Tamsioji energija. Ar mokslinei kosmologijai pavyks išgyventi be metafizikos sąvokos?

Geriausi pasaulio fizikai telkiasi moksliniuose centruose, kuriuose apdorojami kosmoso stebėjimų faktai (pvz. reliktinis spinduliavimas, greitėjantis visatos plėtimasis bei pan.). Mokslas deda žūtbūtines pastangas, norėdamas apginti pastaraisiais dešimtmečiais rutuliotą medžiaginės visatos modelį. Tačiau šiandieną susiduriama su tokiais klausimais, kurių „geriausi“ atsakymai tėra rankų skėsčiojimai. Todėl fizikų bendruomenėje kyla revoliucinės nuotaikos. Klausiama, kas yra visatos medžiaga, ar teisingai daroma, jei Žemės sąlygomis patvirtintos teorijos perkeliamos į visatos modeliavimą. Kita vertus, nepaisant neatsakytų klausimų, kosmologijos pagrindimas singuliarumu ir iš jo sekusiu staigiu išsiplėtimu („big – bang“) yra geriausiai visatos raidą paaiškinanti teorija. Ji neatsiejama nuo Einšteino indėlio į mokslą.

Kaip gamtos mokslo bei medžiagos atžvilgiu suprantamas žodis „metafiziką“?

Geri Aristotelio filosofijos žinovai teigia, kad terminą „metafizika“ sugalvojo bibliotekininkai. Pasak jų, metafizika - tai tie Aristotelio raštai, kurie ne apie materialųjį pasaulį.

Iškart būtina pastebėti, jog kalbant apie pasaulio (kaip visa) pradžią, šiandieninė mokslinė samprata „visata prasidėjo iš nieko“, nėra klasikinės metafizikos atitikmuo (t.y., mokslinis „niekas“ nėra tapatus aristoteliškam). Aristoteliška kosmologija teigia, jog pasaulio pradžioje nebuvo judėjimo. Šiuolaikinėje mokslinėje medžiagos (energijos) sampratoje judėjimo nebuvimas yra tapatus medžiagos neegzistavimui (kaip buvo minėta, kol kas visatos aiškinime tokios sampratos nėra). Metafizinės pasaulio pradžios neįmanoma apibrėžti matematiškai, nes visi nūdienos gamtamoksliui žinomi bei aprašyti medžiagos parametrai turi būti prilyginti nuliui. Visiškai kitaip yra su moksliškai traktuojama pasaulio pradžia. Staigaus išsiplėtimo (infliacijos) teorijoje visata prasideda iš protu nesuvokiamų, tačiau tiksliai matematiškai apskaičiuotų apimties bei masės vienetų. Singuliarumo apimtis 10-33 cm, o masė apie 10–5 g. Remiantis Planco konstanta, apskaičiuojamas galimas mažiausias atstumas tarp linijų (šiuo atveju gravitacinių). Apie 10–5 g., - būtent tokią visatos pradžios masę tėra įmanoma sutalpinti tarp linijomis apibrėžtos apimties. Iš singuliarumo seka kvantiniai procesai, kurių dėka visata šiandieną tokia - su milžiniškomis medžiagos, energijos sankaupomis ir milžiniškais atstumais tarp jų. Atstumai užpildyti fizikiniu vakuumu, kuriame gausu atsirandančių ir išnykstančių dalelių. Jų atsiradimą ir išnykimą paaiškina atitinkamos kvantinių procesų teorijos. Pastarųjų teisingumas apvainikuotas Higgso bozono eksperimentiniu patvirtinimu (o kartu ir medžiagos sandarą paaiškinančiu Standartinio modelio patvirtinimu). Žinoma, tai nereiškia, kad kvantinės teorijos nepalieka tam tikrų klausimų. Bet jie tėra „smulkmė“, juos palyginus su iškilusiais kosmologiniais klausimais.

Karščiausias iš tokių klausimų – tai tamsioji energija.

Prasiveržusios kosmologinės problemos bediskutuojančius fizikus nuveda netgi į štai tokį klausimą: kas darė įtaką Einšteino mąstysenai? Atsakymas nesunkus – tai Spinoza. Jis atgręžia nugarą aristoteliškai kosmologijai (o kartu ir senajam judėjiškam pasaulėvaizdžiui). Tad Spinoza - tikrai labai geras mokytojas mokiniui, norinčiam visatoje vykstančius procesus suprasti tik kaip medžiagiškus. Keliamas ir kitas klausimas: kas gali apriboti geresnes gamtos pažinimo galimybes? (Kaip pamatysime vėliau, atsakymas galbūt daug kam bus netikėtas).

