdiškai nuostabiai suderintos visatos. Jei visata būtų „nusprendusi“ nors maža dalele padidinti savo elektromagnetinės sąveikos jėgą – žvaigždėse nebegalėtų gamintis jokie sunkieji elementai. Jau nekalbant apie milžiniško, šlapio uolienos rutulio susidarymą, ant kurio mes dabar stovime. Dar blogiau: jei visata būtų nors nežymiai tankesnė, nei yra dabar – ji būtų sužlugusi dar prieš jai prasidedant.
Tarsi to būtų maža, net ir dabar fizikos dėsniai, atrodo, veikia nusistatę prieš mus. Ir tai nėra tik atsitiktinis priešiškumas, tai – nuolatinis ir agresyvus priešiškumas.
Visatos simetrija
Su kolegomis fizikais mėgstame apsimesti, kad fizikos dėsniai yra tvarkingi ir elegantiški.
Fizikos istorija iš esmės yra bandymai naudotis paprastais simetrijos principais, konstruojant sudėtingus visatos dėsnius. A.Einsteinas savo specialiąją reliatyvumo teoriją, galiausiai suteikusią mums „E=mc2“ ir paaiškinusią Saulės šilumą, sugebėjo sukonstruoti iš paprasčiausios idėjos, kad nėra jokio pamatuojamo skirtumo tarp judančio ir nejudančio stebėtojo.
Net ir dabar fizikos dėsniai, atrodo, veikia nusistatę prieš mus. Ir tai nėra tik atsitiktinis priešiškumas, tai – nuolatinis ir agresyvus priešiškumas.
Ilgai ignoruota XX amžiaus matematikė Emmy Noether įrodė simetriškumą esant fizikiniu principu. Kas yra toji simetrija mokslininkų požiūriu? Matematikas Hermannas Weylas pateikė, tikriausiai, glausčiausią apibūdinimą: „Objektas yra simetriškas, jei įmanoma jį kaip nors pakeisti, kad po pakeitimo jis atrodytų lygiai taip pat, kaip ir prieš tai.“
Tai neskamba labai baisiai, kol nesupranti, kad jei visa visata yra simetriška, tuomet visos geriausios jos savybės (pavyzdžiui, jūs ir aš) yra asimetriški navikai, gadinantys visomis kitomis prasmėmis nuostabų kosmoso grožį.
Ši, iš pirmo žvilgsnio paprasta, idėja, kad visata visur laike ir erdvėje yra vienoda, patvirtina seniai stebėtas visatos savybes. Pavyzdžiui, Niutono pirmąjį dėsnį (nejudantis objektas nejudės tol, kol kas nors jį pajudins. O judantis objektas judės tiesia linija amžinai, kol kas nors jį sustabdys ar paveiks) arba pirmąjį termodinamikos dėsnį (energija iš niekur neatsiranda ir niekur neišnyksta).
Kaip teigė Nobelio premijos laureatas Philas Andersonas: „Sakydamas, kad fizika yra mokslas, tiriantis simetriškumą, aš perdedu tik labai nedaug.“
Viskas yra vienoda? Kiekviena penktadienio naktis yra tokia pati, kaip ir kita? Skamba beveik paguodžiančiai tvarkingai. Vis dėlto, guostis visatos simetriškumu būtų didelė klaida. Tiesą sakant, tai yra didžiausias mūsų priešas. Viskas, ką mes žinome apie tokias racionalias, nuspėjamas konfigūracijas, teigia, jog mūsų čia išvis neturėtų būti.
Taigi ar visata labai priešiška mūsų egzistavimui? Taip. Net paprasčiausia prielaida apie mūsų egzistavimą visatoje neišvengiamai veda prie stebinančių išvadų.
Fizikos dėsniai visomis kryptimis veikia vienodai. Tai yra vienas iš didžiausių simetriškumo pavyzdžių gamtoje. Ši idėja leido atsirasti „atvirkštiniam kvadrato“ dėsniui, teigiančiam, jog gravitacija silpnėja proporcingai didėjant atstumui tarp objektų, pakeltam kvadratu. Ta pati taisyklė galioja ir šviesai – tai reiškia, kad tolimos žvaigždės ir galaktikos atrodo tamsesnės, nei tos, esančios arčiau.
Kita vertus, iš kuo tolesnio atstumo mes žvelgiame, tuo daugiau galaktikų mūsų regėjimo laukas apima, nors tolesnės galaktikos ir atrodo tamsesnės. Tačiau kuo daugiau galaktikų matome, tuo bendras jų visų šviesumas turėtų didėti. Kalbant apie logišką kraštutinumą – kosmoso begališkumą – pažvelgus bet kuria kryptimi, turėtume matyti daugybę žvaigždžių. O visas dangus turėtų būti nušviestas ir šviesus kaip Saulės paviršius.
