ENGLISH VERSION

1989  m. lapkričio 18 d. NASA paleido Kosminio fono tyrimo (angl. Cosmic Background Explorer) misiją, šiandien plačiau žinomą COBE vardu. Jos tikslas – eksperimento būdu išmatuoti seniausią šviesą visatoje. Ši misija padėjo pagrindus eksperimentinei kosmologijai ir mūsų turėtus teorinius modelius nušvietė bandymų šviesoje. Tai buvo lūžio taškas mokslo istorijoje, po kurio teorijos apie visatą turėjusios suklestėti arba sužlugti.

Šiandien kalbamės su vienu iš COBE misijos protų – prof. Johnu C. Matheriu. Jis buvo COBE komandos mokslinis vadovas, o 2006 metais jam įteikta Nobelio premija bei Gruberio kosmologijos prizas.

Prof. Matheris yra sakęs: „Mes esame tyrėjai. Siekiame suprasti, iš kur atsiradome mes ir mūsų visata.“ Kadangi ir man nesvetima ši kosminė aspiracija, nutariau nešvaistydamas laiko apsibrėžti tikrai plačią panoramą. Norėjosi sužinoti, ko COBE mus išmokė ir kur mūsų žinojimo ribos. Prof. Matheris maloniai sutiko patenkinti mano smalsumą, tad kviečiu prisijungti prie tyrinėjimo.

Mauricio Ulloa nuotr., šaltinis Flickr

Mauricio Ulloa (Flickr.com) nuotr.

LAURYNAS ADOMAITIS: Kol nebuvo atrasta kosminio mikrobangų fono spinduliuotė (angl. Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR), apie visatos pakraščius turėjome hipotetinį supratimą, įskaitant tiek senovės, tiek šiuolaikines filosofijas. Šiandien turime itin tikslius CMBR matavimus ir duomenis iš Plancko observatorijos[1]. Kaip galėtumėte apibendrinti tai, ką iki šiol sužinojome iš turimų duomenų – kokias ankstesnes hipotezes teko atmesti ir kuo suabejota?

JOHNAS C. MATHERIS: Svarbiausi rezultatai tokie:

1) CMBR pasižymi tamsiosios materijos spektru (ryškumas vs. bangos ilgis). Tai tiksliai atitinka besiplečiančios visatos modelio, dar žinomo Didžiojo Sprogimo Teorijos vardu, spėjimus. (Beje, toks teorijos pavadinimas ydingas, mat žmonės įsivaizduoja nedidelį sprogimą, panašų į fejerverką, užuot galvoję apie iš savęs besiplečiančią begalinę visatą). Jokia kita idėja (šaltų pradinių sąlygų, ramios pradinės būsenos teorija, etc.) nesutampa su atradimais.

2) Spektras taip pat parodo, kad pradžioje visatoje nebuvo jokių kitų svetimų energijos šaltinių, galėjusių šildyti medžiagą po pirmųjų plėtimosi metų.

3) Ankstyvosios visatos medžiagoje esama daugybės karštų ir šaltų vietų, kurios atitinka tankesnes ir retesnes medžiagos sritis.

4) Pastebėtos vietos yra skirtingų dydžių, o kitoks įvairaus dydžio vietų ryškumas atitinka išsamius ankstyvosios visatos modelius. Norėdami gauti tikslų santykį, turime įtraukti ir paprastąją materiją, kurią regime aplink save, žymiai turtingenę nei paprastoji kosminę tamsiąją materiją, tiksliau vadintiną skaidriąja, kosminę tamsiąją energiją, kuri, manoma, spartina plėtimąsi, bei kosminius neutrinus, apie kuriuos svarstoma iš čia, Žemėje, atliktų matavimų. Šiuo metodu apskaičiuotas visatos amžius sutampa su Hubble‘o tolstančių galaktikų dėsnio skaičiavimais įtraukus išmatuotą akceleraciją.

5) Gravitacijos jėga, kuri veikia ir paprastąją, ir tamsiąją materijas, pradinio tankio variacijose paaiškina teleskopais regimų galaktikų amžių ir jų pasiskirstymą. Išmatuotomis variacijomis pagrįstos superkompiuterių simuliacijos parodo įstabiai sudėtingą ir gražią struktūrą, kurią nuo šiol galima palyginti su teleskopais fiksuojamais vaizdais.

6) Išmatuotos karštos ir šaltos vietos dera su plėtimosi teorijos spėjimais, anot kurių, pirmosiomis besiplečiančios visatos sub-mikrosekundėmis jau būta išskirtinės akceleracijos momento. Pagal šią teoriją, visatos dydis padvigubėjo 50-100 kartų per labai trumpą laiką. Tai įvyko taip greitai, kad pradinė jos struktūra sušalo į besiplečiančią medžiagą.

