Kodėl gravitacija vis dar yra viena didžiausių fizikos paslapčių?

Vakarienės metu numestas šaukštas nukrenta ant grindų, Mėnulis kiekvieną naktį grįžta į savo vietą, o kosminės stotys aplink Žemę juda milžinišku greičiu ir vis tiek nenuskrieja į nežinią. Visa tai atrodo taip savaime suprantama, kad apie nematomą jėgą dažniausiai prisimename tik tada, kai paslystame ant laiptų. Tačiau už šio kasdieniško paprastumo slypi klausimas, į kurį fizikai iki šiol neturi galutinio atsakymo.

Nuo jėgos iki erdvėlaikio

Ilgą laiką gravitacija buvo suprantama kaip jėga, traukianti vieną kūną prie kito. XVII amžiuje Isaacas Newtonas aprašė ją matematine formule, kuri leido tiksliai apskaičiuoti planetų judėjimą, numatyti kometų trajektorijas ir paaiškinti, kodėl daiktai krinta ant Žemės.

Newtono teorija buvo stulbinamai sėkminga, tačiau ji turėjo keistą savybę: gravitacija veikė per atstumą be jokio aiškaus tarpininko. Saulė „žinojo“, kur yra Žemė, o Žemė – kur yra Saulė. Tuo metu nebuvo paaiškinimo, kaip toks poveikis perduodamas.

XX amžiaus pradžioje Albertas Einsteinas pateikė radikaliai kitokį vaizdą. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją gravitacija nėra įprasta jėga. Masė ir energija iškreipia erdvėlaikį, o kūnai juda tuo iškreiptu keliu. Žemė aplink Saulę skrieja ne todėl, kad ją nematoma virvė traukia į šoną, o todėl, kad juda per Saulės sukurtą erdvėlaikio geometriją.

Ši teorija paaiškino reiškinius, kurių Newtono dėsniai negalėjo tiksliai aprašyti: Merkurijaus orbitos poslinkį, šviesos nukrypimą prie masyvių objektų, gravitacines bangas ir juodąsias skyles. Vis dėlto jos sėkmė kartu išryškino naują problemą – gravitacija tapo ne tik kūnų sąveika, bet ir pačios Visatos struktūros dalimi.

Dvi neįtikėtinai sėkmingos, bet nesuderinamos teorijos

Šiuolaikinė fizika remiasi dviem didžiuliais teoriniais ramsčiais. Bendroji reliatyvumo teorija puikiai veikia aprašant planetas, žvaigždes, galaktikas ir visos Visatos mastą. Kvantinė mechanika savo ruožtu itin tiksliai paaiškina atomų, elementariųjų dalelių ir kitų mikroskopinių reiškinių elgesį.

Problema ta, kad šios teorijos kalba skirtingomis kalbomis.

Kvantinėje fizikoje gamta aprašoma tikimybiškai, o dalelės gali būti keliose būsenose vienu metu. Jėgos perduodamos per kvantinius laukus ir jų nešiklius. Gravitaciją mėginama aprašyti panašiai – įsivaizduojant hipotetinę dalelę, vadinamą gravitonu. Tačiau kol kas gravitono niekas neaptiko, o vien bandymai sujungti gravitaciją su kvantine teorija sukelia rimtų matematinių sunkumų.

Bendroji reliatyvumo teorija erdvėlaikį traktuoja kaip sklandų, vientisą audinį. Kvantinė fizika rodo, kad mažiausiais masteliais gamta pasižymi svyravimais, neapibrėžtumu ir tikimybiniais šuoliais. Kai skaičiavimai bandomi atlikti vietose, kur gravitacija tampa nepaprastai stipri ir svarbūs kvantiniai efektai, pavyzdžiui, juodųjų skylių centre ar pačioje Visatos pradžioje, įprastos lygtys nebesuteikia prasmingo atsakymo.

