„Ant bajerio“

Jau XIX a. gamtos mokslų sričių mokslininkų (ypač fizikų) manė, jog jau mokslas praktiškai išsisėmė t.y. jog jau tuoj priartės prie ribos, kuomet nedaug ką tegalės atrasti, jog viskas iš esmės jau išrasta. Pavyzdžiui, XX a. Trečiame dešimtmetyje Fermis teigė, jog fizikoje tuoj viskas bus aišku taip lyg geografijoje.

Šį tekstą aš pavadinau „ant bajerio“ dėl to, kad ruošiuosi tik pacituoti knygos „Trumpa istorija beveik apie viską“ kelis paragrafus netgi apie tai ką fizikai nagrinėja dvidešimt pirmame amžiuje! Tai bus apie tuos fizikus, kurie nagrinėja procesus vykstančius dalelių greitintuvuose. Parašyta tikrai juokingai ir, tiesą sakant, net susidaro įspūdis, jog mums būtinai reikia šio amžiaus Einšteino. Na , galbūt, nebūtinai su pypke dantyse ir įelektrintais plaukais, bet tokio, kuris sugebėtų tos srities mokslą „pastūmėti“, nes šiandien (tiktai mano supratimu) yra kalbama apie hipotezes, kuriomis lopomos žinių spragos. Kitaip sakant, dabar kaip niekad anksčiau, tų lopo ant lopo dengimas, yra išaugęs. Tačiau mikrofizikos dėsnių pasaulyje, tų atradimų padaryta kaip niekad daug. Užtenka vien tik paminėti, jog dabar egzistuoja (dirba LHC) netgi antimaterijos fizikų. Taigi čia jau kalbame apie visiškai kitą „dimensiją“.

Na, o jei jau prakalbau čia apie dimensijas, tai, ta proga, norėčiau, jog jūs paskaitytumėte, mano minėtos knygos aukščiau, nurašytas citatas. Jos skamba juokingai jas pirmą kart (ir ne tik :D) išgirdus, man derėtų išreikšti gilią užuojautą tiems nuoširdiems jauniems fizikams, kurie šias teorijas stengiasi suprasti labai nuosekliai (kitaip sakant, nori šį dalyką išsiaiškinti iš esmės) ir kur kiekvieną dieną įvyksta vis kažkas naujo ir, galbūt bėgant metams, tos teorijos kinta. Na, turbūt, sudėtingiausia būtų tas atvejis, jei pasirodytų, jog tos pagrindinės teorijos, laikančios kitas teorijas, būtų klaidingos :D

Bill Bryson: „Trumpa istorija beveik apie viską“ XIX skirsnis 11 skyriaus dalis

„(...) Sukūrę galingesnius ir sudėtingesnius įrengimus, fizikai pradėjo atrasti ir akalbėti apie nesuskaičiuojamą daugybę dalelių arba dalelių grupių: niuonų (tokių neradau:), pionų, hiperonų, mezonų, k mezonų, higsobozonų, tarpinių/vektorinių bozonų, barionų, tachionų. Netgi patiems fizikams pasidarė truputį nejauku.

Kai kartą vienas studentas paklausė Enrico Fermi kaip vadinasi tam tikra dalelė, šis atsakė: „Jaunuoli, jei galėčiau prisiminti visų tų dalelių vardus – aš būčiau botanikas.“

Šiandien greitintuvų pavadinimai skamba taip, lyg Flesh‘as Gordon‘as (atleiskit jei išgirdau neteisingai :D) vartotų juos kovos lauke: superprotonų sinchrotronas, didysis elektronų/pozitronų kolaideris, didysis hadronų kolaideris, reliatyvistinis sunkiųjų jonų kolaideris.

Naudodami, didžiulius energijos kiekius (kai kurie tų prietaisų veikia tik naktimis, kad žmonės, gretimuose miestuose, nematytų nuo aparatų nusidriekusios pašvaistės) jie gali įsukti daleles tiek, kad mažiau nei per 1 s. Elektronas galėtų 47 tūkst kartų apskrieti 7 km tunelį. Kilo būgštavimų, kad entuziazmo pagauti mokslininkai gali sukurti juodąją skylę arba net vadinamuosius keistuosius kvarkus, kurie teoriškai galėtų sąveikauti su kitomis subatominėmis dalelėmis ir nekontroliuojamai sklisti. Tai, kad jūs dabar čia apie tai skaitote, reiškia, kad taip nenutiko.