Tamsiąją energiją, kaip priešingą veikimą gravitacijai, buvo numatęs dar Einšteinas. Tačiau antigravitacinis veikimas prieštaravo to meto mokslo įsivaizduojamam statiškos visatos modeliui. Tad matematiniuose skaičiavimuose užteko įvesti kosminio pastovumo konstantą ir lygtys tapo nepriekaištingos – visata buvo aprašoma kaip statiška. Bet vėlesniais stebėjimais patvirtinus greitėjantį visatos plėtimąsi (t.y., patvirtinus realią visatą), naujai iškilo antigravitacinio veikimo klausimas.

Apie šį veikimą nūdienoje žinoma tik tiek, kad jis, visatoje dominuojantis bei tolygiai pasiskirstęs, įveikia gravitaciją ir priverčia visatą greitėjančiai plėstis. Laikantis medžiagiškos visatos prigimties koncepcijos, antigravitacinis fenomenas pavadinamas tamsiąja energija. Mokslininkų tarpe yra nuomonių, jog su tamsiąją energija gali sietis visatos vakuumo fluktuacijos (elementariųjų dalelių atsiradimas ir išnykimas). Tačiau, sako mokslininkai, tamsiosios energijos negalima lyginti su elementariosiomis dalelėmis.

Tad kaip tuomet tamsioji energija sąveikauja su gravitacija ir ją nugali? Bendroji reliatyvumo teorija gravitaciją traktuoja ne kaip niutonišką sunkio jėgą, o kaip erdvės savybę (kaip tam tikrą erdvės geometriją). Šiandien apie gravitacines bangas kalbama kaip apie labai silpnus šviesos greičiu plintančius virpesius, kurie susieti kvanto dalele – gravitonu.

Taigi mokslas klausia: jei visata užpildyta įvairių būvių medžiaga ir tamsioji energija traktuojama esanti medžiaginės prigimties, tai kaipgi tuomet vyksta tų medžiagų sąveika?

Šis klausimas veda ir į kitą klausimą: galbūt mokslas susidūrė su reiškiniu, kurio nebus įmanoma paaiškinti medžiagine prigimtimi?
(Turbūt kiek paprastesnė problema su netolygiai visatoje pasiskirsčiusia tamsiąja materija. Nors ji su mokslui pažįstama materija irgi nesąveikauja, tačiau „išgaubia“ gravitacinį „tinklą“ ir tose vietose susiformuoja galaktikos. Tam tikri teoretikai yra įsitikinę, kad tamsioji materija gali paveikti atomo branduolį. Taip atveriamos durys eksperimentams. Kol kas eksperimentinės galimybės vertinamos gana atsargiai. Beje, mokslui labai aktualu, ar kada nors pavyks vis tik „sugauti“ gravitoną ir ar toks eksperimentas yra lengvesnė užduotis nei įrodyti juodąją materiją?).

Kad neplistų įvairios spekuliacijos, medžiagiškam visatos modeliavimui būtinas tamsiosios energijos medžiagiškas paaiškinimas. Bet teorinio paaiškinimo su matematiniais įrodymais gali ir nebūti. O be teorijos net neverta pradėti kalbėti apie eksperimentus. Todėl išsekus mokslininkų intelektualinėms galimybėms, mokslui galbūt teliks pasinaudoti labai seniai išbandytu bei patikimu „įrodymo“ argumentu – postulatu. Jis galėtų sakyti maždaug taip: tamsioji energija – tai visatos savybė. Tik tiek. Tuomet klausimai apie tai, kaip ta savybė pasireiškia fiziškai (energetiškai), bus laikomi nekorektiškais, nemoksliškais. Žinoma, toks postulatas mažai tikėtinas. Jis labai jau kris į akis ir nedarys garbės mokslui.

Todėl turėtų atsitikti kitaip. Nes tam tikri teoretikai, fizikai - matematikai sako: tamsioji energija - tai nepaaiškinama substancija.
Substancija. Mokslininkai prabyla apie filosofinius terminus. Negana to, jie pirštu parodo į tą mokslo sritį, kuri apriboja gilesnį proto skverbimąsi į pažinimą.

Ir ta sritis – matematika.

Čia esmė tokia. Iš matematikos istorijos žinoma, kaip gerai matematika ėmė skaičiuoti daiktus, o išradus nulį skaičiavo labai, labai gerai, t.y., matematika tapo mokslu, be kurio gamtamokslyje niekaip neišsiverčiama. (Kita vertus, kaip sakė Einšteinas: „matematika, dar ir labai geras būdas žmogų vedžioti už nosies“. Ir tikrai. Apie tai byloja „statiškos“ visatos lygtys. Nors skaičiavimai rodė, kad su visata kažkas netvarkoje, tačiau dėl statiško visatos filosofinio pasaulėvaizdžio, reali dinamiška visata žmogaus matematiniame prote tapo iliuzine).

