teadus.ee » Arhiiv » Gravitonid otsustavad kõiksuse

See teaduskirjanik Tiit Kändleri artikkel ilmus Maalehes 24. märtsil.

Nüüd, mil gravitatsioonilained 11. veebruaril välja kuulutati (vt 10. märtsi ML), on põhjust arutleda, mida kasulikku me neist võime teada saada ja kas gravitonid on olemas ning püüdavad.

Teadlaste pingutused ja jutud gravitatsiooni olemusest, sealhulgas gravilainetest ja graviosakestest ehk gravitonidest meenutavad mulle vene muinasjuttu lollikesest Ivanuškast, kes „havi käsul, minu tahtel“ ahju otsas pealinna otse tsaari juurde sõitis. Meenutavad sellepärast, et tol ammusel ajal, mil muinasjutt käiku lasti, oli ahjuga sõit tehniliselt võimatu, kuid ometi selgelt ette kujutletav. Praegu saaks kogu rahvas ahju otsas lesida ja sellel ringi sõita ning osa rahvast sellega tegelebki. Gravilainetest loodetakse saada sellist teavet universumi hiiglaslike objektide kohta, mis siiani on olnud varjul. Ning gravitonidest ahju, millel sõita universumi sügavustesse.

Inglane Michael Faraday ja šotlane James Clerk Maxwell murdsid 19. sajandil läbi njuutonlikust 17. sajandi piiratusest, tuues füüsikasse välja mõiste. Välja olemasolu selgub, kui sellesse viiakse elektriliselt laetud keha. Newtonil olid ruumiks materiaalsed punktid, Maxwellil kogu pidev ruum. Välja asupaigaks on kõikjal, ka raskete kehade sees, tühi ruum.

Relatiivsusteooria nõuab gravitatsiooni väljateooriat. Selles esineb üks ja seesama massikonstant kahes rollis: inertse massina liikumisseadustes ja gravitatsioonilise massina gravitatsiooniseaduses.  Need kaks on identsed, miks, seda me ei tea.

Ülipikad lained

Gravitatsioonilainel nagu igal lainel on erinevad lainepikkused.  Silmaga näeme punast valgust, mille lainepikkus on 400 nanomeetrit, kõrvaga kuuleme lainet, mille pikkus on kuni 30 meetrit. Gravilained, mis LIGO katses mõõdeti, olid sagedusega 35–250 hertsi ehk lainepikkusega keskeltläbi 3000 kilomeetrit ja väga kitsal lainealal. Kuid me ei saa Maal mõõta suurema lainepikkusega ehk väikesema sagedusega gravilaineid, mis sisaldavad enam infot oma allikate kohta. LIGO interferomeetri õla pikkus on 4 km, vaja oleks mõõta õlal pikkusega sadu tuhandeid kilomeetreid.

Sest mida pisem on keha mass, seda pikem on selle poolt levitatav gravilaine. Kui kolme Päikese massiga võrdse energia vallandunud sündmusel on gravilaine lainepikkus 3000 km, siis maasuuruse objekti  plahvatamisel on see laine miljon korda pikem.  Sellise laine kuulmiseks peavad kunstlikud kõrvad olema sama suured kui kaugus Maalt Päikeseni. Kui sajakilose inimese suurune keha kogu täiega laiali paiskub, ei piisa sellest tekkinud gravilaine mõõtmiseks meie universumi suurusest mõõteriistast.

See tähendab, et ühtpidi on gravitatsioon inimese jaoks ülitähtis, kuna selle välja tõttu püsib ta maapinnal, kuid gravitatsioon teda koos ei hoia, hoiavad elektrilised jõud. Et meie Maa külgetõmbejõudu tunneme, tuleb sellest, et Maa elektriline laeng on null.

Füüsika täiuslikkuse huvideks peaks gravitatsiooniväli olema kvanditud nagu elektromagnetiline väli. Elektromagnetilisi laineid vahendavad footonid, nõrka ja tugevat vastastikmõju teada olevad algosakesed, seega peaks ka graviväli olema kvanditud ehk omama kahepalgelist iseloomu nagu valgus: kord laine, kord osake graviton.

Et pikemaid gravilaineid mõõta, oleks vaja tehiskaaslastel põhinevaid gravilainete mõõtjaid. Kahte sellist kolme tehiskaaslase koostööl toimivat süsteemi plaanib Maa orbiidile saata Hiina, kolmandat Euroopa Kosmosekeskus (vt graafik).

