Žmonija nuo neatmenamų laikų stengėsi paaiškinti ir suprasti pasaulį aplink save. Iš pradžių tam buvo pasitelkta teologija, tačiau ilgainiui atsirado tokiais aiškinimais nepatenkintų žmonių ir jie pradėjo samprotauti apie giluminius pasaulio dėsnius ir jų priežastis naudodami filosofiją. Tačiau filosofija irgi nebuvo labai tiksli.
Žodžiuose lengva pasimesti, bandant jais logiškai pagrįsti lengva apsigauti ir ką nors praleisti arba įtraukti savo subjektyvią nuomonę. Tad atsirado poreikis kalbos, sukurtos būtent pasauliui aprašyti. Tokia kalba turėtų būti kuo „lengvesnė“, t. y. remtis abstrakcijomis, o jos žodžiai turėtų tebūti lengvai pakeičiama notacija toms abstrakcijoms žymėti, neturėti bereikalingo „bagažo“ - tuščių žodžių, galimybių įterpti savo subjektyvią nuomonę. Ši kalba įsitvirtino mūsų pasaulio suvokime palyginti neseniai, tik Galilėjaus gyvenimo laikotarpiu, taigi maždaug prieš keturis šimtus metų.
Matematiniai Visatos Modeliai
Viena tokių koncepcijų yra Riemanno geometrija. Ją sukūrė Bernhardas Riemannas, kai jam kilo mintis, kad gal gali būti, kad Euklidinė geometrija (įprasta geometrija, kurią matome visur aplinkui ir kurios mokoma mokykloje) negalioja visur. Pavyzdžiui, ant labai labai mažų dalelių, daug negu už mažiausias žinomas daleles. Tad gal ten viskas kitaip, gal ten gali susikirsti dvi lygiagrečios tiesės ar trikampio kampų suma gali būti ne 180o, o koks kitas skaičiui. Bet smagiausia šio istorijos dali yra tai, kad po keliasdešimties metų Albertas Einšteinas, ieškodamas kaip prie specialiosios reliatyvumo teorijos prijungti gravitaciją, sugalvojo, kad jam visai tinka šita matomame pasaulyje neegzistuojanti geometrija.
Tokių pavyzdžių fizikoje yra daug. Grupės (tam tikri skaičių rinkiniai, sudaryti taip, kad atliekant sutartą operaciją tarp rinkinio narių galėtume gauti tam tikras sutartas reikšmes, kaip kad, pavyzdžiui, atlikti operaciją su dviem grupės nariais ir gauti tą patį skaičių) buvo sugalvotos matematiko Everisto Galua kaip būdas patikrinti ar daugianaris turi sprendinių. Po dviejų šimtų metų pasirodė, kad subatominės dalelės hadronai elgiasi kaip grupė, vadinama SU (3).
Matant tokius stebinančius matematikos atitikmenis su realia aplinka, natūraliai kyla klausimas „kaip taip gali būti, kad matematika - žmogaus proto išradimas, nesiremiantis realia patirtimi - taip gerai veikia, kai taikomas objektams fizinėje erdvėje?“ (šitaip jį suformulavo tas pats A. Einšteinas). Į šį klausimą nėra atsakymo, tik nuomonės. Visata yra matematinė struktūra ir dėl to matematika egzistuoja neatsiejamai nuo jos. Toks požiūris vadinamas Platonizmu, o Visatos apibrėžimas kaip matematinės struktūros - matematinės Visatos hipoteze (1). Toks modelis imponuoja, kad bet kokia civilizacija anksčiau ar vėliau atras tokias pačias matematines teoremas, tik užrašys jas skirtingai, jei norės paaiškinti Visatą.
Antrasis požiūris sako, kad mes sukūrėme matematiką taip, kad ji atspindėtų mūsų matomą (ar eksperimentais stebimą) Visatą. Jei šis požiūris yra teisingas, tai ta kita civilizacija galėtų gauti visai kitokias matematines gamtos dėsnių išraiškas. Teoriškai, jie galėtų susikurti visai kitokią matematiką nei mums pažįstama ir pagal ją skaičiuodami gauti eksperimentus atitinkančius rezultatus. Toks matematikos veikimo aiškinimas vadinamas formalizmu (2).
