Tumšā matērija jeb no kā veidota pasaule, kurā dzīvojam? Profesora Auziņa zinātnes sleja

Pievērs uzmanību – raksts publicēts pirms 1 gada.

Sākšu ar dažiem likumiem, ko formulējis mans kolēģis fizikas profesors Bristoles Universitātē Maikls Berijs. Maikls ir teorētiķis ar lielu noslieci uz matemātiku, kurš formulējis virkni ideju, kas pieder pie viļņu fizikas un kvantu fizikas fundamentāliem pamatiem. Piemēram, viņa ideja, kas ieguvusi nosaukumu – Berija fāze, ir ļoti nozīmīga daudzos kvantu fizikas procesos. Starp citu, par to, viesojoties Rīgā Eiropas Fizikas biedrības sponsorētā publiskā lekcijā, Berijs stāstījis arī Latvijas Universitātes Lielajā aulā.

Profesora Auziņa zinātnes sleja

Profesora Auziņa zinātnes sleja

Mārcis Auziņš: "Kādēļ lasīt manus tekstus? Man šķiet, ka dabaszinātnes mēs bieži mēdzam "ignorēt", sakot, ka tās ir formālas, sausas un neinteresantas. Gribētos ļaut lasītājam ieraudzīt, ka tās ir daļa no mūsu dzīves – krāsainas un interesantas."

Biogrāfijas pieturzīmes:

  • Pēc profesijas fiziķis, šobrīd Latvijas Universitātes profesors, Eksperimentālās fizikas katedras un Lāzeru centra vadītājs.
  • No 2007. gada līdz 2015. bijis Latvijas Universitātes rektors.
  • Strādā kvantu fizikas jomā un ir vairāk nekā simts zinātnisko rakstu, kas publicēti pasaules vadošajos fizikas žurnālos, un vairāku simtu konferenču ziņojumu autors.
  • Kopā ar kolēģiem no Rīgas un Bērklijas uzrakstījis divas monogrāfijas, kas izdotas "Cambridge University Press" un "Oxford University Press" izdevniecībās un abas ir piedzīvojušas atkārtotus izdevumus.
  • Karjeras laikā dzīvojis un strādājis dažādās valstīs – Ķīnā un Taivānā, Amerikas Savienotajās Valstīs, Kanādā, Anglijā, Izraēlā un Vācijā.

Vēl viena lieta, par ko Maikls Berijs pats ļoti lepojas, ir kopā ar kolēģi Andreju Geimu 2000. gadā viņam piešķirtā Ig Nobela (tulkojumā ne-Nobela) prēmija. Iespējams, ne visi ir dzirdējuši par šo interesanto prēmiju, kas tiek piešķirta kopš 1991. gada. To pasniedz Hārvarda Universitātē ASV, un tās saņēmējam pēc tam jāsniedz publiska lekcija Masačūsetsas Tehnoloģiju universitātē. Prēmijas neparastums – tā tiek piešķirta par gada visdīvainākajiem sasniegumiem zinātnē, kas publicēti nopietnos akadēmiskos žurnālos un kas, kā rakstīts prēmijas anotācijā, "vispirms liek cilvēkiem smieties, bet pēc tam – domāt". Maikls Berijs izveidoja teoriju efektam, kad no magnētiska materiāla izveidots rotējošs vilciņš, ievietots magnētiskajā laukā, "karājas gaisā" tik ilgi, cik ilgi tas griežas. Starp citu, mūsdienās var nopirkt pēc šiem principiem izveidotu fizikālu rotaļlietu pieaugušajiem. Fiziķi saka – rotējošais vilciņš levitē. Lai šo parādību padarītu vēl dīvaināku, Berija kolēģis Andrejs Geims efektu eksperimentāli nodemonstrēja, levitējot dzīvu vardi. Tas var izskatīties tiešām pēc jautra joka, bet aiz šī joka slēpjas interesanta un dziļa fizika.

Taču šoreiz par sākumā pieminētajiem Berija likumiem, kas vairāk gan attiecas nevis uz zinātnes rezultātiem, bet gan uz to, kā šie rezultāti rodas.

Divi Maikla Berija likumi skan šādi. Pirmais: "Nekad nekas netiek atklāts pirmo reizi."

Un šo likumu paskaidro otrais Maikla Berija likums: "Pietuvoties patiesai teorijai un izprast tās precīzu pielietojumu ir divas ļoti dažādas lietas, kā to mums māca zinātnes vēsture.

Visu svarīgo iepriekš jau ir pateicis kāds, kurš to nav atklājis."