Taigi kodėl naktį dangus yra tamsus? Šis klausimas nėra toks kvailas, kaip galėtų pasirodyti. Tai yra vadinamasis Olberso paradoksas, kuris pavadintas mokslininko Heinricho Olberso vardu. Nors paradoksas pavadintas jo vardu, šis žmogus, greičiausiai, buvo vienas iš paskutinių jį atradusių (Olbersas – 1823 metais, Johanui Kepleriui panaši idėja kilo dar 1605m., o astronomas Thomas Digges šią problemą pastebėjo dar ketvirčiu amžiaus anksčiau).
Įsivaizduokite, jei nueisite į miško vidurį. Artimesni medžiai atrodys didesni, o tolesni – mažesni. Tačiau medžių yra tiek daug, kad būdami miško tankmėje jokia kryptimi negalėtumėte matyti į tolį. O dabar įsivaizduokite, jog visi šie medžiai yra degantys ir tokio šviesumo, kaip Saulė. Knygoje „In Darkness at Night: A Riddle of the Universe“ kosmologas Edwardas Harrisonas šią idėja perteikė gana poetiškai: „Šiame pragariškos ugnies karštyje Žemės atmosfera pranyktų per kelias minutes, vandenynai užvirtų per kelias valandas, o visa Žemė išgaruotų per kelerius metus. Vis dėl to, pažvelgę į dangų, matome, jog visata skendi tamsoje.“
Jei kokia dieviška jėga galėtų akimirksniu visas visatos daleles perversti į jų antimaterinę versiją – mes to net nesuprastume. Galbūt tai ką tik ir įvyko?
Visatos simetriškumas mus visus iškeptų akimirksniu, tačiau asimetrija mus gelbsti. Kepleris pastebėjo, kad norint, jog dangus būtų tamsus, visata turi būti „apsupta ir apribota sienos, ar skliauto“.
Štai ir tas „skliautas“ – laiko pradžia.
Antimaterija ir Didysis sprogimas
Žvelgdami į laiko pradžią, susiduriame su dar viena kliūtimi mūsų egzistencijai. Protonai ir neutronai pradėjo jungtis milijonąją sekundės dalį po laiko pradžios, tačiau viskas vyko taip greitai, jog „atrodė“, kad viskas trunka amžinybę. Materija ėmė egzistuoti ir iš egzistencijos pranykti. O kartu su ja – ir mistiškai skambanti medžiaga, vadinama antimaterija.
Mokslinė fantastika, regis, mėgsta naudotis antimaterijos idėja. Ji naudojama tiek serialo „Žvaigždių kelias“ („Star Trek“) erdvėlaivio „Enterprise“ sistemoje, tiek Dano Browno knygoje „Angelai ir Demonai“. Kodėl? Todėl, kad apie antimateriją mes žinome vieną labai svarbų dalyką: jei sutiktumėme savo antimaterinį dvynį – geriau rankos jam nespausti. Tai visiškai sunaikintų jus abu.
Tačiau antimaterija nenusipelnė šio žiauraus įvaizdžio. Antimaterija yra ne kas kita, o tik veidrodinis įprastos materijos atspindys (iš čia ir simetriškumas). Pozitronas – antimaterinė elektrono versija – turi lygiai tokią pačią masę kaip ir įprastoji jo versija. Erdvėje jis sukasi lygiai taip pat. Vienintelis skirtumas – pozitronas turi teigiamą krūvį, o elektronas – neigiamą.
Visos dalelės turi savąją antimaterinę versiją. Ir kiekvienu atveju viskas kartojasi: ta pati masė, kaip ir visa kita, tik skirtingas krūvis. Dar keisčiau, fizikos dėsniams net nerūpėtų, ar mūsų visata sudaryta iš materijos, ar antimaterijos. Dėsniai atrodytų beveik lygiai taip pat („beveik“ reikalauja atskiro paaiškinimo: kaip galime matyti silpnojoje sąveikoje, kuri yra atsakinga už branduolines reakcijas Saulėje, antimaterija linkusi suktis į priešingą pusę, nei materija. Tačiau tai yra smulkus skirtumas).
