Einšteino aukojimas: Reliatyvumo kertinis akmuo turi trauktis

Sutapimais mokslininkai paprastai nesidomi. Jei du dalykai iš tiesų nesusiję, daugiau nieko įdomaus ir nepasakysi. Tačiau, jei sutapimai vis kartojasi, turėtų būti kažkoks gilesnis ryšys. Tada mokslininkai turi ištirti, kas tai yra ir paaiškinti, kodėl tai nėra sutapimas.

Gana keista, kad didelė modernios fizikos dalis pavojingai balansuoja ant stulbinančio sutapimo.

Šis sutapimas esminis mūsų masės suvokimui ir aprašymui. Tai yra toks fundamentalus pasaulio tvarkos elementas, kad daugelis mūsų, kasdien susidurdami su juo, apie tai nė nesusimąsto. Tačiau šis klausimas šimtmečius jaudino kai kuriuos didžius fizikos protus. Galilėjus ir Niutonas įnirtingai nagrinėjo šį klausimą, galiausiai priimdami jį kaip duotybę, užuot supratę. Einšteinas žengė dar toliau: jis paskelbė tai gamtos principu. Jis panaudojo šį „ekvivalentiškumo principą“ kaip pagrindą bendrojo reliatyvumo teorijai, vis dar geriausiam bandymui paaiškinti paslaptingąją gravitacijos jėgą.

Bet yra problema. Jei norime surasti didesnę, geresnę teoriją, galinčią apjungti gravitaciją su kitomis pasaulį valdančiomis jėgomis, ekvivalentiškumo principo būti negali. Turime arba atskleisti šį sutapimą, arba nuo čia radikaliai permąstyti fizikos vystymosi galimybes.

Yra keletas ekvivalentiškumo principo versijų, bet visos susiveda į vieną idėją: gravitacijos laukų poveikis nesiskiria nuo greitėjančio judesio poveikio. Mintinis Einšteino eksperimentas tai išreiškia geriausiai. Įsivaizduokite žmogų, stovintį lifto kabinoje Žemėje. Kas tvirtai laiko jo kojas ant grindų? Žinoma, kad nepermaldaujama traukos jėga, nukreipta žemyn. Dabar įsivaizduokite tą patį žmogų tame pačiame lifte, bet kosmoso erdvėje, toli nuo bet kokių gravitaciją sukeliančių objektų. Raketa stumia liftą aukštyn tokiu pačiu pagreičiu, kokį sukelia Žemės gravitacija. Keleivis lygiai taip pat tvirtai stovės ant lifto grindų, kaip ir pirma.

Kaip taip gali būti, jei nėra gravitacijos? Šiuo atveju laisvai plaukioti jam neleidžia inercija. Inercija yra natūralus bet kokio kūno pasipriešinimas greičio kitimui – tas pats efektas prispaudžia jūsų nugarą prie sėdynės atlošo, vairuotojui numynus akceleratoriaus pedalą.

Dvi lifto situacijos turi bendrą savybę – masę. Bet šios dvi masės kyla iš dviejų labai skirtingų vietų. Pirmoji, gravitacinė masė, yra kažkas, reaguojantis į gravitaciją, besistengiančią įgreitinti kūną gravitaciniame lauke. Antroji, inercinė masė, yra kūno savybė, besipriešinanti bet kokiam greičio pokyčiui.

Ekvivalentiškumo principą galima apibrėžti ir sakant, kad šių dviejų masių skaitinės reikšmės yra tiksliai tokios pačios. Šis sutapimas turi labai toli siekiančias pasekmes. Jei šios dvi masės nebūtų vienodos, skirtingos masės objektai ant Žemės kristų skirtingu greičiu, užuot visi gravitaciniame lauke greitėję vienodai. Šį „laisvo kritimo visuotinumą“, sakoma, pirmasis patikrino Galilėjus, numesdamas krepšį pilną plunksnų ir krepšį švininių sviedinių nuo palinkusio Pizos bokšto. Iš tiesų, gravitacinės ir inercinės masės ekvivalentiškumas diktuoja visus visatos gravitacinius judesius. Jei, pavyzdžiui, gravitacija veiktų gravitacinę masę vos stipriau, nei greičio kitimas inercinę, planetos suktųsi apie savo žvaigždes ir žvaigždės apie savo galaktikas šiek tiek greičiau, nei jos sukasi dabar.

