Zinātnes nākotne un Visums

Ņujorkas Publiskās bibliotēkas lekciju cikla programmiņā es pamanīju kādu nākotnes vīziju. Tā bija Reimonda Lēvija lidmašīnas koncepcija no 1939. gada Pasaules izstādes Ņujorkā. Arī es biju 1939. gada izstādē, taču Reimonda Lēvija skices neatceros. Tolaik biju ļoti jauns. No visa, kas tur bija, vislabāk atceros krāsaini izgaismotās strūklakas. Un vēl to, ka kāda piensaimniecība par brīvu dalīja mazītiņas saldējuma porcijas. Lielajai depresijai joprojām turpinoties, saldējums par brīvu bija kaut kas patiešām atmiņā paliekams. Turpretī visvienalga kādi izstādes piedāvātie pareģojumi par nākotnes tehnoloģijām nekādu sevišķo iespaidu uz mani neatstāja.

Nekāds zaudējums jau tas nebija. Ja neskaita varbūt vienīgi General Motors paviljonā skatāmo moderno ātrgaitas superlielceļu ieceri, Vispasaules izstāde diez vai varēja lepoties ar izciliem panākumiem nākotnes tehnoloģiju paredzēšanā. Lēvija piedāvātā nākotnes lidmašīnas skice nepavisam nelīdzinās mūsdienu pasažieru lainerim. 1939. gadā es to nezināju, taču Lēvijs 30. gados Pensilvānijas dzelzceļam izstrādāja dīzeļlokomotīvju ārējo veidolu, piešķirot tām futūristisku “plūdlīnijas” formu un neko daudz nerēķinoties ar aerodinamikas principiem. Dīzeļlokomotīvju dizainā šāda nerēķināšanās varēja iet cauri, bet, konstruējot lidmašīnas, pavisam noteikti nē. Jāsaka gan, ka paredzēt nākotnes tehnoloģijas ir ļoti grūti pat tad, ja jūs neignorējat fizikas likumus. Tādēļ labāk nenodarboties ar šādiem paredzējumiem, bet pavadīt laiku, apbrīnojot krāsainas strūklakas. Mans nodoms nav runāt par tehnoloģiju un citu zinātnes praktisko pielietojumu nākotni, bet gan par pašas zinātnes nākotni. Šeit mēs varam diezgan droši paredzēt, ka agrāk vai vēlāk mēs atklāsim fizikālos principus, kas ir visu dabas parādību pamatā.

Mums jau ir teorija, kas aptver visas daļiņas, no kurām sastāvam mēs paši un viss, kas mums apkārt, kā arī visus spēkus (izņemot gravitāciju), kas iedarbojas uz šīm daļiņām. Šī teorija, kas pazīstama kā standartmodeļa teorija, ir izteikta kvantu mehānikas matemātiskajā formā, kura, kā izskatās, ir visu fizikas likumu universālais pamats. Taču šajā teorijā ir pārāk daudz patvaļīgu pieņēmumu, piemēram, dažām elementārdaļiņām piedēvētā masa. Mums ir arī gravitācijas teorija - vispārējā relativitātes teorija -, kas bija vēl pirms kvantu mehānikas. Šo teoriju var pat interpretēt no kvantu mehānikas viedokļa. Bēda tāda, ka gravitācijas kvantu teorija, kāda tā ir šobrīd, der tikai procesiem ar nelielu enerģiju un lieliem attālumiem. Tas, kā mums joprojām nav, - visur izmantojama kvantu mehānikas teorija, kas aptvertu visas daļiņas un visus spēkus. Mēs esam līdzīgā situācijā, kādā bija Romas plebeji laikā, kad divpadsmit plāksnes [1. Pirmie kodificētie romiešu likumi, kā vēstī leģenda, esot bijuši pierakstīti uz 12 akmens plāksnēm.] vēl tika turētas noslēpumā - mēs nezinām likumus, pēc kuriem tiekam pārvaldīti. Citiem vārdiem, un es pie tā nonākšu vēlāk, neziņa par pašiem fundamentālākajiem dabas likumiem liek mums justies visai nedrošiem, mēģinot paredzēt Visuma nākotni.

Ir nopietnas aizdomas, ka galīgā teorija [2. Tulkotājs šeit un turpmāk lieto apzīmējumu “galīgā teorija”, lai gan latviešu fiziķu aprindās tiek runāts arī par “apvienoto teoriju”.] būs kaut kas līdzīgs tagadējām stīgu teorijām, par kurām varat lasīt populārajā Braiena Grīna grāmatā [3. Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (Norton, 1999).]. Īsumā paskaidrojot (tas gan īsti nav iespējams): stīgu teorijā ikkatra elementārdaļiņa, vai tas būtu elektrons vai neitrīno, vai kvarks, vai vienalga kas, patiesībā ir stīga - niecīgs viendimensionāls veidojums, kas svārstās, vienlaikus kustoties telpā. Un katrs atšķirīgais daļiņu tips atbilst atšķirīgam stīgas svārstību veidam. Tikpat kā visās stīgu teorijās izrādās, ka viens no šiem daļiņu veidiem ir gravitons - bezmasas daļiņa, kas ir atbildīga par gravitācijas spēkiem gravitācijas kvantu teorijā. Tādējādi iznāk, ka stīgu teorija kopējā ainā līdz ar pārējiem spēkiem automātiski iekļauj arī gravitāciju.

