Mokslininkai ieško naujų gamtos dėsnių – ko jie tikisi rasti?

Kartais didžiausias fizikos galvosūkis slypi ne ten, kur nieko nematome, o ten, kur viskas atrodo pernelyg tvarkinga. Dalelės susiduria greitintuvuose, teleskopai stebi milijardų metų senumo šviesą, o formulės dažnai tiksliai nuspėja, kas turėtų įvykti. Tačiau keli neatitikimai vis atkakliai primena: dabartinis mūsų visatos aprašymas gali būti ne paskutinis.

Dabartinė teorija veikia, bet nepaaiškina visko

Šiuolaikinės fizikos pagrindas – Standartinis dalelių fizikos modelis – yra vienas tiksliausių kada nors sukurtų gamtos aprašymų. Jis paaiškina elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją sąveikas, numato dalelių savybes ir leidžia itin tiksliai apskaičiuoti eksperimentų rezultatus. Higso bozono atradimas 2012 metais buvo svarbus šios teorijos patvirtinimas.

Vis dėlto modelis turi aiškias ribas. Jame nėra gravitacijos, nors ši jėga kasdien formuoja planetų, žvaigždžių ir galaktikų pasaulį. Jis neatsako, kas sudaro tamsiąją medžiagą – nematomą medžiagą, kurios gravitacinį poveikį matome stebėdami galaktikų judėjimą ir didelio masto Visatos struktūrą.

Dar viena paslaptis – tamsioji energija. Manoma, kad ji susijusi su spartėjančiu Visatos plėtimusi, tačiau jos prigimtis iki šiol nežinoma. Įprasta medžiaga, kurią galime pamatyti teleskopais ar aptikti laboratorijose, sudaro tik nedidelę viso kosmoso dalį.

Fizikams tai reiškia ne teorijos žlugimą, o aiškų ženklą, kad už dabartinio modelio ribų gali slypėti platesnė sistema.

Ieškoma ne vienos formulės, o naujo paaiškinimo

Vienas svarbiausių tikslų – suprasti, kaip suderinti kvantinę mechaniką ir Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Abi teorijos puikiai veikia savo srityse: kvantinė mechanika aprašo daleles ir jų sąveikas, o reliatyvumas – gravitaciją, erdvę bei laiką. Tačiau ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, juodųjų skylių centruose ar pačioje Visatos pradžioje, šie aprašymai ima konfliktuoti.

Todėl mokslininkai ieško kvantinės gravitacijos teorijos. Ji galėtų paaiškinti, ar erdvė ir laikas yra vientisas audinys, ar sudaryti iš fundamentalesnių „grūdelių“. Galbūt gravitacija nėra tokia pati jėga kaip kitos, o atsiranda iš gilesnių kvantinių ryšių.

Kitas kelias – naujos dalelės ar sąveikos. Teoriniuose modeliuose numatomos įvairios galimybės: tamsiosios medžiagos dalelės, papildomi Higso bozonai, itin lengvos dalelės, nauji tarpininkai arba vadinamieji tamsieji sektoriai, beveik nesąveikaujantys su įprasta medžiaga.

Tačiau fizikai neieško naujovių vien dėl jų egzotiškumo. Nauja teorija turėtų paaiškinti jau žinomus reiškinius ir kartu pateikti patikrinamas prognozes. Jei ji negali būti išbandyta eksperimentu, lieka tik matematiškai įdomia hipoteze.

Užuominos gali slėptis dalelių ir kosmoso duomenyse

Vienas tiesiausių kelių į naują fiziką – kuo tiksliau matuoti tai, ką jau mokame apskaičiuoti. Didžiajame hadronų greitintuve CERN mokslininkai analizuoja protonų susidūrimus, ieškodami retų skilimų, papildomų dalelių ir energijos disbalanso, kuris galėtų reikšti nematomą medžiagą.

Svarbios ir neutrinų studijos. Šios beveik nesąveikaujančios dalelės gali pereiti per planetą, tačiau jų masė ir elgesys rodo, kad Standartinis modelis nėra visiškai pakankamas. Neutrinų virpesių tyrimai jau parodė, kad dalelės keičia savo tipą keliaudamos. Mokslininkai dabar bando nustatyti jų masių skirtumus, elgesį medžiagoje ir tai, ar neutrinai bei antineutrinai laikosi tų pačių taisyklių.

Tamsiosios medžiagos ieškoma ne tik greitintuvuose. Požeminiai detektoriai, apsaugoti nuo kosminės spinduliuotės, fiksuoja itin retus galimus dalelių smūgius į atomų branduolius. Kol kas patikimo atradimo nėra, todėl eksperimentai tampa vis jautresni.

Kosmologai tuo metu tiria galaktikų pasiskirstymą, reliktinę spinduliuotę ir Visatos plėtimosi istoriją. Kosminės misijos, tokios kaip „Euclid“, o taip pat dideli antžeminiai apžvalgų projektai, padeda tikrinti, ar tamsioji energija iš tiesų yra nekintanti kosmologinė konstanta. Jei plėtimosi sparta laikui bėgant kistų kitaip, nei numato dabartinis modelis, tai būtų rimta užuomina apie naujus dėsnius.

Netikslumas gali būti atradimo pradžia

Mokslo istorijoje naujos idėjos dažnai prasidėdavo nuo mažo neatitikimo. Merkurijaus orbitos pokytis kadaise tapo vienu iš bendrosios reliatyvumo teorijos įrodymų. Vėliau dalelių fizikoje iš pažiūros nepaaiškinami reiškiniai padėjo numatyti naujas daleles dar prieš jas aptinkant.

Todėl šiuolaikiniai tyrėjai itin atidžiai vertina vadinamąsias anomalijas – situacijas, kai eksperimento rezultatas šiek tiek nesutampa su teorijos prognoze. Tokie skirtumai gali reikšti naują fiziką, bet gali atsirasti ir dėl statistinio atsitiktinumo, neįvertinto eksperimento poveikio ar skaičiavimo klaidos.

Dėl to vieno įdomaus signalo nepakanka. Reikia nepriklausomų matavimų, pakartojamų rezultatų ir teorinio paaiškinimo, kuris atlaikytų kruopštų tikrinimą. Fizikoje atradimu laikomas ne pats netikėtas skaičius, o įrodymų visuma.

Mokslininkai taip pat tikisi rasti atsakymą į klausimą, kodėl Visatoje liko daugiau medžiagos nei antimaterijos. Pagal ankstyvus modelius jų turėjo susidaryti beveik po lygiai, todėl medžiaga ir antimaterija būtų viena kitą sunaikinusios. Kadangi šiandien egzistuoja žvaigždės, planetos ir gyvybė, privalėjo veikti mechanizmas, suteikęs medžiagai nedidelį pranašumą.

Galbūt nauji gamtos dėsniai slypi būtent tokiame menkame skirtume – dalelių elgesyje, kurio iki šiol nepavyko pakankamai tiksliai išmatuoti. O gal atsakymas bus dar netikėtesnis: teks keisti ne vieną formulę, bet patį supratimą, kas Visatoje laikoma pagrindine tikrove. Keičiantis prietaisų jautrumui ir stebėjimų mastui, fizika artėja prie ribos, kur nežinomybė tampa ne kliūtimi, o svarbiausiu tyrimo įrankiu.