Tačiau nėra jokios akivaizdžios priežasties, kodėl šis atitikimas turėtų egzistuoti. Tik priimdamas tai kaip aksiomą, Einšteinas iki galo išvystė keistąjį erdvės ir laiko išlinkimą ir susitraukimą, kuriuos pristatė savo specialiojoje reliatyvumo teorijoje 1905 metais. O kas, jei toks masyvus objektas, kaip planeta, svarstė Einšteinas, artinantis prie jos, suspaudžia supančią erdvę į vis mažesnius tūrius? Artinantis prie planetos paviršiaus, objektas užtruktų vis trumpiau ir trumpiau, kirsdamas šią suspaustą erdvę: atrodytų, kad jis greitėja.

Keista jėga

Iki 1916 m. ši mintis nuvedė Einšteiną prie jo bendrosios reliatyvumo teorijos. Tai, kas atrodo, kaip gravitacija, tėra tolygus judėjimas per vis labiau suspaustą erdvę. O jei gravitacijos nėra, gravitacinė masė irgi išsigalvota. Vienintelė masė visatoje yra suteikianti kūnui inerciją. Ekvivalentiškumo sutapimas išnyksta.

Bendrasis reliatyvumas, kiek jį tyrėme, neprilygstamai tikslus, numatantis dangaus kūnų vietas ir vedantis mūsų palydovus minučių tikslumu. Tačiau yra kai kas keisto, kas fizikams nepatinka. Visas kitas gamtos jėgas tarp kūnų perduoda fizinės, nors ir efemeriškos kvantinės dalelės. Pavyzdžiui, elektromagnetinė jėga tarp elektrinį krūvį turinčių kūnų perduodama bemasėmis dalelėmis, fotonais. Išoriškai gravitacija veikia lygiai taip pat. Ji atrodo kaip antis, plaukioja kaip antis – bet priversti kvaksėti jos neina.

Pastangos priversti gravitaciją kvaksėti kvantiniu balsu yra pagrindinė stygų teorijos ir kitų projektų siekiančių sukurti visa apimančias „visko teorijas“, pagrindinė mintis. Bet jei gravitacijai lemta atgimti kaip tikrai jėgai, jai reikia prie kažko prisikabinti, kaip elektromagnetizmas susietas su elektros krūviu. Reikia, kad gravitacinė masė būtų atskira ir skirtųsi nuo inercinės masės.

Tai reiškia, kad einant prie visko teorijos, būtina atlikti pirmą svarbų žingsnį: paskersti Einšteino šventą karvę. „Bet kuri kvantų gravitacijos teorija kažkuriuo lygiu turi pažeisti ekvivalentiškumo principą“, – sako Benas Gripaiosas, fizikos teoretikas iš Cambridge'o universiteto.

Kaip? Vienas bandytas ir tikrintas metodas yra stengtis įrodyti, kad dvi masės iš tiesų visai ne ekvivalentiškos – tik labai labai artimos. Netgi pats menkiausias skirtumas bylotų, kad bendroji reliatyvumo teorija sukurta, remiantis aproksimacija ir privalo egzistuoti gilesnė, tikslesnė teorija. „Jei kas ras skirtumą, tai bus didžiulis proveržis“, – teigia Clausas Lämmerzahlis iš Bremeno universiteto Vokietijoje.