Kādu laiku šķita, ka ir iespējamas piecas atšķirīgas matemātiski nepretrunīgas stīgu teorijas. Visai nomācoši, jo nevienam nebija skaidrības, kāpēc gan dabu vajadzētu aprakstīt ar vienu no šīm teorijām, nevis ar kādu no atlikušajām četrām. Lai izvairītos no pretrunām, visas šīs stīgu teorijas tika formulētas desmit telplaika dimensijās (deviņas telpas dimensijas plus desmitā - laiks). Tas bija vēl nomācošāk, jo ir ne mazums pierādījumu un liecību, ka mēs nedzīvojam desmit dimensijās. Taču pēdējos gados parādās pazīmes, ka šīs piecas stīgu teorijas (tāpat kā viena ne-stīgu teorija, kas izkārtota vienpadsmit dimensijās), ir tikai dažādi paveidi vienai, visa pamatā esošai teorijai, kuru mēs diemžēl vēl nezinām. Tāpat ir daži iemesli cerībām, ka mūsu sekmīgais daļiņu un spēku standartmodelis četrās telplaika dimensijās - garumā, platumā, dziļumā un laikā -, arī izrādīsies šīs galīgās teorijas paveids - tas, kurā mēs dzīvojam.

Tas ir nedaudz līdzīgi apgalvojumam, ka dimants un grafīts ir viena un tā paša materiāla - oglekļa - dažādi paveidi. Ja visas zināšanas par oglekli mēs iegūtu, novērojot dimantus juvelierizstrādājumos un grafīta zīmuļos, varētu būt ļoti grūti nonākt pie atziņas, ka tie abi ir vienas vielas dažādas fāzes. Varētu konstatēt, ka dimantam un grafītam šis tas ir kopīgs, piemēram, kā tie reaģē uz kodolreaktora izstarotiem neitroniem. Bet ja mums nebūtu pazīstams oglekļa atoms, būtu neiedomājami grūti nonākt pie vienotas grafīta un dimanta teorijas, kas atklātu, ka tie abi patiesībā ir tikai atšķirīgas oglekļa fāzes. Protams, tā ir tikai analoģija. Es taču te nerunāju par atšķirīgām vielas fāzēm, bet gan par atšķirīgām fizikas teorijas fāzēm, par fāzēm ko, cita starpā, raksturo atšķirīgs dimensiju skaits telpā un laikā. Pastāv cerība, ka šīs atšķirīgās teorijas ir tuvinājumi, ko citos apstākļos ar dedukcijas palīdzību varētu izsecināt no galīgās teorijas. Apmēram tā, kā dimanta un grafīta īpašības ar aptuvenu aprēķinu palīdzību var izsecināt no mūsu oglekļa atoma teorijas.

Kā lai mēs nonākam pie teorijas, kas ir pamatā visām atšķirīgajām stīgu teorijas versijām un vēl teorijai, kas apraksta novērotās parādības mūsu pašu četrdimensiju telplaikā? Atbilde ir - ar grūtībām. Tas var notikt jau pēc dažām stundām vai pēc sazin cik gadsimtiem. Jau rīt, atverot Losalamosas [4. Losalamosas Nacionālā Laboratorija (ASV) ir viens no lielākajiem zinātnes un tehnoloģiju centriem pasaulē. Tā darbojas nacionālās drošības, kosmoloģijas, atjaunojamo energoresursu, medicīnas, nanotehnoloģijas un susperskaitļotāju izpētes jomās.] mājaslapu, kā es to daru ik rītus, lai paskatītos, kas jauns fizikā, man var gadīties uzdurties kādam līdz šim nezināma maģistrantūras studenta rakstam, kurā šī visaptverošā, galīgā teorija būs. Taču, vēlreiz uzsveru, tas var vispār nenotikt šajā gadsimtā. Bet es domāju, ka kaut kad tas notiks. Un kad tas notiks, viena zinātnes vēstures nodaļa būs beigusies - tā, kurā tiek meklēti fundamentālie principi, kas ir visa pamatā. Ir ļoti ticams, ka galīgā teorija, kas tādējādi tiks atklāta, būs gluži vienkārša tādā nozīmē, ka balstīsies tikai uz dažiem fundamentāliem principiem. Laikam gan tā būs arī ļoti trausla tādā nozīmē, ka, izdarot kaut vai mazākās izmaiņas, teorija kļūs loģiski pretrunīga. Šādu ceļu mēs esam gājuši jau krietnu laiku. Piemēram, kvantu mehānika, kas tika izstrādāta 20. gadsimta 20. gadu vidū, līdz pat mūsdienām ir izdzīvojusi bez būtiskām izmaiņām. Ja mēģināsiet iedomāties teorijas, kas pielīdzināmas kvantu mehānikai, tikai nedaudz atšķirīgas, jūs vienmēr redzēsiet, ka tās satur loģiskus absurdus, tādus kā negatīvā iespējamība vai cēloņi, kas nāk pēc sekām. Sakombinējot kvantu mehāniku ar relativitāti, trauslums vēl palielinās. Viegli pamanīt, ka, ja relatīvistiskā kvantu teorija nav pietiekami rūpīgi uzkonstruēta, uz jēdzīgu jautājumu, piemēram, par kādas reakcijas ātrumu, jūs saņemsiet nejēdzīgu atbildi - ka ātrums ir bezgalīgs. Tikai noteiktai, ierobežotai teoriju grupai izdodas izvairīties no šādām nejēdzīgām bezgalībām. Trauslums ir laba lieta, jo tas mums ļauj drusciņ paieties uz priekšu savos vaicājumos, kāpēc dabas likumi ir tādi, kādi tie ir. Varam cerēt, ka, pateicoties savam trauslumam, galīgā teorija neietvers nekādus brīvos parametrus, tādus kā daļiņu masa standartmodelī, kur skaitliskās izteiksmes nākas iegūt eksperimentāli, tā arī nesaprotot, kāpēc šie skaitļi ir tādi, kādi tie ir. Trauslums piešķir mūsu teorijām lielu daļu to skaistuma, līdzīgi kā Šopēna valša skaistumu vairo mūsu sajūta, ka neviena nots tajā nevar tikt izmainīta.

Tas, ka mēs nonāksim pie galīgās teorijas, būs dižens sasniegums, bet ne pilnībā apmierinošs. Kaut arī mēs zināsim, kāpēc šī teorija nav tikai nedaudz atšķirīga no citām teorijām, mēs nekad neuzzināsim, kāpēc tā nevar būt pilnīgi savādāka. Piemēram, ja jūs vēlaties pilnīgi atteikties no kvantu mehānikas vai relativitātes, jūs to varat darīt un konstruēt neskaitāmas loģiski nepretrunīgas teorijas, taču tās neaprakstīs reālo pasauli.