Mes netgi galime kurti antiatomus laboratorijose. Antivandenilį, antihelį ir, galbūt, kitus (na, iš tiesų, iki šiol pavyko sukurti tik šiuos du). Jų cheminės savybės, gravitacijos poveikis ir visa kita, ką mes tik galime pamatuoti, atrodo lygiai taip pat, kaip ir įprastos materijos. Netgi drįsčiau pafantazuoti, kad, jei kokia dieviška jėga galėtų akimirksniu visas visatos daleles perversti į jų antimaterinę versiją – mes to net nesuprastume. Galbūt tai ką tik ir įvyko?
Mes esame pajėgūs antimateriją kurti laboratorijose, o mūsų Saulė ją kuria nuolatos. Tačiau visuomet susikuria ir šalutinis produktas – materija. Visuose iki vieno eksperimentuose ir stebėjimuose materija susikuria (ir susinaikina) tobuloje harmonijoje. Tai vyksta visuomet, išskyrus vieną atvejį – mus.
Materija ir antimaterija turėjo sunaikinti viena kitą pirmosiomis nanosekundėmis po Didžiojo sprogimo. Mes net neturėtume egzistuoti. Nepaisant to, mes esame.
Mes gyvename visatoje, kuri, atrodo, sudaryta iš materijos. Kiekviena žvaigždė, kiekviena galaktika, išskyrus keistus kosminius spindulius ar atmosferoje esančias efemerines daleles, – viskas visą laiką yra materija. Tačiau jei visuomet visatoje būtų išlikusi tobula simetrija tarp materijos ir antimaterijos, net nebūtų mūsų, kad galėtume apie tai svarstyti.
Labai ankstyvoje visatos pradžioje (apytiksliai po 10–35 s nuo pradžios), įvyko mažytis neatitikimas, ir daugmaž kiekvienam milijardui antimaterijos dalelių susikūrė milijardas +1 materijos dalelių. Kaip ir kodėl taip įvyko, mes negalime tiksliai atsakyti, kadangi iki šiol niekas nėra to atkūręs laboratorijoje.
Vienakryptis laikas
Yra ir dar viena ankstyvosios visatos keistenybė: kodėl tuomet viskas buvo taip tvarkinga ir švaru?
Yra keli fizikos dėsniai, kurie tapo kultūrinėmis ikonomis. Tai – Einšteino materijos ir energijos lygiavertiškumas bei Niutono pirmasis dėsnis. Taip pat tikriausiai esate susipažinę su antruoju termodinamikos dėsniu, iš esmės teigiančiu, kad laikui bėgant visata tampa vis labiau ir labiau sujaukta. Mes linkę tai vadinti entropijos didėjimu.
Laiko tėkmę paminėsiu, kadangi mikroskopiniu mastu nėra nieko (arba beveik nieko – yra keletas atvejų, kaip minėtasis su antimaterija), kas skirtų ateitį nuo praeities. Praktiškai visi eksperimentai, kuriuos galėtume įvykdyti dalelių greitintuve, tinkamai atrodys tiek žiūrint atgaline tvarka, tiek įprastai. O juk kas kita yra makroskopinė visata, jei ne mikroskopinių „visatų“ rinkinys?
Tačiau laikas, panašu, įgyja „kryptį“ tik tuomet, kai žvelgiame į sudėtingas sistemas. Pavyzdžiui, smegenis, kiaušinius ar biliardo kamuolių rinkinį. Mūsų smegenys neabejotinai skiria praeitį nuo ateities. Vienas iš racionalių būdų apibūdinti šį skirtumą yra apibrėžti, kad ateityje mūsų smegenys (ir visa visata) bus kiek sudėtingesnė, nei yra dabar.
Laiko tėkmė (kiek mes galime suvokti) yra visiškai sutartinis dalykas. Ar entropija didėja bėgant laikui, ar ji pati sukuria laiką? Ar mūsų prisiminimų egzistavimas visiškai sunaikina laiko simetriškumą?
Panašu, kad tik sėkmė (su trupučiu sudėtingai atrodančios matematikos) lėmė, jog simetriška visata galėtų būti nors šiek tiek draugiška tokioms sudėtingoms būtybėms, kaip mes.
Jeigu entropija laikui bėgant didėja, visatos pradžioje ji turėjo būti labai maža. Tačiau nėra jokio įrodymo, jokio fizikinio principo, kuris garantuotų, kad visata privalėjo prasidėti būdama tvarkinga. O be šitos idėjos antrasis termodinamikos dėsnis tėra tik geras pasiūlymas.