Tai galima atlikti, tęsiant Galilėjaus pasvirusio bokšto eksperimento temą, tikrinant laisvojo kritimo visuotinumą ir kitas ekvivalentiškumo principo pasekmes, tikintis išvilioti kokią nors mažutėlaitę anomaliją. Kol kas tokių pastangų sėkmė nevainikavo (žr. „Meskit temą“). Tuo tarpu teoretikai renkasi kitą kelią. Jie nurodo, kad, nežiūrint to ar Einšteinas buvo teisus, tardamas, kad gravitacija neegzistuoja, o tik inercija, dar niekas nesukūrė įtikinamo inercijos paaiškinimo. „Kol kas nežinome, kaip ją apibrėžti, – sako Gripaiosas. – Žinome, kad ji turi būti glaudžiai susijusi su mase, bet kol negalime jos tiksliai apibrėžti ir nežinome kaip ją išmatuoti, negali būti ir jos teorijos.“

Vienas dalykas yra tikras: ji nekyla iš Higgso lauko, šlovinamo, kaip masės suteikėjo. Šio lauko ir su juo susijusių dalelių įrodymus pernai pateikė fizikai, sijoję dalelių susidūrimų nuolaužas Didžiajame hadronų greitintuve (Large Hadron Collider – LHC) CERN, šalia Ženevos, Šveicarijoje. Bet, nors ir manoma, kad Higgso laukas suteikia masę fundamentaliosioms dalelėms, tokioms, kaip elektronai ir kvarkai, kai pastarieji susijungia į sunkesnes daleles, protonus ir neutronus, sudarančius didžiąją įprastinės materijos dalį, gaunama masė yra maždaug tūkstantį kartų didesnė, nei daleles sudarančių kvarkų masių suma. Šią papildomą masę suteikia ne Higgso mechanizmas, o energija, laikanti kvarkus drauge. Kažkaip šie du efektai turi susijungti ir prisikabinti prie kažko kito, kad sukurtų kūnų savybę priešintis greičio kitimui. „Higgsas vienas niekaip negali būti stebuklingasis ingredientas, suteikiantis inerciją“, – sako Gripaiosas.

O kas tada gali? Vienas pasiūlymas kyla iš Stepheno Hawkingo darbo, paskelbto aštuntajame dešimtmetyje. Ironiškai, tada jis buvo pagrįstas griežtu ekvivalentiškumo principo taikymu. Hawkingas tyrė savybes juodųjų bedugnių (JB), neįsivaizduojamai tankių masyvių objektų, kurių egzistavimą prognozavo bendrasis reliatyvumas. Jis iškėlė mintį, kad JB turėtų spinduliuoti, nes kvantų dalelių poras, nuolatos atsirandančias erdvėje, perskirtų, vieną jų narį įsiurbdamos, o kitą – išsviesdamos lauk. Tai paskatino kanadietį fiziką Williamą Unruhą ir kitus pasiūlyti, jog, jeigu gravitacija ir akceleracija iš tiesų yra vienas ir tas pats, panaši emisija turėtų būti bet kokio vakuume greitėjančio kūno savybė.

Nieko veikimas

Kaip ir Hawkingo radiacija, Unruho niekada nebuvo vienareikšmiškai užfiksuota. Greitėjimas, galintis sukelti apčiuopiamą efektą yra per didelis, nors kai kas tvirtina, kad šis efektas buvo užfiksuotas su elektronais greitinamais stipriame magnetiniame dalelių greitintuvų lauke.

Maždaug po dešimtmečio nuo Unruho originalaus darbo, astrofizikas Bernardas Haischas iš Maxo Plancko Kosmoso fizikos instituto Garchinge, Vokietijoje ir elektros inžinierius Alfonso Rueda iš Kalifornijos Valstijos universiteto Long Beache nagrinėjo panašią idėją, kai suvokė, kad vakuumo sąveika su greitėjančiu kūnu pasireikštų ne tik jo paviršiuje, bet visame tūryje. Tai galėtų sukurti jėgą, veikiančią priešinga kūno judėjimui kryptimi. Iš pradžių jie palygino ją su krūvį turinčių dalelių, judančių magnetiniame lauke patiriama jėga – Lorentzo jėga – veikiančią jų judėjimą. Šiuo atveju tai būtų elektromagnetinė sąveika su kvantiniu vakuumu. „Atrodo, kaip būtent tai, ko reikia inercijai“, – sako Haischas.