Un vēl viens ierobežojums: šī teorija, lai gan es to saucu par galīgo teoriju, nenozīmēs zinātnes beigas. Tā nebūs tā, ko dažkārt mēdz saukt par “visaptverošo teoriju” (Theory of Everything), par teoriju, kas atrisinās visas zinātniskās problēmas. Mums ir daudz zinātnisku problēmu, kuras risināt galīgā teorija nepalīdzēs nemaz. Viena no tādām, neizejot ārpus fizikas robežām, ir, kā saprast šķidruma plūsmu, kad tā kļūst turbulenta. Šī problēma nodarbina zinātniekus jau kādus simt gadus, un joprojām atrisinājums nav manāms un, iespējams, tā tas turpināsies vēl ilgi pēc galīgās elementārdaļiņu teorijas atklāšanas, jo, kas attiecas uz šķidrumiem, mēs jau tagad saprotam visu, kas jāzina par fundamentāliem principiem, kas ir pamatā to kustībai. Mēs tikai nezinām, ko iesākt ar tādu sarežģītu šķidruma plūsmu, kurā vienus virpuļus nes citi, lielāki, tos - vēl citi un vēl lielāki un tā tālāk - tāda ir turbulences raksturīgā īpašība.

Tāpat kā citās visinteresantākajās fizikas problēmās, arī šķidrumu turbulences izpratnei datori var palīdzēt tikai nedaudz, jo tie mums var vienīgi pateikt, kas notiek dažos īpašos gadījumos, bet to var uzzināt arī eksperimentālā ceļā. Tas, ko mēs patiešām vēlamies uzzināt, ir universālās īpašības, kas piemīt spēcīgai turbulencei jebkuros apstākļos. Un, bez šaubām, galīgā fizikas teorija neko daudz nelīdzēs mūsu draugiem biologiem. Ļoti ticams, ka bioloģijas attīstībai ir bijis un arī turpmāk būs vislielākais iespaids uz cilvēces kultūru. Viens no izcilākajiem brīžiem cilvēka domas vēsturē bija 19. gadsimtā Darvina un Vollesa izdarītais atklājums, ka sugu evolūcijas izskaidrošanai nav nepieciešams nekāds “dzīvības spēks”. Dzīvības pamatā nav neatkarīgi fundamentāli bioloģijas likumi. Visu dzīvo drīzāk var aprakstīt kā fizikas un ķīmijas likumu darbības rezultātu, kas tapis kā nejaušību virkne miljardu gadu garumā. Vēl ne tik sen daudzi cilvēki savu reliģisko ticību balstīja Radīšanas argumentā, proti, ka tik apbrīnojamās visa dzīvā izpausmes nevarēja rasties bez dievišķa plāna. Litons Streičijs apraksta, kā kardināls Menings nonāca pie ticības tieši šādā veidā. Tagad, kad esam sapratuši, kā evolūcija var notikt, pateicoties nejaušu mutāciju dabiskai atlasei, tiem, kam ir pietiekama sapratne par bioloģijas zinātni, Radīšanas argumenti zaudē spēku.

Lielākais izaicinājums bioloģijas zinātnei tagad ir saprast uzvedību. Šķiet, tas ir daudz, daudz grūtāk nekā izprast citus dzīvības aspektus. Saprotu, ka, runājot par uzvedības pētniecību, aizeju tālu no savas kompetences, bet, iespējams, man tiks piedots, ja sacīšu, ka, manuprāt, uzvedība nav nekāda nepārvarama zinātniska problēma. Ļoti var būt, ka vispirms šo problēmu atrisinās nevis attiecībā uz cilvēkiem, bet gan uz kādu ļoti izplatītu nematodi - tārpu, kura pilno nosaukumu es nespēju nedz uzrakstīt, nedz izrunāt, bet ko saīsināti apzīmē kā C. elegans. Šis tārps ir viens no tiem klasiskajiem dzīvniekiem, ko pēta biologi, tāpat kā pele vai augļu mušiņa. Pirms dažiem gadiem tika sastādīta pilnīga šī tārpa nervu sistēmas karte, taču mēs nesaprotam tā uzvedību, jo nezinām programmu, kas šo uzvedību nodrošina. Mēs esam apmēram tādā situācijā kā rūpnieciskais spiegs, kas ticis pie personālā datora un nu var attēlot shēmā visus tranzistorus uz procesora un lokalizēt ikvienu magnetizēto apgabalu uz cietā diska, un ir lūkojies pār plecu cilvēkam, kas datorā lieto Windows operētājsistēmu, bet nav spējīgs izdomāt, kā tranzistori un magnetizētie apgabali var piespiest operētājsistēmu darboties. (Es nezinu, kāpēc gan kādam būtu vēlēšanās nozagt tieši šo operētājsistēmu, taču jums man jāpiekrīt, ka šī ir ļoti grūta problēma.)