Be krypties laiko tėkmėje gyvybė, kokią dabar ją matome, tikrai negalėtų egzistuoti. Pagrindinis ir, iš tiesų, vienintelis skirtumas tarp laiko ir erdvės yra tai, jog erdvėje galime judėti pirmyn ir atgal. Laikas – vienakryptis. Be šios laiko krypties – sugadinto simetriškumo – negalėtų egzistuoti nei ateitis, nei praeitis, nei moksliniai atradimai, nei jaudulys, nei atminimai. Ar tokią būseną tikrai galima būtų pavadinti gyvenimu?
Higgso bozono magija
Tačiau visa tai nebuvo patys didžiausiu trukdžiai mūsų egzistencijai. Panašu, kad tik sėkmė (su trupučiu sudėtingai atrodančios matematikos) lėmė, jog simetriška visata galėtų būti nors šiek tiek draugiška tokioms sudėtingoms būtybėms, kaip mes.
Per pastaruosius porą metų fizikos pasaulis šventė Higgso bozono atradimą (patarimas: jei kada pateksite į fizikų kompaniją, nepadarykite sau gėdos jį pavadindami „dieviškąja dalele“). Tačiau nieko tokio, jei nesupratote, kodėl dėl to kilo toks triukšmas.
Higgso bozonas suteikia masę kitoms fundamentalioms dalelėms. Pačioje paprasčiausioje visatoje visos fundamentaliosios dalelės neturėtų masės. Kai kurios ir neturi, pavyzdžiui, fotonai. Tačiau dauguma dalelių savyje turi kažkiek masės.
Higgso bozono magija atsiskleidžia, pervertus lygtį „E=mc2“. Kaip masė gali būti paversta į energiją, energijos sąveika tarp dalelių gali būti pajusta masės prasme. Masė, vis dėlto, yra tik reikšmės suteikimas tam, kaip sunku yra pajudinti vieną ar kitą objektą. Higgso sukurtame modelyje, Higgso bozonas trumpam atsiranda iš vakuumo ir leidžia sąveikauti dalelėms vienai su kita, joms taip įgyjant masę. Ir tai dar net ne beprotiškiausia dalis: mūsų visata yra atsitiktinė visata, kurioje kvantinės mechanikos neapibrėžtumas leidžia dalelėms akimirksniu susikurti ir taip pat greitai išnykti. Pats keisčiausias dalykas yra tas, kad elegantiškoje visatoje nėra vietos tokiam Higgso bozonui. Tam tikra prasme, jis per prievartą buvo „įgrūstas“ į lygtis tam, kad kitoje lygties pusėje „išlįstų“ masė.
Higgso bozono atradimas buvo didžiulis įvykis ir jo atradimu buvo labai džiaugiamasi, kadangi jis leido „atsirasti“ masei. Tačiau, kaip yra su dauguma naujų atradimų, ir šis buvo kiek perdėtas. Atomai didžiąją dalį savo masės gauna iš protonų ir neutronų, esančių pačių atomų viduje. Protonai ir neutronai, savo ruožtu, yra sudaryti iš dar mažesnių fundamentaliųjų dalelių – kvarkų. Ir taip, tiesa, jog kvarkai savo masę gauna iš Higgso bozono. Tačiau kvarkai sudaro vos 2 procentus protono masės, o likusi dalis kyla iš neįtikėtino paties protono greičio ir energijos, esančios jame. Kitaip tariant, lyginant su tuo, Higgso bozonas lemia labai nedaug.
Elektronams Higgso bozonas yra daug svarbesnis, kadangi pasaulis, kuriame būtų masės neturintys elektronai, labai skirtųsi nuo to, kurį matome dabar. Elektronai yra Yin, protonų Yang. Jie suteikia galimybę elektros tėkmei, o dalindamiesi elektronais tarp atomų, kurdami ryšius, sukuria ir pačius cheminius ryšius. Panašiai kaip erdvėlaivis ištrūksta iš Žemės gravitacinės jėgos, bemasis elektronas lengvai sutraukytų savo molekulinius ryšius ir ištrūktų.
Be elektronų, susietų su protonais, negalėtų egzistuoti jokia chemija, jokios molekulės ir joks objektas, sudėtingesnis už krūvį turintį dujų debesį.
O jūs juk nesate dujų debesis?
Straipsnio autorius Dave'as Goldbergas – Drekselio universiteto (Filadelfija, JAV) fizikos profesorius, knygų „Visata per galinio vaizdo veidrodėlį: Kaip paslėpta simetrija formuoja realybę“ ir „Naudotojo gidas po visatą: Išgyvenant juodųjų skylių pavojus, laiko paradoksus ir kvantinį neapibrėžtumą“ autorius.