Nūdienoje skaičiuojami besiplečiančioje visatoje įsibarstę daiktai (t.y., medžiaga, energija). Teoriškai atvirkštine tvarka visata gražinama į singuliarumą, kurio paskaičiuoti parametrai, nors ir neįtikėtinai maži, tačiau negali būti nuliniai. Kodėl? Ogi ne vien todėl, kad apie medžiagą (energiją), kaip apie tokią, galima matematiškai pradėti kalbėti tik nuo Planco konstantos. Bet dar ir todėl, jog tam, kad matematika pradėtų dirbti, jai būtini pradžios daiktai, kuriuos būtų galima skaičiuoti. Visatos modeliavime iš singuliarumo daiktai (subatominės dalelės) pradeda judėti ir apibrėžia erdvę trijuose matmenyse. Visatos raidai sekti įvedamas laikas, kuris skaičiuojamas ne nuo nulio, o nuo tam tikro teigiamo skaičiaus.

(Ko ne ko, bet laiko nepavadinsi nei judėjimu, nei daiktu. Senovės žmogus savo samprotavimuose laiką susiejo su daiktu bei to daikto kaita. Laikas tampa labai svarbia daikto savybe, apibrėžiančia jo raidą. Taigi tarp daikto ir laiko nėra jokios medžiaginės jungties. Būtent dėl nedaiktiškos, metafizinės laiko prigimties bei žmogiškų egzistencinių asociacijų laiko sąvoka labai mėgstama žmonijos filosofavimuose).

Tad ką gi siūlo nūdienos drąsiausi fizikai – matematikai?

Šiek tiek ankstesniais laikais fizikams buvo tarsi savaime suprantama, kad bet kokios kalbos apie metafiziką - tai kalbos apie tai, kas gali būti už Planko Ribos, t.y., už medžiaginio (energetinio) mikropasaulio. Tokiam būviui apibūdinti fizikos mokslas neturi nė vienos sąvokos. Kalbant apie laiką, sakoma, kad už Planko Ribos laikas neegzistuoja.

Tačiau šiandien mokslininkų mintys krypsta į tai, kad neatsakytų klausimų šaknys glūdi nepakankame laiko sąvokos apibrėžime.

Teigiama, jog iš singuliarumo gimstančiai visatai neužtenka įvestos ir nuo tam tikrų skaičių prasidedančios laiko koordinatės. Todėl, sako mokslininkai, būtina įvesti nulinį ir dinaminį laikus. Tuomet, anot mokslininkų, iškilusios problemos išnyktų, nes taptų visiškai aišku, apie ką kalbama, t.y., būtų visiškai aišku, ar mokslas kalba apie kvantinės prigimties medžiagą bei jos mechanistinę sąveiką, ar apie medžiagiškai nepaaiškinamą fenomeną.

(Apie dinaminį laiką ir dinaminę erdvę, kaip apie erdvėlaikį, kalba ir reliatyvumo teorija. Tačiau jų dinamiškumas priklauso nuo šviesos (kaip medžiagos, daikto) greičio konstantos. Infliacijos teorijoje lieka klausimas, kaip per nesuvokiamai mažą sekundės dalį iš singuliarumo medžiaga (subatominės dalelės) įveikė atstumus, milijonus kartų viršijančius šviesos greitį vakuume? Staigaus visatos išsiplėtimo teorija tokį plėtimosi periodą vadina neskaidria, nematoma visata).

Nesunku prognozuoti, kaip būtų modeliuojama visata, įvedus nulinį ir dinaminį laikus. Laikas būtų pripažįstamas priešmedžiaginės egzistencijos tikrove (t.y., laikas būtų ankstesnis už daiktus ir jis taptų mokslui naudinga metafizine tikrove). Žinoma, tai nereiškia, kad ką nors būtų galima pasakyti, kas vyko prieš singuliarumą. Tokių dalykų aprašyti matematiškai nebūtų įmanoma. Parametrai atsirastų staiga - kartu su singuliarumu ir būtų tokie pat, kaip ir jau sudarytame visatos pradžios modelyje. Esminis dalykas, kurį visata įgautų raidoje po singuliarumo - tai iš nulinio laiko atkeliavusi ne nemedžiaginė tikrovė (kaip pirminė visatos atsiradimo priežastis). Todėl visatą „aiškinančios“ sąvokos, kaip antai: tamsioji energija, o galbūt ir tamsioji materija, ir netgi galbūt gravitacija, taptų beprasmėmis (visa tai taptų mokslui nenaudinga metafizika). Minėtos „medžiagiškai“ veikiančios jėgos būtų pakeistos visatos dinamine geometrija. Ją būtų galima matematiškai aprašyti kintančio laiko ir erdvės parametrais. Atsikratęs neapibrėžiamų dalykų, mokslas sutelktų dėmesį į jam pažįstamos medžiagos bei jos sąveikos tyrimą. Kartu baigtų švaistyti intelektualinį potencialą ir finansines lėšas medžiagiškoje realybėje neegzistuojančių vaiduoklių „skaičiavimui“ bei jų vaikymuisi.