Fizikai tai vadina teorijos lūžio riba. Tai nereiškia, kad bendroji reliatyvumo teorija yra klaidinga kasdienėmis sąlygomis. Ji veikia nepaprastai tiksliai. Tačiau akivaizdu, kad tai nėra paskutinis gravitacijos aprašymas.

Juodosios skylės atveria pavojingiausią klausimą

Juodosios skylės yra viena vietų, kur gravitacijos paslaptis tampa ypač aštri. Kai milžiniška žvaigždės masė suspaudžiama į mažą erdvę, susidaro regionas, iš kurio negali ištrūkti net šviesa. Jo ribą fizikai vadina įvykių horizontu.

Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją juodosios skylės centre turėtų būti singuliarumas – taškas, kuriame tankis ir erdvėlaikio kreivumas tampa begaliniai. Fizinėje teorijoje begalybė dažniausiai yra ženklas, kad lygtis pasiekė savo galimybių ribą. Tikėtina, kad tikroji gamta tokių begalinių dydžių neturi, tačiau kol kas nežinome, kokia teorija turėtų juos pakeisti.

Dar daugiau klausimų kelia juodosios skylės informacijos paradoksas. Kvantinė fizika teigia, kad informacija apie dalelių būseną negali būti sunaikinta. Tačiau jei objektas patenka į juodąją skylę, o pati skylė ilgainiui išgaruoja dėl vadinamosios Hawkingo spinduliuotės, neaišku, kas nutinka informacijai apie tą objektą.

Šis konfliktas nėra vien teorinė dėlionė. Jis paliečia pačius pagrindinius fizikos principus: ar erdvėlaikis yra vientisas, ar sudarytas iš mažesnių kvantinių „grūdelių“, ir ar Visata iš tiesų leidžia informacijai dingti be pėdsako.

Ieškoma ne tik naujos formulės

Gravitacijos mįslę bandoma spręsti keliomis kryptimis. Stygų teorija teigia, kad fundamentaliomis dalelėmis reikėtų laikyti ne taškus, o itin mažas vibruojančias stygas. Tam tikruose šios teorijos variantuose natūraliai atsiranda gravitono vaidmenį atliekantis virpėjimas.

Kitas kelias – kilpinė kvantinė gravitacija. Ji mėgina parodyti, kad pats erdvėlaikis gali turėti grūdėtą, kvantinę struktūrą. Esant įprastoms sąlygoms ji atrodytų tolydi, tačiau ekstremaliomis aplinkybėmis išryškėtų jos sudedamosios dalys.

Mokslininkai taip pat ieško eksperimentinių užuominų. Gravitacinės bangos, pirmą kartą tiesiogiai užregistruotos 2015 metais, leido stebėti juodųjų skylių susiliejimus ir patikrinti bendrąją reliatyvumo teoriją nauju būdu. Kosminiai teleskopai stebi, kaip gravitacija iškreipia šviesą, o dalelių laboratorijose mėginama aptikti mikroskopinius nukrypimus nuo žinomų dėsnių.

Kol kas didžiausias iššūkis tas, kad gravitacija yra labai silpna, palyginti su kitomis fundamentaliomis sąveikomis. Todėl kvantiniai jos efektai nepaprastai sunkiai išmatuojami. Reikėtų arba milžiniškos energijos, arba itin jautrių prietaisų, arba netikėto reiškinio, kuris aiškiai parodytų, kur dabartinis supratimas ima trūkinėti.

Galbūt gravitacija nėra jėga, kurią dar reikia tinkamai „sukvantinti“. Galbūt ji išnyra iš gilesnio, kol kas neatrasto Visatos principo. Šiandien fizikai neturi atsakymo, tačiau būtent todėl gravitacijos tyrimai išlieka tokie svarbūs: kiekvienas naujas matavimas gali pakeisti ne vien formulę, bet ir mūsų supratimą apie tai, kas apskritai yra erdvė, laikas ir tikrovė.