Didžiausias fizikos galvosūkis istorijoje: kodėl Visata vis dar nepasiduoda vienai formulei?
1925 metais Albertas Einsteinas viename pasivaikščiojime su studentu iškėlė ambiciją, kuri iki šiol veikia fundamentaliąją fiziką – suprasti, kaip „sukurtas“ pasaulis, o ne tik pavienius reiškinius.
Šiandien ši idėja vadinama teorija apie viską. Tai būtų vieninga sistema, galinti vienu metu paaiškinti ir labai mažų, ir labai didelių mastelių dėsnius.
Tokios lygties mokslininkai ieško jau daugiau nei šimtmetį, tačiau svarbiausias barjeras išlieka nepakitęs.
Didžiausia problema ta, kad modernioji fizika remiasi dviem itin sėkmingomis, bet sunkiai suderinamomis sritimis. Klasikinė fizika, kurią formavo Izaokas Niutonas, Galilėjus ir Einsteinas, puikiai aprašo masyvių objektų judėjimą bei gravitaciją.
Kvantinė fizika aiškina subatominių dalelių elgesį. Abi teorijos savo srityse veikia tiksliai, tačiau bandant vieną pritaikyti kitos masteliui pradeda ryškėti neatitikimai.
Todėl vienijimo uždavinys nėra vien filosofinis ar akademinis. Vieninga teorija galėtų padėti atsakyti į klausimus apie materijos prigimtį, ankstyviausias Visatos akimirkas ir tai, ar egzistuoja daugiau nei viena visata.
Kol kas fizika gyvena tarsi su dviem skirtingomis kalbomis: viena tinka makropasauliui, kita mikropasauliui. Kai gamtoje atsiranda situacijos, kuriose reikia abiejų aprašymų vienu metu, prasideda metodinė krizė.
Standartinis modelis ir gravitacijos spraga
Šiuolaikinės fizikos pagrindą sudaro bendroji reliatyvumo teorija ir kvantų teorija.
Bendrasis reliatyvumas gravitaciją aiškina kaip erdvėlaikio geometrijos išlinkį, o ne kaip nematomą traukos jėgą. Kvantų teorija aprašo mikropasaulį, kuriame dalelės paklūsta tikimybių, kvantinių būsenų ir neapibrėžtumo logikai.
Svarbų vaidmenį čia turi keturios fundamentinės sąveikos. Gravitacija dominuoja dideliuose masteliuose, o elektromagnetinė, silpnoji branduolinė ir stiprioji branduolinė sąveikos valdo mikropasaulį.
Pastarosios trys kartu su elementariųjų dalelių rinkiniu sudaro tai, kas vadinama Standartiniu modeliu. Šis modelis aiškina, kaip iš subatominių dalelių formuojasi materija.
Žinoma, kad atomus sudaro protonai, neutronai ir elektronai, o protonai bei neutronai patys sudaryti iš kvarkų. Elektronai priklauso leptonų grupei.
Tačiau net ir toks tikslus modelis turi esminę spragą: jame nėra pilno gravitacijos aprašymo. Iki šiol nėra patikimo būdo, kaip bendrąjį reliatyvumą, skirtą dideliems masteliams, nuosekliai perkelti į kvantinį formalizmą.
Juodosios skylės ir stygų teorija
Vienas ryškiausių bandymų suartinti šias sritis atsirado juodųjų skylių tyrimuose.
Stephenas Hawkingas parodė, kad juodosios skylės nėra visiškai „tylios“. Pagal jo pasiūlytą aiškinimą, vadinamą Hawkino spinduliuote, kvantiniai efektai prie įvykių horizonto gali lemti tai, kad juodoji skylė ilgainiui praranda energiją ir masę.
Ši idėja parodė, kad kvantų teorija ir gravitacija gali susidurti vienoje schemoje, nors iki pilnos vieningos lygties dar labai toli.
Viena garsiausių kandidačių į tokį vienijimą yra stygų teorija. Ji siūlo, kad elementariosios dalelės iš tiesų nėra taškai, o itin mažos vibruojančios stygos.
Skirtingi jų virpesiai atitiktų skirtingas daleles ir jų savybes. Tokiose matematinėse konstrukcijose natūraliai atsiranda ir gravitaciją pernešančios dalelės, gravitono, idėja.
Vis dėlto ši teorija susiduria su rimta kliūtimi: ją labai sunku tiesiogiai patikrinti eksperimentais.
Nauji atradimai, seni klausimai
Tuo pat metu eksperimentinė fizika toliau stiprina žinias apie dalelių pasaulį. Vienas didžiausių laimėjimų buvo Higso bozono atradimas, patvirtinęs aiškinimą, kaip dalelės įgyja masę per Higso lauką.
Kita vertus, kosmologiniai stebėjimai atskleidė, kad mums pažįstama materija sudaro tik nedidelę Visatos dalį.
Mažiau nei 5 proc. tenka atomams ir šviesai, o visa kita priskiriama tamsiajai materijai ir tamsiajai energijai. Tai reiškia, kad net ir geriausios dabartinės teorijos paaiškina tik dalį kosminės tikrovės.
Didelę reikšmę turi ir nauji stebėjimai iš kosmoso. Tokie instrumentai kaip Jameso Webbo teleskopas leidžia pažvelgti į ankstyvąją Visatą, pirmąsias galaktikas ir ekstremalias aplinkas, kuriose dabartinės teorijos tikrinamos griežčiausiai.
Kuo daugiau duomenų apie pirmuosius kosminės istorijos etapus ir neįprastus objektus, tuo daugiau medžiagos modeliams, bandantiems sujungti kvantus su gravitacija.
Ilgas kelias į vieną lygtį
Vienijimo idėja moksle nėra nauja. Niutonas parodė, kad dangaus kūnams ir Žemės objektams galioja tie patys dėsniai. Jamesas Clerkas Maxwellas sujungė elektrą ir magnetizmą, o Einsteinas susiejo erdvę ir laiką į erdvėlaikį.
Todėl ir dabartinė teorijos apie viską paieška atrodo kaip dar vienas ilgas žingsnis toje pačioje istorijoje.
Kol kas nėra vienos lygties, kuri vienodai tiksliai aprašytų ir kvantines daleles, ir gravitaciją, tačiau daliniai suartėjimai rodo, kad kryptis išlieka gyva.
Artimiausius atsakymus lems ne vien drąsios teorijos, bet ir tai, kiek tiksliai jas leis patikrinti nauji stebėjimai.