Norint atrasti daleles reikia labai susikoncentruoti. Jos ne tik labai mažos ir greitos. Erzina jų trumpalaikiškumas: dalelės gali atsirasti ir dingti per 10 ^(- 24) s. Net ir pačios „nerangiausios“ iš tų nestabilių dalelių išlieka kaip  10^(-7) s. Kai kurios dalelės yra nepaprastai „slidžios“: kas sekundę Žemę „aplanko“ 10 tūkst trln^(..) mažiausių ir neturinčių savo masės neutrinų (kurie dažniausiai yra branduolinių reakcijų saulėje padarinys) ir visi jie prasiskverbia pro mūsų planetą (...) taip lyg mūsų žemėje ir nebūtų.

Tam, kad sučiuptų bent keletą tų dalelių mokslininkai turi paruošti talpas su 57 tūkstanč kubinių metrų vandens (t.y. vandens su sunkiuoju vandeniliu) ir laikyti po žeme, paprastai senose šachtose, kad nepaveiktų jokie kiti radiacijos tipai. Praskriedamas neutrinas gali atsitiktinai atsitrenkti vieną iš atomo branduolių vandenyje ir sukelti energijos miniatiūrinę „energijos kibirkštį“. Taip atsitinka labai retai. Mokslininkai skaičiuoja tas kibirkštis skaičiuoja ir, tokiu būdu, mes labai iš lėto mokomės suvokti pagrindinių visatos savybių paslaptis.

1998 m. japonų stebėtojai pranešė, kad neutrinai, vis dėlto, turi masę, bet labai nedidelę: lygią, maždaug, 1/10 mln. elektrono masės dalies.

Šiandien ieškant šių dalelių labiausiai reikia pinigų ir nemažų. Šiuolaikinėje fizikoje egzistuoja keistai atvirkščias proporcingumas tarp ieškomo dalyko mažumo ir jo nustatymui reikalingos įrangos bei lėšų dydžio. CERN (Europos branduolinių tyrimų organizacija) yra panaši į nedidelį miestą, išsidėsčiusią abipus Prancūzijos ir Šveicarijos sienos, ji samdo 3000 darbuotojų ir užima kvadratiniais kilometrais matuojamą teritoriją. CERN didžiuojasi serija magnetų, kurie sveria daugiau negu Eifelio bokštas ir požeminiu tuneliu, juosiančiu 26 km teritoriją.

Pasak James‘o Trefil‘o, suskaldyti atomą yra lengva: net ir mes tai darome, kai kiekvieną kartą įjungiame fluorescencinę lempą. Bet norint „suskaldyti“ atomo branduolius reikia daug pinigų ir labai daug elektros energijos. Pasiekus kvarkų lygmenį (daleles, sudarančias dalelytes) reikia dar daugiau energijos: trilijonų voltų įtampos ir vienos nedidelės Centrinės Amerikos valstybės meto biudžeto lėšų. CERN, Naujasis didysis hadronų kolaideris (LHC), kuris turi pradėti veikti 2005 – aisiais, pasieks iki 14 trln. Voltų įtampą, o jo statybos viršys 1,5 mlrd. JAV dolerių.

[...] Dalelių fizika, kitaip tariant, yra be galo brangi veikla, bet duoda daug apčiuopiamų rezultatų. Šiandien jau žinoma, gerokai daugiau nei 150 dalelių ir prognozuojama, kad jų gali būti dar apie 100, bet, deja, pasak Richard‘o Feynman‘o yra labai sunku suprasti ryšius tarp šių dalelių. kokiam tikslui gamta jas sukūrė ir kaip jos viena su kita siejasi? Kiekvieną kartą, kai atidarome skrynią, neišvengiamai randame kitą užrakintą skrynią jos viduje. Yra manančių, kad egzistuoja dalelės, vadinamos tachionais, kurios keliauja greičiau už šviesą; kiti norėtų surasti gravitonus – gravitacijos pamatą. Nelengva pasakyti, kada pasieksime tą tašką, kai toliau dalelių skaidyti bus nebeįmanoma.

Karlas Saganas, knygoje „Kosmosas“, daro prielaidą, jog pasiekus elektrono vidų, gali paaiškėti, jog jame slypi sava visata, apie tai jau kalba daugybė XX a. 6 – ajame dešimtmetyje parašytų mokslinės fantastikos knygų. Elektrono viduje slypi daug mažesnių elementariųjų dalelių, išsidėsčiusių pagal savų galaktikų ar kitų mažesnių vienetų principus ir tos dalelės pačios yra visatos aukštesniame lygmenyje ir šitaip tęsiasi be galo nesibaigiančios regresijos būdu: vienos visatos kitose visatose ir lygiai tas pats einant didėjančių struktūrinių vienetų kryptimi.