Gravitatsioon valitseb maailma

Oma originaalsete ideede ja teravmeelsusega kuulsaks saanud  odessiidist ameerika füüsik George Gamow kirjutas 1962. aastal avaldatud raamatus „Gravity“ („Gravitatsioon“): „Gravitatsioon valitseb maailma.“ Teadlaste eesmärgiks on avastada võimalik, peidus olev suhe gravitatsiooni ja elektromagnetilise välja vahel ja materiaalsete osakeste vahel.

Et selgitada oma ideid gravitatsioonist, pidi Newton looma imeväikeste arvudega rehkendamiseks kalkuluse ehk diferentsiaalarvutuse ja integraalarvutuse. See võttis tal aega 20 aastat.

Einsteini loodetud ühendatud väljateooria ehk Maxwelli elektrodünaamika pluss gravitatsioon võib samuti vajada uut matemaatikat. Prantslane Charles-Augustin de Coulomb mõõtis juba 1784 aastal, et elektrijõu suurus väheneb kauguse ruuduga nagu gravitatsioonijõudki. Kuid Gamow rõhutas poole sajandi eest: kahe osakese elektriline vastastikmõju on 10 astmes 40  korda suurem kui  gravitatsiooniline. Seepärast võttis ka gravilaine tabamine  nõnda kaua aega: see on nõnda pikk ja nõrk.

Inglise füüsik Paul Dirac, kes oli matemaatiliselt ennustanud antiaine, ennustas 1960. aastal gravitonid, mille energia on nagu footonitelgi võrdne Plancki konstandi ja sageduse korrutisega.  Kuid et gravilainete sagedus on nõnda väike, on ka gravitonide energia äärmiselt väike. Maast lendavad gravitonid läbi möödaminnes. Siiani hüpoteetilise gravitoni spinn on kaks, kui footonil on see üks, need osakesed liiguvad valguse kiirusega, omamata massi.

Gravitonides peitub universumi olemus

Nagu selgitas oluline inglise füüsik Roger Penrose oma 1990. aastal ilmunud raamatus, on gravitatsioon sellegi poolest eriline, et selle energia on mittelokaalne, seda ei saa mõõta näiteks aegruumi kõveruse põhjal piiratud aladel. Jutt kipub keeruliseks, kuid lihtsustavalt saab ütelda, et gravienergiat ei saa mõõta ühes punktis nagu näiteks valguskiire eredust või elektrilaengut. Sellepärast ongi gravilainete mõõtmiseks vaja vähemalt kaks pikka ristiolevat toru või siis kolmnurga nurkadeks olevat satelliiti.

Sobilik on tuua veel üks Gamowi võrdlus. Kui aatomituum kiirgab footoni, võtab see aega miljondik miljardikust sekundist. Neutron kiirgab beetaosakese, selleks kulub keskeltläbi 12 minutit. Kui aga aatomituum kiirgaks gravitoni, võtaks see aega 10 astmes 53 aastat ehk mõõtmatult kauem, kui on eksisteerinud universum.

Võib ju unistada raskusjõu kaotamisest ehk antigravitatsioonist. Elektrivälja eest pääseme pakku maandatud traatpuuri, sest on olemas nii negatiivseid kui positiivseid laenguid. Magnetil on kaks poolust, nõnda võime end ka magnetväljast isoleerida.

Kuid universumis on olemas vaid positiivne gravitatsiooniline mass, negatiivset pole teada. Kui selline oleks, käiks see vastu Einsteini masside ekvivalentsusprintsiibile: sellega, et nii keha inertne mass kui gravitatsioonist põhjustatud mass on täpselt ühesuurused.

Füüsikud alates Diracist on loonud universumi mudeli, mis põhineb nägemusel, et algosakesed on ühemõõtmelised stringid, mitte punktikujulised osakesed ning selles tegutsevad gavitonid kahemõõtmelistel braanidel. Teooria hämarustesse me ei lasku, ent selge on üks: gravitonide olemuse selgitamisega selgitame ka selle, kus me tegelikult elame. Kas ühes suuremamõõtmelise universumi neljamõõtmelise aegruumi taskus või eraldi universumis.