Šī problēma nav atrisināta, bet tā nešķiet neatrisināma C. elegans gadījumā un gan jau tiks atrisināta arī attiecībā uz cilvēkiem. Ar to es negribu teikt, ka mēs noteikti atrisināsim tās apziņas problēmas, kas tā uztrauc filozofus. (Kā es varu zināt, ka tu un es uztveram vienu un to pašu, kad abi redzam sarkano krāsu?) Bet es tik tiešām domāju, ka mēs tiksim pie uzvedības izpratnes un sapratīsim arī tos apziņas aspektus, kas ir nepieciešami uzvedības izpratnei. Tā nebūs pilnīgi visu paredzoša teorija, tāda, kāda ir mūsu Saules un Mēness aptumsumu teorija, jo uzvedība šādai teorijai ir par sarežģītu. Drīzāk tā būs tāda, kāda ir mūsu meteoroloģiskā teorija. Mēs ne vienmēr varam pareģot laika apstākļus, taču gluži labi saprotam, kā tie darbojas. Visā iepriekšteiktajā ir konservatīvs pieņēmums, ka zinātne nenoteikti ilgi turpinās attīstīties pa Galileja un Ņūtona iezīmēto taciņu, proti, ka tiks atklāti aizvien visaptverošāki matemātikas likumi, kas aizvien pārliecinošāk attieksies uz itin visām parādībām kā bioloģijā, tā fizikā. Neesmu pārliecināts, ka tas tā būs. Tāpat kā Aristoteļa sekotāji diezin vai varēja iedomāties zinātni Ņūtona stilā, arī nākotnes zinātne varbūt izpaudīsies veidolos, ko mēs patlaban nespējam pat iedomāties. Taču pagaidām gan es neredzu nekādas pazīmes, ka tā varētu notikt.

Fizikas zinātnes attīstība, par ko bija runa iepriekš, jau ir izgaismojusi Visuma nākotni. Patiesību sakot, atšķirībā no tādām problēmām kā vēlēšanu rezultātu vai biržas stāvokļa prognozes, ir daudz drošāk izteikt minējumus par Visuma nākotni, nekā mēģināt izskaitļot, kam būtu vajadzējis notikt pagātnē. Visums izplešas un atdziest, līdz ar to, atskatoties pagātnē, nākas apcerēt laiku, kad valdīja nenormāls blīvums un neiedomājami augsta temperatūra - tāds blīvums un tāda temperatūra, pie kurām mūsu šābrīža teorijas nav piemērojama. Bez galīgās, vispārpielietojamās teorijas mums nav iespējams teorētiski ielūkoties pirmajā niecīgajā sekundes daļiņā un saprast, kas notika pašā Lielā sprādziena sākumā. Raugoties nākotnē, mēs zinām, ka Visums izpletīsies, kļūs retinātāks un aukstāks, tādējādi ir arvien vieglāk šos notikumus aprakstīt - vismaz kādu brīdi.

Ir nepieciešams paskaidrot, ko es saprotu ar Visuma izplešanos, jo šajā sakarā nemitīgi jāsastopas ar pārpratumiem. Kad astronomi saka, ka Visums izplešas, viņi negrib sacīt, ka izplešas telpa, kaut gan dažkārt kādam no mums tomēr jāuzņemas vaina par šāda priekšstata radīšanu. Objekti, kas piesaistīti cits citam, tādi kā galaktikas, planetārās sistēmas un mērlentes, neizplešas. Ja jau mērlentes un citi garuma un daudz kā cita standarti izplestos tādā pašā veidā kā Visums, kā gan mēs vispār varētu zināt, ka kaut kas izplešas? Kad sakām, ka Visums izplešas, mēs gribam teikt, ka galaktikas, ko gravitācija nesaista orbītās citu apkārt citai, traucas projām cita no citas. Mūsu Piena Ceļa galaktika ir daļiņa no tā sauktās Vietējās galaktiku grupas, kurā ietilpst ne tikai mūsu galaktika un lielā spirālveida galaktika M31 Andromēdas zvaigznājā, bet arī krietns skaits mazāku galaktiku. Visas tās satur kopā gravitācija. Vietējā galaktiku grupa neizplešas. Faktiski Andromēdas galaktika un mūsējā vairāk vai mazāk tuvinās viena otrai. Taču jebkuras divas galaktikas, kas nav sasaistītas tā, kā mūsu Vietējā galaktiku grupa, traucas projām viena no otras. Lūk, kas tiek domāts sakot, ka Visums izplešas. Nav tā, ka mūsu galaktika būtu kaut kā īpaši nejauka. Patiesībā Visums ir pilns ar galaktikām, kas attālinās cita no citas, un tādas, cik nu varam spriest, piepilda visu izplatījumu bez kāda centra un malas.

Īstenībā mēs nezinām, vai Visuma izplešanās turpināsies vienmēr. Ir iespējams, ka pat galaktikas, kas nav saistītas grupās, vai arī mazas lokālas grupas galu galā atkal kaut kad sanāks kopā, pateicoties gravitācijas pievilkšanās spēkam, ko rada visa Visuma enerģija, tostarp enerģija, kas saskaņā ar Einšteina vienādojumu E = mc² ir ieslēgta daļiņu masā. Vai tā notiks vai nē, ir atkarīgs no tā, cik enerģijas vidēji ir Visuma kubikmetrā, un no ātruma, ar kādu Visums izplešas. Ja uz vienu vienību būs pārāk maz enerģijas un Visuma gravitācijas lauks būs pārāk vājš, lai izplešanos apturētu, Visums turpinās izplesties mūžīgi, kļūstot aizvien aukstāks un tukšāks. Ja izrādīsies, ka daļiņu masā ir pārāk daudz enerģijas uz vienu Visuma vienību, izplešanās apstāsies un sāksies tai pretējs process, vēlreiz radot karstumu un blīvumu, kas bija raksturīgi agrīnajam Visumam. Izvēle ir starp lielu aukstumu un lielu blīkšķi.

Pārsteidzošā kārtā pēdējo gadu astronomiskie novērojumi liecina, ka izplešanās itin nemaz nepalēninās, bet drīzāk gan paātrinās. Ja katra no galaktikām kustētos ar konstantu ātrumu kopš paša sākuma, tad attālums, kādā no mums patlaban būtu jebkura tipiska galaktika, būtu proporcionāls šim ātrumam - jo ātrāk tā kustas, jo tālāk tā tiek. Ja, kā tika domāts, tās samazina ātrumu gravitācijas iespaidā, arī tad ātrākās galaktikas būtu no mums tālāk nekā lēnākās, tomēr tās nebūtu tik tālu, cik tām vajadzētu būt, ja attālums būtu proporcionāls to izmērītajam ātrumam. Tas tāpēc, ka ātrumi, ko mēs varam izmērīt, ir tie, kas galaktikām piemita sen, sen atpakaļ, kad to zvaigznes lēja gaismu, ko redzam tagad. Un tolaik šīs galaktikas varēja kustēties ātrāk nekā tagad.