7) Spėjama, kad kosminio mikrobangų fono spinduliuotė gali būti poliarizuota dėl gravitacijos bangų veikimo, sklindančio pradinėje medžiagoje. Patikrinę šį spėjimą, apie pradinės medžiagos savybes žinosime daug daugiau. Remiantis šiandienos žiniomis, tai galbūt yra visa, ką galime pasakyti apie pačius ankstyviausius laikus.

Atrodo, kad CMBR tyrimai išsivystė į teorinę pastangą suderinti duomenis su teoriniais visatos modeliais. Jei prisimintumėte laikus, kai dar nebuvo gauti COBE rezultatai, kokių lūkesčių anuomet būta?

Kai COBE projektas buvo pasiūlytas, dar nebuvo jokių rimtų anisotropijos (fluktuacijų) tyrimų. Buvo apstu išmoningų teorinių aiškinimų apie klaidingus CMBR spektro matavimus. Visą tą laiką niekaip negalėjome išsiaiškinti visokiausių egzotiškų procesų, tokių kaip kosminės stygos, elementariųjų dalelių irimo, sprogiosios energijos išskyrimo kaip didelio masto struktūros ištakų ir t. t. Plėtimasis dar nebuvo pasiūlytas, todėl negalėjome paaiškinti milžiniškoje erdvėje stebimo visatos homogeniškumo ir vienodumo. Paleidžiant COBE jau būta apytikslių spėjimų dėl anistropijos, pagrįstų išmatuotu galaktikų pasiskirstymu.

Tikrai nesitikėjau rezultatų, kurie šiandien jau tapo standartiniu visatos modeliu. Žavėjausi teoretikais, sugebėjusiais susitarti dėl naudosimų lygčių ir atrastų sprendimų. Žavėjausi jų gebėjimu suderinti išsamius standartinio modelio spėjimus su išsamiais COBE bei kitų misijų, tokių kaip WMAP ir Planckas, gautais matavimais. Žvelgdamas atgal galėčiau teigti, kad iki galo neįvertinau reikšmės fakto, kad visas standartinis modelis veikia todėl, kad yra apie mažus svyravimus, taigi ir „perturbacijos teorija“ yra itin tiksli.

Kosminis ūkas „Karina“ esantis už 7500 šviesmečių nuo Žemės. NASA / ESA / Hubble SM4 ERO komandos nuotr.

Kosminis ūkas „Karina“ esantis už 7500 šviesmečių nuo Žemės. NASA / ESA / Hubble SM4 ERO komandos nuotr.

Mane asmeniškai ir filosofiškai labiausiai domina sena dilema, būdinga ir CMBR tyrimui: visatos begalybės klausimas. Ši tema tūkstantmečiais gausiai aptarinėta filosofų, teologų ir mokslininkų. Šiandien galbūt galime pagaliau pateikti įtikinamų empirinių argumentų. Jei neklystu, vienas iš CMBR tikslų yra ištirti visatos tankumą, kuris savo ruožtu lemia visą jos geometriją. Šiai dienai tankumo parametras skaičiuojamas apytiksliai kaip Ω=1, o tai reiškia, kad visata veikiausiai yra plokščia, taigi ir begalinė. Ką apie tai manote jūs? Ar tikrai visata begalinė?

Nėra tokio dalyko, kurį išmatavę galėtume įrodyti, kad visata yra begalinė savo dydžiu. Mes galime matyti tik baigtinę jos dalį, mat šiai dienai šviesa tenukeliavo 14 milijardų metų. Nepaisant to, visi mūsų ligi šiol gauti stebėjimai dera su begalinės visatos idėja. Tiesą sakant, jie dera ir su idėja apie erdviškai plokščią visatą. Tai reiškia, kad jei įsivaizduotume trikampį, kurio taškai išsidėstė erdvėlaikyje tuo pačiu metu iškart po pradžios, toks trikampis pasižymėtų įprastomis savybėmis, kurių mus moko Euklidas – jo kampų suma būtų lygi 180 laipsnių. (Tačiau, kaip įrodė Einsteinas, keturių matmenų erdvėlaikis vis viena yra išgaubiamas gravitacijos veikimo). Plėtimosi teorija pateikia natūralų šio plokštumo paaiškinimą: bet kokie pradiniai išgaubimai ištempiami plėtimosi ir todėl yra neišmatuojamai maži. Galbūt toliau plėtojant teorinius spėjimus paaiškės, kad mūsų visata nėra begalinė, o tik neįsivaizduojamai milžiniška.

Vienas iš labiausiai kvapą gniaužiančių CMBR aspektų yra tai, kad šis tyrimas kelia ne mažiau įdomių klausimų nei pateikia atsakymų. Pavyzdžiui, ilgą laiką kosmologijoje laikytasi prielaidos, kad visata yra izotropinė ir homogeniška (vadinamasis „kosmologinis principas“). Kai kurios žymios CMBR aptiktos anomalijos, atrodo, graso šiai prielaidai – seniausiuose ir tolimiausiai regimuose visatos pakraščiuose aptinkame asimetriškų šaltųjų dėmių ir pan. Ar, jūsų manymu, šios anomalijos yra konceptualiai reikšmingos, ar jas derėtų laikyti tiesiog instrumentiniais ir statistiniais svyravimais?