Negana to, naujas kosmologinio modelio aiškinimas suteiktų impulsą ir kitiems mokslams. Galima sakyti, jog tai paliestų visas mokslų sritis, tarkim, pradedant biologija ir baigiat humanitariniais mokslais.

Pabaigoje pažvelkime į Lietuvos mokslo padangę.

2015 m. balandžio10 d. Vilniaus universiteto teorinės fizikos katedroje buvo pateiktas mokslinis pranešimas. Jis sukėlė audringas diskusijas.

Reikalas tas, kad pastaruoju metu atskiros eksperimentatorių grupės patvirtina dar Einšteino pasiūlytą mintinį eksperimentą. Jo esmę nusako pavadinimas: „baisus veikimas per atstumą“ (ang. „spooky action at a distance“). Nūdienos eksperimentų rezultatai parodo, jog kvantinės dalelės tarpusavyje sąveikauja greičiu, kuris tūkstančius kartų didesnis nei šviesos greitis vakuume. Tokie eksperimentai atkreipė  Lietuvos mokslo dėmesį: kvantinis susietumas – tai galbūt puiki galimybė naujoms lazerinėms technologijoms. Todėl būtina kvantinio susietumo veikimo mechanizmo teorija – tik tuomet bus įmanoma kurti prietaisus susietumo jėgai išnaudoti.

Tačiau konferencijos dalyviams išsamiau pasisakius  apie kvantinį susietumą, buvo pagrįstai suabejota dėl susietumo suponuojamos kažkokios tai mokslui žinomos jėginės sąveikos (t.y., buvo suabejota ar  medžiagiškas susietumas egzistuoja).

Taigi akivaizdu, jog į Lietuvos mokslininkų interesus patenka dalykai, kurių veikimas nebepaiškinamas mokslui pažįstamo kontinuumo sąlygomis (kitaip tariant, veikimas pranoksta bangine funkcija aiškinamą medžiagiško tolydumo terpę).

Kvantinio susietumo fenomenas mokslą sugražina į A. Einšteino ir N. Bohro ginčą dėl atomo „superpozicijos“ būsenos (beje, labai gerai žinoma, kaip šis ginčas išgarsino Šriodingerio „katę“).

Makropasaulyje nūdienos eksperimentai patvirtina kvantinio susietumo veikimą tik kaip informacijos pasikeitimą tarp dalelių (kaip ir laiko, informacijos negalima pavadinti nei judėjimu nei daiktu). Kitaip tariant, tarp tarpusavyje sąveikaujančių dalelių nėra jokių kitų dalelių, kurios susietų (medžiagiškai perneštų) kokią nors mokslui žinomą sąveiką (išskyrus gravitacinę, moksle įrodytos trys sąveikos: elektromagnetinė, silpnoji ir stiprioji). Todėl kvantiniam informaciniam susietumui paaiškinti, medžiagiškai veikiančio mechanizmo nėra ir nebus, nes mokslinėse teorijose bet kokios realios dalelės, galinčios nešti sąveikos jėgą, negali judėti didesniu greičiu nei šviesos greitis vakuume. Tik tokiame kontekste mokslas gali kalbėti apie medžiagą bei ją jungiančią medžiagiškos prigimties jėgą. Priešingu atveju bus kalbama apie metafiziką, kurią Einšteinas pavadino „baisiu veikimu per atstumą“.

Išvada:

Šiandien jau nebekyla abejonių, kad susiduriama su nemedžiaginės prigimties fenomenais. Tad lieka atviras klausimas: ar tokiai fenomenų prigimčiai konstatuoti mokslas pasirinks metafizinę laiko sąvoką?

Nuorodos:

Tekstas parašytas lakoniškai apibendrinant viešus mokslui nusipelniusių fizikų tarpusavio debatus bei atskirus pranešimus. Pasisakė šie mokslininkai: A. Bagrov; M. Danilov; A.Linde; V.Rubakov; A.Semichatov; A.Storobinskij ir kt.

P. S. Mokslo raidos prognozės po nulinio ir dinaminio laikų įvedimo nebuvo patekusios į paminėtų fizikų  interesų lauką. Aprašytos prognozės tėra teksto autoriaus interpretacijos.