Patiesībā divas lielas astronomu grupas (High-Z Supernova Search Team un Supernova Cosmology Project), nesen nonākušas pie secinājuma, ka tālās galaktikas ir pat tālāk no mums, nekā tām vajadzētu būt, ja to attālumi būtu proporcionāli tiem ātrumiem, kādus novērojam. Tas nozīmē, ka kopš brīža, kad to novērojamā gaisma atstājusi savas zvaigznes, šīs galaktikas ir nevis palēninājušas, bet gan paātrinājušas savu gaitu. Labākais, ko varam pateikt par šī paātrinājuma iemesliem, ir, ka papildus parastās matērijas masas enerģijai izplatījumā, iespējams, ir vēl kāda “vakuuma enerģija”.

Par vakuuma enerģiju (dažkārt to dēvē arī par tumšo enerģiju) ir spriests, kopš Einšteins pirmoreiz pievērsās kosmoloģijai, un jau krietnu laiku valda uzskats, ka vakuuma enerģijai vajadzētu radīt tādu kā antigravitāciju, kas varētu novest pie lielos attālumos esošu galaktiku atgrūšanās. Taču līdz šim vēl nav atrasts ticams veids, kā prognozēt šīs iedarbības lielumu vai to, kā šī iedarbība attīstās laikā. Tā ir fundamentāla problēma tiklab fizikai, kā kosmoloģijai. Viens no mūsdienu stīgu teoriju trūkumiem ir, ka tās vai nu vispār neparedz vakuuma enerģiju, vai arī paredz to pārmērīgi lielā apjomā, kas nesaskan ar novērojumiem. Tā nu iznāk, ka tas, ka nav galīgās teorijas, traucē gan Visuma nākotnes prognozēšanai, gan tā pagātnes noskaidrošanai.

Sakarā ar to, ka mēs varam spriest par attālumiem līdz galaktikām pēc tajās ietilpstošo objektu redzamā spožuma, attālās galaktikas šķistu tālāk, nekā tās patiesībā ir, ja gaismu no tām slāpētu mūsu skata līniju aizsedzošie starpgalaktiskie putekļi. Laimīgā kārtā ir veids, kā atšķirt šo traucēkli no vakuuma enerģijas ietekmes. Daļiņu masas enerģija uz tilpuma vienību senāk bija lielāka, nekā tā ir tagad, kad Visuma matērija vairs nav tik sablīvēta. Vakuuma enerģija, kā tiek uzskatīts, varētu būt vairāk vai mazāk konstanta. Tādējādi Visuma pirmsākumos masas enerģija varētu būt bijusi pārsvarā pār vakuuma enerģiju. Tas nozīmē, ka, neraugoties uz vakuuma enerģijas klātbūtni, pirmsākumos Visuma izplešanās drīzāk būtu palēnināta, nevis paātrināta.

Tādējādi, kaut arī vidēji tālas galaktikas (kā tas novērots) būtu tālāk nekā tām vajadzētu būt, ja to attālums būtu proporcionāls novērotajam ātrumam, ļoti tāla galaktika, kuras ātrumu mēs varam izmērīt tādu, kāds tas bija Visuma sākumposmā, būtu tuvāk, nekā tai vajadzētu būt, ja tās attālums būtu proporcionāls ātrumam. Tas tāpēc, ka tā būs ilgāku laiku palēninājusi gaitu, pirms uzsākt paātrinājumu. Gaisma no šādas ārkārtīgi tālas galaktikas līdz ar to šķitīs spožāka, nekā tai vajadzētu būt, ja tās attālums būtu proporcionāls ātrumam. Šādu efektu nevar izraisīt starpgalaktiku putekļi. 2001. gada sākumā astronomi pavēstīja, ka atklāts tieši šis efekts. Tas izdarīts, pētot kādu supernovu, kas novērota 1997. gadā kādā galaktikā, kas traucas projām no mums ar neparasti lielu ātrumu.

Ja Visuma paātrinājums turpināsies (kā tas varētu būt, ja tā cēlonis bijusi konstantā vakuuma enerģija), tad pilnīgi noteikti mūs sagaida lielais aukstums, nevis lielais blīkšķis. Tāpat, saprātīgi aprēķinot paātrinājuma tempus, mūs jāietver kaut kam tādam, ko dēvē par notikumu horizontu - ikviena galaktika, kas nonāks noteiktā attālumā no mums, uz visiem laikiem kļūs nenovērojama. Pat ja mēs tūdaļ pat sēstos kosmosa kuģī, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, tik un tā mēs nekad nepanāktu tās galaktikas, kas ir aiz notikumu horizonta. Tas tāpēc, ka, jo ilgāk mēs ceļotu to virzienā, jo ātrāk tās attālinātos no mums. Laika gaitā arvien vairāk galaktiku nonāktu viņpus notikumu horizonta un kļūtu nesasniedzamas. Ja jums ir vēlēšanās izpētīt kādu Visuma daļu ārpus mūsu Vietējās galaktiku grupas (kā jau minēju, tā ir gravitācijas kopā saturēta galaktiku grupa, kurā ietilpst mūsu galaktika un Andromēdas galaktika), tad jums tas jādara tuvāko apmēram simt miljardu gadu laikā. Pēc tam būs par vēlu to darīt - jūs nekad vairs nevarēsiet paviesoties kādā galaktikā ārpus Vietējās grupas.