Nelengva atsakyti į šį klausimą. Negalime atlikti matavimų iš kurios nors kitos visatos vietos, taigi mūsų žinios yra ribotos. Šiuo metu vyksta rimti tyrimai siekiant išsiaiškinti, ar užfiksuotas anomalijas galima paaiškinti remiantis fizika.

Vadinasi, tam tikra prasme CMBR yra stebėjimais grįsto mūsų žinojimo tolimiausia riba. Kadangi tai yra seniausia ir labiausiai nuo mūsų nutolusi spinduliuotė, vargiai galime įsivaizduoti, kad kada nors pasieksime informaciją, pranokstančią šį reiškinį. Nepaisant to, galimas daiktas, kad visata iš tikrųjų yra žymiai didesnė nei tai, ką fiksuojame šiandien. Atrodo, kad, nepaisant to, kiek sužinome apie stebėjimui prieinamą aplinką, vis dar absoliučiai nieko nežinome apie pačią visatą. Gali būti, kad esame apibrėžiami būtent šio ribotumo. Susidaro įspūdis, kad kuo daugiau sužinome apie visatą, tuo geriau įsisąmoniname žmogiško žinojimo ribotumą. Ar sutiktumėte su tokiu teiginiu? Ar vertintumėte jį kaip pesimistinę išvadą?

Sutinku, kad mūsų žinojimas apie CMBR yra ribotas ir kad jau beveik priartėjome prie jo tolimiausio taško. Tačiau vis dar esama galimybės ženkliai pasistūmėti konstruojant teorinius visatos modelius. Šiandien tie teoriniai modeliai, kuriais siekiama suvienyti kvantinę mechaniką su gravitacija, nėra pakankamai veiksmingi. Tačiau kada nors, galbūt visai netrukus, o gal ir tolimoje ateityje, tikiuosi atsirasiant patenkinamą teoriją, kurioje derės visa, ką žinome. Galbūt tuomet galėsime atsakyti ir į jums kylančius klausimus.

Žiūrint kiek bendriau, ar humanitariniai mokslai bent kiek svarbūs jūsų, kaip mokslininko, darbe? Pavyzdžiui, visame pasaulyje esama institutų, kuriuose vykdomi rimti mokslo istorijos ir mokslo filosofijos tyrimo darbai, kuriais sprendžiami epistemologiniai ir metodologiniai klausimai. Ar visa tai turi įtakos jums ir jūsų tyrimų sričiai apskritai? Ir atvirkščiai: ar savo tyrimą laikote turinčiu įtakos humanitariniams mokslams ar kokiam nors tarpsritiam laukui? Aš, savo ruožtu, permąsčiau nemažą dalį filosofinių klausimų jūsų tyrimų šviesoje.

Nesu domėjęsis rimtais mokslo istorijos ir mokslo filosofijos tyrimais. Kiek žinau, filosofai ir epistemologai fizikos progresui įtakos turėjo nedaug. Tačiau tiksliai užrašyti istoriją tuo metu, kai ji vyksta, yra neabejotinai svarbu. Praėjus dešimtmečiams, istorikams tampa itin sunku sužinoti, kas buvo mąstoma ir sakoma. Geriausia istorija apie CMBR, kurią man teko skaityti, parašyta trijų fizikų: Peebles‘o, Page‘o ir Partridge‘o „Surandant Didįjį sprogimą“ (angl. „Finding the Big Bang“). Viena iš priežasčių, kodėl ši knyga tokia patraukli – tai, kad į ją įtraukiama dalyvių pasakojamų istorijų, kurios derinamos su itin išsamia ankstyvųjų šios srities atradimų apžvalga.

Tikrai pastebiu, kad visuomenę žavi visatos istorija, pradedant nuo paslaptingų ankstyvųjų akimirkų ir pereinant prie žvaigždžių, galaktikų ir Žemės formavimosi bei, žinoma, gyvybės kitose visatos vietose galimybė. Kaip mes čia atsidūrėme ir ar esame vieni? Šiandien sparčiai judame abiejų atsakymų link. Taigi laikui bėgant kultūrinė mokslo įtaka bus ženkli.

Pokalbį iš anglų kalbos vertė Daina Habdankaitė

[1] Plancko mokslinė misija (ESA) iki šiol yra pateikusi tiksliausius CMBR matavimus. Planckas paleistas 2009-aisiais ir vis dar teikia naujų rezultatų. Naujausi Plancko bendradarbiavimo rezultatai pristatyti 2015-aisiais. Daugiau apie Plancko observatoriją čia: http://www.cosmos.esa.int/web/planck.