Daugeliui mūsų tai yra nesuvokiamas pasaulis. Skaitant netgi gana paprastą šiuolaikinės dalelių fizikos vadovą, tenka brautis pro specialios leksikos tankmę, panašiai kaip šioje citatoje: „įelektrintas pionas ir antipionas skyla į atitinkamai viena mioną su antineutrinu ir vieną antiomioną su neutrinu vidutiniškai per 2,603 * 10(-8) s. Neutralusis pionas skyla į du fotonus vidutiniškai per 8*(10-17) s. O tas mionas ir antimionas atitinkamai skyla į ....“ Ir visa tai paimta iš knygos, skirtos eiliniam skaitytojui, kurią parašė Steven‘as Leimberg‘as - vienas iš aiškiausiai mokslo klausimais rašančių specialistų.

XX a. 7 – ajame dešimtmetyje, norėdamas viską šiek tiek supaprastinti Caltech fizikas Murray‘us Gell-Mann‘as išrado naują dalelių rūšį ir padarė tiesiog norėdamas sumažinti tą daugybę „hadronų“ (šiuo vienu pavadinimu fizikai vadina protonus, neutronus ir kitas daleles, kurias valdo stipri branduolinė sąveika). Pagal Gel-Mann‘o teoriją, visus hadronus sudaro dar mažesnės dalelės. Jo kolega (Richard‘as Feynman‘as) norėjo pavadinti šias naująsias pamatines daleles partonais, bet jam nepavyko – šios dalelės dabar vadinamos kvarkais. (...)

Dėl kvarkų paprastumo džiūgauta neilgai. Geriau ištyrinėjus, juos teko suskirstyti į porūšius. Nors kvarkai per maži, kad turėtų tokias mūsų atpažįstamas fizines savybes kaip spalva ar skonis, jie buvo suskirstyti į 6 kategorijas: kylantieji, krintantieji, keistieji, žavieji, šaunieji, gelminiai; kurias fizikai keistai vadina „skoniais“. O toliau skirstoma į tris spalvas: raudoną, žalią ir mėlyną. Kyla įtarimų, kad ne visiškai atsitiktinai šie pavadinimai buvo sugalvoti Kalifornijoje psichodelinio meno klestėjimo laikotarpiu.

Galiausiai, iš viso to, išsirutuliojo standartinis modelis, kuris, iš esmės, yra detalių rinkinys subatominio pasaulio dalelėms sudaryti. Šį standartinį modelį sudaro: 6 kvarkai, 6 leptonai, 5 jau žinomi bozonai ir spėjamas 6 – asis – Higso bozonas. Be to 3 fizinės jėgos: stiprioji ir silpnoji branduolinė sąveikos ir elektromagnetinė jėga. Standartinio modelio struktūra tokia: kvarkai yra pagrindinė medžiaga: juos visus kartu laiko glionai. Kvarkai ir glionai kartu sudaro protonus ir neutronus (atomo branduolio medžiagą). Leptonai yra elektronų ir neutrinų šaltinis. Kvarkai ir leptonai, kartu paėmus, vadinami fermionais. Bozonai – tai dalelės, sukeliančios ir pernešančios jėgą. Bozonus sudaro: fotonai ir glionai. Higso bozonas gal egzistuoja, o gal ir ne (įrodyta jau kad taip). Jis buvo sugalvotas tiesiog norint suteikti dalelėms masę.

Kaip matote, vaizdas šiek tiek gremėzdiškas, bet tai yra pats paprasčiausias modelis, kuris paaiškina kas dedasi dalelių pasaulyje.

Leon‘as Lederman‘as (1985 – aisiais) televizijos dokumentiniame filme pasakė, jog daugelis dalelių fiziką nagrinėjančių mokslininkų jaučia, jog standartiniam modeliui trūksta „elegancijos“ ir paprastumo: „Jis per daug sudėtingas. Jis turi per daug savavališkai įvestų parametrų. Juk mums neatrodo, kad kūrėjas būtų sukinėjęs 20 rankenėlių, norėdamas nustatyti 20 parametrų tam, kad sukurtų visatą būtent tokią, kokią pažįstame.“ Iš tikrųjų, fizika siekia visiško paprastumo, bet tai, ką turime, yra tiesiog savotiškai „elegantiška netvarka“ arba, kaip sakė Lederman‘as: „gilus suvokimas, kad vaizdas yra negražus“.