Var gadīties, ka visi šie pārspriedumi izrādīsies vienpusīgi un aprobežoti. Dažas no mūsdienu kosmoloģijas visinteresantākajām idejām pieļauj iespēju, ka manis aprakstītais Lielais sprādziens ar tam sekojušo Visuma izplešanos ir tikai viena epizode daudz lielākā Visumā, kurā tādi Lielie sprādzieni notiek vienā laidā. Iespējams, ka tādi Lielie sprādzieni kā mūsējais ir jau notikuši bezgalīgi daudz reižu pagātnē un turpināsies atkal. Šobrīd gan mēs esam ļoti tālu no tā, lai apgalvotu, ka tā tas patiešām ir. Lielākais šķērslis, kā man šķiet, nav vis pietiekami noderīgu astronomisko novērojumu trūkums (jo ir diezgan grūti iedomāties, kā gan novērojošā astronomija šo problēmu varētu atrisināt), bet drīzāk gan fundamentālas fizikas teorijas neesamība. Idejas par daudzajiem Visumiem radās no pieņēmuma par dažiem laukiem, kas varētu parādīties fundamentālajā teorijā, taču līdz šim tie ir tikai pieņēmumi. Kad būsim atklājuši to, ko es te saucu par galīgo teoriju (vai nu tā būs stīgu teorija vai kaut kas cits), viena lieta, ko uzzināsim, būs atbilde uz jautājumu, vai mūsu Lielais sprādziens attiecas uz visu Visumu. Bet, pat ja izrādīsies, ka neattiecas vis, tik un tā mēs uz mūžiem paliksim ieslodzīti mūsu Lielā sprādziena radītajā Visumā.

Kāda nākotne mūs sagaida šajā mūžam plašumā ejošajā Visumā? Romānā “Laika mašīna” Herberts Velss stāsta, kā viņa varonis aizceļo laikā uz priekšu 30 miljonus gadu. Viņš stāv jūras krastā zem saules, kas kļūst auksta. Jūra jau sāk sasalt, un augstākā dzīvības forma ir apaļa futbola bumbas lieluma būtne, kas centīgi lēkā pa pludmali. Šobrīd mēs zinām labāk. Saule ir tā dēvētā maiņzvaigzne. Tas nozīmē, ka tās enerģija rodas no kodolreakcijām, kurās ūdeņradis Saules kodolā pārtop hēlijā. Ūdeņradim izbeidzoties, Saule vispirms pārkarsīs, nevis atdzisīs. Mūsu okeāni uzvārīsies pēc apmēram trīsarpus miljardiem gadu.

Pakāpeniski Saule uzblīdīs par sarkano milzi, tās kodolā vairs nebūs ūdeņraža. Ja gribat redzēt, kāda Saule izskatīsies tad, pavērojiet Oriona zvaigznāju. Vienā tā stūrī ir izteikti sarkanīga zvaigzne Betelgeize. Mūsu Saule pārtaps par tādu sarkano milzi, kāda ir Betelgeize, apmēram septiņos miljardos gadu.

Nevar zināt, vai tad tiks iznīcināta Zeme. Var gadīties, ka to ievilks izpletusies Saules atmosfēra, līdzīgi kā Zemes atmosfēra ievelk dažus gadus nokalpojušos mākslīgos pavadoņus. Tad Zeme ietrieksies Saulē. Bet var arī būt, ka Saules vējam paņemot arvien vairāk enerģijas no Saules, Zemes orbīta izpletīsies un mūsu planēta izvairīsies no ietriekšanās Saulē. Taču kam gan tas vairs rūpēs, ja Zemes okeāni jau būs izzuduši?

Pēc tam Saule kļūs aizvien nespodrāka, pārvēršoties pundurzvaigznē, iespējams, tādā, ko sauc par balto punduri, apmēram tik lielā, kāda patlaban ir Zeme. Taču jau ilgi pirms tam mūsu suga būs vai nu izzudusi, vai arī mēs būsim kolonizējuši kādu citu vietu Visumā, varbūt pat paņemot savu Zemi līdzi. Patlaban gan nešķiet, ka mēs būtu ļoti aktīvi planētu kolonizētāji tepat mūsu Saules sistēmā. Cilvēku dzimums nedzīvo atbilstoši zinātniskās fantastikas rakstnieku cerībām.

Es varu izteikt minējumu, ka, lai arī ekspedīcijas izveidos zinātniskās laboratorijas uz Marsa, uz asteroīdiem, uz Jupitera un citu tālāko planētu pavadoņiem, varbūt pat uz planētām, kas riņķo ap citām zvaigznēm, cilvēce tomēr nekolonizēs nevienu no šiem debess ķermeņiem uz ilgu laiku. Pa daļai man šādi spriest liek mūsu pieredze Antarktīdā. Tur atrodas zinātniskās izpētes stacijas, taču vai gan kādam ienāks prātā veidot tur ekonomiski patstāvīgu, pašpietiekamu koloniju? Turklāt Antarktīda salīdzinājumā ar Marsu ir paradīze. Tādējādi, kamēr mēs nekolonizējam Antarktīdu, es neredzu iemesla, lai tiktu kolonizēts Marss vai Jupitera pavadoņi, kur nu vēl kādu attālu zvaigžņu planētas. Bet kaut kad, iespējams, mums radīsies iegansts kolonizēt citas planētas, katrā ziņā tad, kad pēc trīsarpus miljardiem gadu sāks vārīties okeāni. Tā nu galu galā cilvēces nākotne var būt atkarīga vairāk no Visuma nākotnes, ne tikai no mūsu Saules sistēmas vien.

Jaunas zvaigznes turpinās veidoties un nodrošināt kodolenerģijas resursus vēl krietni ilgi, jo mūsu galaktikā un citās galaktikās, kas vēl nav izveidojušās par zvaigznēm, starpzvaigžņu gāzes un putekļu netrūkst. Taču pēc apmēram triljona gadu zvaigžņu veidošanās beigsies.