Mans stāsts par tumšo matēriju, kas tā ir un kā mēs zinām, ka tāda vispār ir, skaisti ilustrē šos Maikla Berija likumus. Var dažādi raudzīties uz to, kurš pirmais nonāca līdz idejai par līdz šim brīdim nezināmas izcelsmes vielas eksistenci Visumā, bet nozīmīgs pagrieziena punkts šajā ceļā noteikti bija amerikāņu astronomes Veras Rubinas doktora disertācija, kurā viņa nolēma pētīt, kā dažādās galaktikās zvaigznes riņķo ap galaktikas centru. Vera Rubina, uzsākot studijas doktorantūrā pagājušā gadsimta septiņdesmitajos gados, savam darba vadītājam teica, ka viņa, izmantojot tolaik jaudīgus spektrometrus, kas bija pielāgoti astronomiskiem novērojumiem, gribētu mērīt zvaigžņu rotācijas ātrumus galaktikās. Galaktikās zvaigznes, tāpat kā planētas Saules sistēmā, riņķo ap kopīgo masas centru. Saules sistēmā šis centrs ir Saule, galaktikā – tās centrs. Veras darba vadītājs par šo ideju neesot bijis sajūsmā. Mēs zinām, cik ātri planētām jāriņķo ap Sauli, lai tās noturētos uz savām orbītām (jo tuvāk Saulei, jo jāriņķo ātrāk). Piemēram, Saulei tuvākā planēta Merkurs pa savu orbītu kustas daudz ātrāk nekā gandrīz divdesmit piecas reizes tālāk esošais Saturns. Viņas doktora darba vadītājs esot teicis: "Tu jau vari veikt mērījumus, bet esmu gatavs saderēt – tā kā mēs ļoti labi saprotam, kādi dabas likumi nosaka zvaigžņu rotāciju ap galaktikas centru, es jau tagad varu uzrakstīt, kādus rezultātus parādīs tavi mērījumi…"

Cik zinu, derības nenotika, bet Vera Rubina izrādījās gana stūrgalvīga un šos mērījumus veica. Ja derības būtu noslēgtas, viņa tās būtu vinnējusi. Izrādījās, ka zvaigznes, kas atrodas tālāk no galaktiku centriem, kustas nevis lēnāk, bet tieši otrādi – tās kustas ātrāk nekā tās, kas atrodas tuvāk! Lai to izskaidrotu, nācās izdarīt negaidītus secinājumus. Galaktikas centrālajā daļā atrodas mākonis no neredzamas vielas, par kuras eksistenci zinām tikai tāpēc, ka tā ar gravitācijas spēkiem pievelk galaktikā redzamās zvaigznes.

Tieši tāpēc, ka citādi šī matērijas daļa nav nekādā veidā ieraugāma, jo tā neabsorbē un neizkliedē gaismu, šo hipotētisko vielu nosauca par tumšo matēriju.

Pieņemot, ka, iespējams, šāda neredzama viela tiešām eksistē, rodas jautājums – cik daudz ir šādas neredzamās vielas? Astronomi kopā ar astrofiziķiem kopš tā laika ir veikuši ļoti detālu visa Visuma inventarizāciju. Tas nozīmē, ka, līdzīgi kā veikalā, veicot inventarizāciju, tiek uzskaitīts viss tur atrodamais, pētnieki ir uzskaitījuši visu zināmo vielu Visumā. Tātad novērtējuši, cik daudz Visumā ir protonu, neitronu, elektronu un citu zināmo daļiņu. Cik daudz lauku, piemēram, elektromagnētiskā starojuma jeb fotonu, utt. No otras puses, viņi pēc tā, cik ātri Visums izplešas un kā zvaigznes un to kopas jeb galaktikas, kā arī galaktiku kopas kustas, pratuši novērtēt, cik daudz vielas jābūt Visumā. Un te parādās viens no satriecošākajiem pārsteigumiem un viena no lielākajām neskaidrībām!

Izrādās, ka šīs neredzamās un nezināmās vielas jeb tumšās matērijas Visumā ir vismaz piecas reizes vairāk nekā zināmās vielas.

Tas nu gan nav joks! Turklāt pārsteigumi vēl nebeidzas. Izrādās, ka zināmā un tumšā matērija Visumā kopā veido tikai vienu trešo daļu no tā masas. Izmantojot Einšteina slaveno formulu, ka enerģija un masa ir cieši saistītas lietas jeb enerģija ir vienāda ar daļiņas masas un gaismas ātruma kvadrāta reizinājumu, tika aprēķināts, ka

divas reizes vairāk nekā zināmās un nezināmās vielas Visumā ir enerģija, par kuras dabu mēs arī zinām ļoti maz un tādēļ to saucam par tumšo enerģiju.

(Starp citu, Einšteina formula ir tik populāra, ka to izmanto daudzviet nosaukumos; arī Rīgā, Krasta ielā, ir liels pārtikas un mājas preču veikals, ko sauc "mc2".)