Anomalūs greitėjimai

Mike'as McCullochas iš Plymoutho universiteto, JK, mano, kad tokios sąveikos būtent ir reikėtų, norint sugriauti ekvivalentiškumo principą. Viena Unruho spinduliavimo prognozių yra, kad panašiai, kaip karšto kūno spinduliuojami spinduliai, egzistuoja šio spinduliavimo skirtingo bangos ilgio spektras. Labai mažo greitėjimo šio spinduliavimo temperatūra, kūno „matoma“ vakuume yra žema ir daugiausiai sudaryta iš labai ilgų bangų. Jei pagreitis išties labai mažas, kai kurių bangų ilgis pasidaro ilgesnis, nei regimoji visata, tad iš esmės jos tampa nematomos.

Šiuo atveju, remiantis 2007 m. atliktais McCullocho skaičiavimais, iš pradžių skirtais paaiškinti anomaliai atrodžiusius Pioneer zondo greičio kitimus, kertant Saulės sistemą, bendras kūno patiriamas Unruho spinduliavimas sumažėtų ir jis jaustų silpnesnį pasipriešinimą. Jo inercija sumenktų, o tai leistų judėti lengviau, nei nurodo Niutono judėjimo dėsniai ir nukirstų jungtis su gravitacine mase.

Šios idėjos problema yra jos patikrinimas. Stiprios gravitacijos aplinkoje Žemėje, pakankamai mažą greitėjimą, kad būtų galima stebėti efektą, sukurti nelengva. Bet efektas galėtų gerai matytis mažos gravitacijos aplinkoje, kokia yra galaktikos pakraštyje. Iš tiesų, žvelgdamas į daugumos spiralinių galaktikų anomalų judėjimą, McCullochas teigia, kad šis mechanizmas taip pat galėtų paaiškinti kitą kosminę mįslę – tamsiąją materiją (žr. „Tamsioji inercija“).

Nemeluosime sakydami, kad tokios idėjos nenušvietė pasaulio. Kai Haischas ir Rueda pristatė savo mechanizmą, NASA buvo sužavėta pakankamai, kad finansuotų tolesnius tyrimus, be to, duetas pritraukė dar du milijonus dolerių privačių investicijų. Bet dėl patikrinamų efekto pasireiškimo spėjimų trūkumo pinigų srautas išdžiuvo, kaip ir susidomėjimas.

Tačiau, kaip bebūtų, tradicionalistai, tokie, kaip Lämmerzahlis, mano kad neturėtume paleisti idėjos iš rankų. „Nors man labiau prie širdies stygų teorija, šios sąveikos su vakuumu idėjos nėra nesąmonė“ – dėsto jis. – Reikia žvelgti į jas rimtai ir nuspręsti, ar jos suteikia naujų ekvivalentiškumo principo patikrinimo būdų.“

Vieną tokį pasiūlymą 2010-aisiais pateikė trejetas Brazilijos astronomų, vadovaujamų Vitorio De Lorenci iš Federalinio Itajubá universiteto. Jie pasiūlė naudoti besisukantį diską Žemės sukimosi ir judėjimo erdve kuriamo pagreičio eliminavimui. Esant mažiems pagreičiams, disko inercija turėtų sumažėti, tai yra, jis suktųsi greičiau, nei pagal Niutono dėsnius. Nežiūrint santykinai mažos kainos, šio eksperimento finansavimui pinigų dar nėra.

Tad, kol kas nors atliks eksperimentą, rodantį, kad ekvivalentiškumo principas tėra tuščia ambicija, ar pateiks teorinę idėją, rodančią, kodėl jis toks turi būti, reikalai nejuda. Bet jei galiausiai gravitacinė masė tėra kitas inercinės masės pavidalas – kas inercinė masė bebūtų – kvantinės gravitacijos teorijos, tarp jų ir stygų teorija, atsidurs ant aukojimo altoriaus. Kelias į visko teoriją taps dar vingiuotesnis. Jei gravitacija nėra jėga, bet išties tik iliuzija, kylanti dėl erdvės išlinkio, kaip apibūdinta bendrojoje reliatyvumo teorijoje, turėsime žvelgti atidžiau, kad suprastume iš pačių pagrindų, kas išlinkį sukelia.