Šajā vietā man jābeidz lietot tādus vārdus kā miljards un triljons un jāsāk runāt zinātnē pieņemtajā valodā, izsakot lielos skaitļus kā skaitļa 10 pakāpes. Triljons ir 10¹², kas nozīmē, ka desmit ir pareizināts ar sevi divpadsmit reizes. Vai arī varat iedomāties 10¹² kā vieninieku, aiz kura seko 12 nulles. Vispārīgi runājot, jo mazāka ir zvaigznes masa, jo lēnāk tā attīstās. Mazākas masas zvaigznes pārstās ražot enerģiju pēc apmēram 10¹⁴ gadiem - 100 triljoniem gadu. Tad galaktikā būs vairs tikai brūnās un baltās pundurzvaigznes, ko vairs nedarbinās kodolreakcijas, plus vēl dažas neitronu zvaigznes, kas būtībā ir nekas vairāk kā milzīgi atomu kodoli vairāku kilometru diametrā, nu, un vēl melnie caurumi. Vēl jau gadīsies pa kādai zvaigznes atdzimšanai, šīm atliekām saduroties, tādējādi šad tad kāda kodolreakcija atsāksies. Bet pēc laika arī šis process beigsies, jo galaktikas vienkārši iztvaikos. Patlaban vairumu zvaigžņu satur kopā to galaktikas gravitācijas lauks, un tām nav iespējams pamest savu galaktiku, līdzīgi kā Mēnesim nav izredžu tikt projām no Zemes gravitācijas lauka. Taču ik pa laikam kāda zvaigzne nonāk pietiekami tuvu kādai citai, un viena no tām iegūst vajadzīgo paātrinājumu, lai pamestu savu galaktiku. Šis process ir ļoti lēns, jo zvaigznes nenonāk cita citas tuvumā pārāk bieži. Tomēr apmēram 10¹⁸ gados galaktikas tomēr būs iztvaikojušas, tā pārtraucot zvaigžņu atdzimšanas procesu.

Savas 1993. gadā sarakstītās grāmatas “Pirmās trīs minūtes” pēdējā nodaļā es rakstīju, ka Visums “nākotnē piedzīvos bojāeju bezgalīgā aukstumā vai neciešamā karstumā” un secināju, ka “ne vienā, ne otrā gadījumā tie nebūs komfortabli apstākļi”. Šī mana atziņa aizkustināja Frīmenu Deisonu, vienu no atjautīgākajiem un iztēles bagātākajiem zinātniekiem, kādu man gadījies sastapt, un viņš uzrakstīja rakstu, kura secinājumi bija optimistiskāki. Viņš atzina, ka mums nebūs nekādu cerību Visuma lielajā blīkšķī. Bet lielās atdzišanas gadījumā (patlaban šķiet, ka tieši tā mūs sagaida), lai arī pieaugošajā aukstumā fizikālie procesi norisināsies aizvien lēnāk, mūsu tālie pēcnācēji vēl jo vairāk spēs palēnināt domāšanas procesus, tā ka viņiem būs patiešām bezgalīgs daudzums domu, ko domāt.

Tāpat Deisons bija pārdomājis iespējamos lēnos enerģijas avotus, piemēram, auksto kodolreakciju, respektīvi, reakciju, kas var notikt istabas temperatūrā vai pat vēl zemākā. Protams, vairums zinātnieku par šādu auksto reakciju, kas pēdējos gados ne reizi vien pārspriesta mediju ziņās, izsakās skeptiski. Taču Deisona piedāvātā reakcijas versija, ja vien tiktu dots pietiekami daudz laika, patiešām notiktu. Atomu kodolus molekulās vai kristālos citu no cita atdala elektrisko spēku barjeras, kas normālos apstākļos liedz tiem reaģēt citam ar citu. Bet kodoli var lēnā garā izsūkties cauri šīm barjerām, tā nonākot saskarē un izsaucot kodolreakciju. Šādā veidā oglekļa masa izdegušā zvaigznē pamazām pārvērtīsies par dzelzi, izdalot kodolenerģiju. Deisons lēš, ka pie zemām temperatūrām oglekļa pārvēršanās par dzelzi varētu prasīt apmēram 10¹⁵⁰⁰ gadu.

Varbūt Deisons tomēr ir pārāk liels optimists. Ir pamats domāt, ka kodoldaļiņas, kas veido lielāko daļu parastās matērijas masas, sabruks par vieglākām daļiņām jau ilgi, pirms aukstā kodolreakcija pagūs notikt. Normālos apstākļos kodoldaļiņas šķiet stabilas, taču ir pieņemts uzskatīt, ka tās tomēr pakāpeniski sabrūk ar pussabrukšanas periodu kaut kur starp 10³² un 10³⁷ gadiem, kas ir daudz īsāks laiks, nekā Deisona aukstajai kodolreakcijai nepieciešamais.

Šī ir vēl viena lieta, ko nevaram prognozēt bez visaptverošākas fizikas teorijas, tomēr ir iespēja, ka, ja matērija sabrūk minētajā veidā, tad šo sabrukšanu izdosies novērot. Tas var izklausīties pēc absurda. Taču nevajag jau ņemt vienu kodoldaļiņu un gaidīt 10³² gadus. Jāpaņem vairāk nekā 10³² daļiņu, kas sver apmēram 100 tonnu, un jāgaida daži gadi. Nu labi, patiesībā tas ir nedaudz sarežģītāk. Taču, ja jūsu rīcībā ir lieli ūdens rezervuāri dziļās pazemes šahtās, tādi, kā jau esošais Japānā, ir visai labas izredzes, ka, ja kodoldaļiņu sabrukšana notiek ar ātrumu, kas tuvs ātrākajam robežskaitlim, šo parādību var izdoties atklāt jau tuvāko gadu laikā.

Hipotēzes par kodoldaļiņu sabrukšanu bija kaut kas gluži jauns laikā, kad Deisons rakstīja savu rakstu. Tā nu viņš nepievērsa tām īpašu uzmanību. Taču, ja tās ir pareizas, tad jau pēc 10⁴⁰ gadiem nebūs palicis neviens atoma kodols, tātad arī paši atomi un molekulas ne. Vienīgais, kas Visumā būs palicis, būs radiācija un varbūt daži elektroni, neitrīno, antielektroni un antineitrīno. Visums būs visnotaļ garlaicīga vieta.