Par tumšo enerģiju citreiz, atgriezīsimies pie tumšās matērijas. Skaidrs, ka tās eksistence ir ļoti liels izaicinājums, ko fiziķiem piedāvājusi pati Daba. Lai arī to skaļi nesaka, tomēr tāds mērens skandāls fizikas pasaulē. Mēs domājam, ka materiālo pasauli lielos vilcienos esam labi izpratuši. Protams, vēl ir daudz neatbildētu jautājumu, tomēr pamatprincipi lielā mērā ir skaidri. Tomēr, vai to var apgalvot, ja no visa Visuma tikai pieci procenti ir vielas, par kuru fiziķi spēj atbildēt, kas tā ir, un atlikušie deviņdesmit pieci procenti ir tumšā matērija un tumšā enerģija, par kuru eksistenci nojaušam tikai pēc to netiešas ietekmes uz Visumā novērojamajiem procesiem?!

Lai risinātu šo problēmu, no pašiem tās sākumiem ir tikušas un tiek izteiktas ļoti dažādas idejas, kas varētu būt šī tumšā viela, tumšā matērija. Ideju daudz – sākot no zināmo daļiņu, tādu kā neitrīno, īpašām izpausmēm, turpinot ar vēl nezināmu daļiņu iespējamu eksistenci (šīs daļiņas sauc par vāji mijiedarbojošām masīvām daļiņām) un beidzot ar idejām, ka varbūt Ņūtona vispasaules gravitācijas mijiedarbības likumi ir jāmodificē, lai varētu izskaidrot galaktikas veidojošo zvaigžņu negaidīto kustību.

Visas šīs hipotēzes ir labas un interesantas. Taču, lai kāda no hipotēzēm pārvērstos par vispārpieņemtu teoriju, tā ir jāapstiprina eksperimentāli. Šiem eksperimentiem tiek veltīts daudz pūļu un arī daudz resursu – gan fiziķu darba, gan naudas. Piemēram, mani kolēģi no Kalifornijas Universitātes Bērklijā profesora Dmitrija Budkera vadībā ar sadarbības partneriem dažādās vietās uz Zemes ir izvietojuši ļoti jutīgu magnetometru tīklu, kas darbojas sinhroni un spētu pamanīt, ja uz Zemes pēkšņi vienlaikus vairākās vietās pavisam nedaudz mainītos magnētiskais lauks. Šobrīd šādas vienlaicīgas izmaiņas nav konstatētas, taču, ja Zeme pietuvotos noteiktiem Visuma apgabaliem, kur mainās tumšās matērijas daudzums, tas varētu izraisīt magnētiskā lauka pavisam nelielas vienlaicīgas izmaiņas uz mūsu planētas.

Iespējams, vēl eksotiskāks eksperiments ir tā saucamais Ledus kuba eksperiments, kas tiek veikts Antarktīdā, tuvu Zemes dienvidpolam, Amundsena-Skota Polārās izpētes stacijā. Eksperimenta būtība – mūžīgajā sasalumā polārajā ledū apmēram vienā kubikkilometrā ledus izvietots liels skaits detektoru, kuru galvenais mērķis ir novērot neitrīno daļiņas, kas radušās ārpus Saules sistēmas. Taču vēl viena, ne mazāk svarīga ir iespēja šajā eksperimentā novērot šīs hipotētiskās vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas, kas, iespējams, veido tumšo matēriju. Taču arī šajā eksperimentā, lai cik precīzi būtu mērījumi, nekādas tumšās matērijas pēdas netiek novērotas.

Varētu domāt, ka veidojas ļoti neērta, gandrīz vai izmisuma situācija fizikā – teorijas par tumšo matēriju eksistē, taču apstiprināt nevienu no tām neizdodas.

Taču, no otras puses, iespējams, tieši šis ir fakts, kas situāciju padara īpaši intriģējošu un interesantu. Tas ļauj domāt, vai mēs esam pietuvojušies tai robežai, kur jārodas būtiski jaunām teorijām. Varbūt šī ir tā robeža, kur Daba mums ļoti tieši un nepārprotami norāda, cik joprojām ir nepilnīgi mūsu priekšstati par materiālo pasauli? Tā mums it kā saka: "Dāmas un kungi, fiziķi, te jums jauns uzdevums. Dodieties domāt, eksperimentēt un piedāvājiet man jaunas idejas! Tad es jums caur eksperimentu teikšu, vai jūs dodaties pareizā virzienā…" Cerams, ka šis ceļš novedīs pie jauniem atklājumiem fizikā.

Profesora Auziņa zinātnes sleja

Vairāk

Kļūda rakstā?

Iezīmējiet tekstu un spiediet Ctrl+Enter, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Iezīmējiet tekstu un spiediet uz Ziņot par kļūdu pogas, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Saistītie raksti

Vairāk

Svarīgākais šobrīd

Vairāk

Interesanti