Standartinis modelis yra ne tik gremėzdiškas, bet ir ne visas. Pavyzdžiui, jis nieko nepasako apie gravitaciją: naršyk kiek tik nori po visą standartinį modelį, bet niekas tau nepaaiškins kodėl padėjus skrybėlę ant stalo ji nepakyla iki lubų. Standartinis modelis taip pat nepaaiškina kodėl atsiranda masė. Norėdami, kad dalelės tą masę apskritai turėtų, turime įsivesti spėjamąjį Higso bozoną. Ir tik XXI a. Fizika atskleis ar ta dalelė tikrai egzistuoja (na, dabar jau po atliktų LHC bandymų, mokslininkai teigia, jog egzistuoja). Kaip yra pajuokavęs Richard‘as Feynman‘as: „mes esame įklimpę į teoriją ir nežinome ar ji yra teisinga, ar klaidinga. Bet tikrai žinome, kad ji šiek tiek klaidinga arba bent jau nepilna.“

Stengdamiesi viską susieti fizikai sugalvojo vadinamąją supergijų teoriją. Pagal ją, visos tos mažosios dalelės (tokios kaip kvarkai ir leptonai, kurie anksčiau buvo laikomi dalelėmis), iš tikrųjų, yra tik gijos, „vibruojantys energijos siūlai“, kurių virpėjimas matuojamas 11 matmenų (dimensijų) iš kurių 3 mums jau yra žinomi, taip pat laikas ir dar 7 dydžiai, kurie mums, sakykime, yra kol kas nepažinūs.

Įvedus papildomas dimensijas, supergijų teorija įgalina fizikams kvantų teorijas ir gravitacijos teorijos dėsningumus sujungti į vieną sąlyginai tvarkingą struktūrą. (...) štai kaip vienas fizikas aiškina visatos struktūrą iš supergijų teorijos pozicijų: „Nevienalytė gija, susideda iš vienos uždaros gijos, kuriai būdingi du vibracijų tipai: pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę ir jie yra skirtingi. Vibracijos pagal laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje, turinčios 10 dimensijų. Vibracijos prieš laikrodžio rodyklę egzistuoja erdvėje, kuris turi 26 dimensijas iš kurių 16 yra suspaustos į bendrą visumą. Prisiminkime, kad Kalūzos pirminiame penkių dimensijų modelyje, penktoji dimensija buvo kompaktiškai suspausta į apskritimą. ..“ Ir šitaip jis prirašo 350 puslapių.

Gijų teorija pagimdė vadinamąją M teoriją, kuri aprėpia membranomis vadinamus paviršius ir tai sudaro naują fizikos pasaulio esmę. Čia, manau, ir yra ta stotelė žinių greitkelyje, kurioje daugeliui mūsų reikia išlipti. Štai kokiu sakiniu New York Times eiliniam skaitytojui tą paaiškina kiek įmanoma paprasčiau: „Ekpirotinis procesas prasideda tolimoje ir neapibrėžtoje praeityje tuščiai plokščių luobelių porai atsidūrus iškreiptoje 5 dimensijų erdvėje. Tos dvi luobelės, iš kurių susidaro 5 – osios dimensijos sienos, galėjo atsirasti iš tokio nieko kaip kvantinė fliuktuacija, likusi dar tolimesnėje praeityje. Paskui tos dvi luobelės išsiskyrė kuri sau.“ Nenuginčyjama ir nesuprantama.

Fizikos reikalai yra pasiekę tokį lygį, kad kaip žurnale „Nature“ rašė Paul‘as Davies‘as: „Paprastam žmogui darosi beveik neįmanoma atskirti kur yra logiškas keistumas, o kur tiesiog beprotystė.“ Ši problema įdomią kulminaciją pasiekė 2002 – ųjų metų rudenį, kuomet du prancūzų fizikai (ir broliai dvyniai) Igoris ir Grishka Bogdanovai, sukūrė savotišką teoriją, kuri operuoja tokiomis sąvokomis kaip „menamas laikas“ ir „kubo Švingerio Martino sąlyga“ ir bando apibūdinti niekinę visatos būseną prieš didįjį sprogimą – t.y. tą periodą, kuris buvo laikomas nepažiniu, nes jis buvo anksčiau nei atsirado tyrinėjimai. Beveik iškarto Bogdanovų teorija tarp fizikų sukėlė diskusijas: ar tai paistalai, ar pokštas, ar genialus atradimas.