Tā gan nav gluži taisnība, jo Visumā joprojām būs melnie caurumi. Nav jau tā, ka melnie caurumi nebūtu darināti no kodoldaļiņām. Melnos caurumus veido kodoldaļiņas un elektroni, tieši tāpat kā parastās zvaigznes, taču melnais caurums ir tik kompakts, ka tā gravitācijas lauks neļauj gaismai atstāt tā virsmu. Savukārt gaisma, kas izstaro ārpus virsmas, palēninās tiktāl, ka ārējam novērotājam šķiet - laiks uz melnā cauruma virsmas ir apstājies. Tādam novērotājam, kas iekrīt melnajā caurumā, šķitīs, ka kodoldaļiņām ir tāds pats pussabrukšanas periods, kādu mēs (cerams) novērosim uz Zemes, bet no liela attāluma ārpus melnā cauruma šķitīs, ka šīs daļiņas dzīvo daudz, daudz ilgāk. Tomēr arī melnie caurumi izstaro savu enerģiju, tā ka melnais caurums ar masu, kas līdzīga mūsu Saules masai, jebkurā gadījumā izzudīs apmēram 10⁶⁶gados. Galaktikas lieluma melnais caurums dzīvo ilgāk, nu, kādus 10¹⁰⁰ gadus. Tomēr beigu beigās izzudīs arī melnie caurumi. Ja Velsa aprakstītais laika ceļotājs dotos tik tālu nākotnē, viņš neatrastu ne pludmali, ne planētas, ne zvaigznes, ne atomus, neko, tikai “lienošu murdēšanu un visaptverošu tumsu" [5. Viljams Šekspīrs. Henrijs V]. Cilvēces nākotne, kādu es te esmu iezīmējis, nav viscaur priecīga. Noliekot pie malas mūsu nomācošās prognozes par Visuma tālo nākotni, mēs varam, iespējams, jau drīz, atklāt pašus fundamentālākos dabas likumus, taču mēs nekad neuzzināsim, kāpēc tie ir patiesi. Ciktāl mēs varam paredzēt, šie likumi būs gluži bezpersoniski, tiem nebūs nekādas daļas par cilvēciskām būtnēm. Savos centienos izprast cilvēka uzvedību mēs jau esam sapratuši, ka dažas no mūsu dzīves visvērtīgākajām lietām, tādas kā vecāku mīlestība pret bērniem vai vīra un sievas mīlestība vienam pret otru, ir radušās, pateicoties dabiskajai izlasei, tās pārvalda ķīmiskie signāli, un tās līdz zināmai robežai pat var iespaidot, ievadot asinīs vajadzīgos hormonus. Un, kaut arī mēs varbūt uzzināsim, kā esam nonākuši līdz tam, ka mūsu vērtības ir tādas, kādas tās ir, un zinātne noteikti turpinās paplašināt mūsu iespējas tikt pie tā, kas mums ir vērtība, tomēr itin nekas zinātnē mums nekad nespēs pateikt, ko mums vajadzētu uzskatīt par vērtību.

Šis, es pieņemu, ir diezgan traģisks skatījums uz cilvēka dzīvi. Taču tas nav radies līdz ar zinātni. Brīnišķīgi tas izteikts, piemēram, Šekspīra dramaturģijā. Tā vien liekas, ka Prospero būtu domājis par protonu vai melno caurumu sabrukšanu, kad viņš saka, ka itin viss “tā kā gaisa greznā izrāde/ Ne nieka neatstās pēc sevis" [6. Viljams Šekspīrs. Vētra. Tulk. Raimonds Auškāps. No: Šekspīrs, Viljams. Romeo un Džuljeta. Simbelīns. Vētra. Rīga : Jumava, 2004, 330.lpp.]. Titānijas un Demetrija mīlestība mums atgādina, cik daudz gadījuma rakstura notikumu nosaka to, ko mēs turam par vērtīgu. Un vairumam no mums, tāpat kā Šekspīram, daudz svarīgāks par kosmoloģiskajām izbailēm šķiet fakts, ka ikvienai personai viņa Visums pilnīgi noteikti beigs eksistēt apmēram 10² gados. Kā “Simbelīnā” dzied Gvidērijs: “Puiši, meitas - visi mirs,/ Pat skursteņslauķi pīšļos irs." [7.Viljams Šekspīrs. Simbelīns. Tulk. Jānis Elsbergs. No: Šekspīrs, Viljams. Romeo un Džuljeta. Simbelīns. Vētra. Rīga : Jumava, 2004, 214.lpp.] Tomēr mūsu traģēdija nav Līra vai Otello traģēdija. Mūsu traģēdija ir tā, ka tai nav scenārija. Vai drīzāk - mums pašiem jāraksta savs scenārijs. Mēs varam paši izlemt, pie kurām no mantotajām vērtībām, tādām kā savstarpēja mīlestība, turēties, un kuras atmest, piemēram, sieviešu pakļautību vīriešiem. Un mēs varam izgudrot arī jaunas vērtības. Lai arī vairums esam pārliecināti, ka Visumā nav nekā, kas liecinātu, ka cilvēcei ir kāds mērķis un nolūks, viens veids, kā šādu mērķi atrast, ir pētīt Visumu ar zinātnes metodēm, nemaldinot sevi ar pasakām par tā vai par mūsu pašu nākotni.

Šī raksta pamatā ir lekcija, nolasīta Ņujorkas Publiskajā bibliotēkā 2001. gada janvārī. Lekciju sēriju ar nosaukumu “Nākotnes: spožas, miglainas un visvisādas” sponsorēja bibliotēka un The New York Review of Books.

Publicēts žurnāla The New York Review of Books
2001. gada 15. novembra numurā.
No angļu valodas tulkojis Pēteris Bankovskis