Tiesiog atsitiktinumas? Tokį sutapimą mokslui nelengva atmesti.

Meskit temą

Iškilusio 146 metrus virš šiaurinių Vokietijos lygumų kaip pasiruošusios startui baltos raketos, Bremeno universiteto „mėtymo bokšto“ nepastebėti sunku. Atvertas 1990 m. kaip Taikomosios kosmoso technologijos ir mikrogravitacijos centro (Center of Applied Space Technology and Microgravity – ZARM) dalis, jis suteikia iki 9,3 sekundžių laisvojo kritimo, per kurias galima atlikti eksperimentus. Kol kas bandymai su rubidžio ir kalio atomų laisvuoju kritimu neparodė nuokrypių nuo ekvivalentiškumo principo (žr. pagrindinį pasakojimą). Atomų kritimas sutapo su numatytuoju 11-os ženklų po kablelio tikslumu.

Tuo tarpu Vašingtono universitete Sietle Ericas Adelbergeris ir jo „Eöt-Was.“ komanda naudoja sudėtingas torsionines svarstykles, norėdami palyginti standartinių masių, padarytų iš skirtingų elementų (vario berilio, aliuminio ir silicio), judėjimą. Jiems priklauso bandymo tikslumo rekordas, nerodantis nukrypimo nuo ekvivalentiškumo principo 13-os ženklų po kablelio tikslumu.

Tačiau kažkuriame taške šie žemiški eksperimentai atsitrenks į plytų sieną. „Darosi vis sunkiau pagerinti instrumentus“, – paaiškina Adelbergeris. Dirbant aplinkoje, kur gravitacija daug silpnesnė, pastebėt bet kokius nukrypimus nuo ekvivalentiškumo būtų daug lengviau. Prancūzijos vadovaujama MICROSCOPE misija, kuri turėtų būti paleista 2016 m., atliks būtent tai, tikrindamas platinos ir iridžio masių judėjimą mikrogravitacijos sąlygomis kosmose. „MICROSCOPE tikslumas 100 kartų didesnį tikslumą, nei laboratorija Žemėje“, – sako Clausas Lämmerzahlis iš ZARM.

Jo organizacija tikrina palydovo akcelerometrus laisvo kritimo bokšte ir taip pat dar vysto programinę įrangą, palydovo galutinių rezultatų analizei. Dar jautresnę misiją, Erdvėlaikio tyrėją ir kvantinio ekvivalentiškumo principo kosminį tikrinimą (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), planuoja Europos kosmoso agentūra (ESA). Jos finansavimo klausimas turėtų paaiškėti iki metų pabaigos.

Tamsioji inercija

Ketvirtajame dešimtmetyje pastebėta, kad galaktikos, besisukančios apie kitas galaktikas, juda ne pagal Niutono ir Einšteino gravitacijos dėsnius. Po kelių dešimtmečių kažkas panašaus buvo pastebėta ir atskirų spiralinių galaktikų sukimesi. Atrodė, lyg kažkokia nematoma materija suktų matomąją greičiau.

Ši idėja dabar tapo plačiai pripažinta: standartiniuose kosmologijos vadovėliuose perskaitysite, kad „tamsiosios materijos“ masė yra penkis kartus didesnė už normaliosios. Tačiau, nepaisant dalelių fizikų teikiamo beveik begalinio sąrašo galinčių tikti hipotetinių dalelių, kol kas nebuvo užtikrintai aptikta nei viena.

Pirmąją alternatyvą 1980-aisiais pateikė Mordehai Milgrom, fizikas, tada dirbęs Princetono universitete, spėdamas, kad galaktikos pakraščiuose gravitacija turi būti kažkaip pakitusi. Tai galėtų būti paaiškinta, jei galaktikos pakraščiuose esančių žvaigždžių inercinė masė dėl itin mažo pagreičio sumažėtų, o tuo tarpu gravitacinė masė išliktų nepakitusi. Dėl to jos natūraliai imtų judėti greičiau. Jei sąveika su vakuumu iš tiesų gali taip veikti (žr. pagrindinį pasakojimą), ji galėtų apsimesti tamsiąja materija.