Pavyzdžiui, Mario Livio (3), astrofizikas teoretikas iš Space Telescope Science Institute Baltimorėje, teigia, kad matematika yra ir atrandama, ir išrandama. M. Livio sako, kad tam tikros matematikos sritys atsiranda aktyviai - tam, kad aprašytų gamtą - ir tokiu atveju jų efektyvumas tą daryti visai nestebina. Vienos iš tokių sričių pavyzdžių yra diferencialinis skaičiavimas, išrastas Izaoko Niutono, kai jam prireikė aprašyti judėjimą suskirstant laiką į begalinai mažas dalis.
Kitos sritys, sako mokslininkas, atsiranda pasyviai ir tik po to yra pritaikomos efektyviai aprašyti Visatai kartais net labai neįtikėtinais atvejais. Kad ir mazgų teorija. Ji tyrinėja mazgus, kone tokius pat kaip ir tokie, su kuriais susiduriame kasdieniame gyvenime, tačiau matematiniai mazgai neturi palaidų galų. Jie yra vientisi. 1860 m. Viljamas Tomsonas (dar žinomas lordo Kelvino vardu) tikėjosi paaiškinti atomus kaip matematinius eterio mazgelius.
Tokio pasyvaus atsiradimo atvejų yra labai daug, labai daug jų nagrinėta ir šiame tekste. M. Livio pastebi pasyvaus atsiradimo istorijose pasikartojantį modelį: „žmonės suabstraktina savo aplinką - turėdami tikslą kažką pasiekti ar tiesiog įdomumo dėlei - ir išranda matematines koncepsijas, tokias kaip figūros, linijos, grupės, rinkiniai ir taip toliau. Tada jie atranda jų tarpusavio ryšius.
Kitas požiūris, kurį išsako Judžinas Vigneris savo darbe „The Unreasonable Effectiveness of Mathemtics in the Natural Sciences “, yra, kad matematika veikia aprašant Visatą, nes mes nenorime priimti negražaus jos aprašymo (šią mintį jis pasiskolino iš A. Einšteino), o toji pati matematika, būdama žmogaus proto galingumą parodančio žaidimo produktas, yra labai graži. Tad fizikas, pamatęs kažkokį atitikimą gaunamuose rezultatuose su matematinėmis operacijomis, nusprendžia, kad tai, ką jis mato ir turi būti tos matematinės operacijos.
Tokie „neteisingai“ parinkti modeliai netgi gali duoti su eksperimentais sutinkančius rezultatus. Pavyzdžiui, laisvųjų elektronų teorija - teorija netgi labai neblogai paaiškinanti kodėl laidininkai, puslaidininkiai ir izoliatoriai elgiasi taip, kaip elgiasi. Tiesą sakant, pavyzdžiui, kodėl izoliatoriai gali turėti net 1026 didesnę varžą nei laidininkai, ji paaiškina net geriau nei dabar mūsų naudojama teorija.
Tad, žinodami tokius dalykus galime pasitikėti matematika? Kaip galime pasitikėti jos veikimu, jei nesuprantame, kaip jis veikia? Lygiai taip, kaip ilgai pasitikėjome gravitacija, nesuprasdami, kodėl ji veikia, greičiausiai. Nes kol kas dar nebuvo žmogaus, kuris pašokęs nenukristų atgal. Bet pabaikime šviesia citata iš to paties Judžino Vignerio teksto: „Matematikos kalbos tinkamumo suformuluoti fizikos dėsniams stebuklas yra nuostabi dovana, kurios mes nei suprantame, nei nusipelnome.
Didysis Sprogimas ir Laiko Tėkmė
Visata - tai moksliškai magiškas beribės erdvės pasaulis, kuriame visuomenės požiūris į gyvenimą iškraipomas protu nesuvokiamomis kryptimis. Pakėlusi akis į naktinį dangų, kai prieš pat mane atsiveria nesuskaičiuojama galybė galaktikų, žvaigždžių bei planetų, nesijaučiu bejėgė, o atvirkščiai - pakylėta. Tai išskirtinis jausmas, kurį žmonija, bandydama įminti giliausias visatos paslaptis, išgyvena jau tūkstančius metų.
Nuo ko viskas prasidėjo? Tai pati didžiausia, esminė Visatos paslaptis. Dauguma astrofizikų visą savo gyvenimą bando išsiaiškinti, iš ko ir kaip susiformavo visata, kurioje dabar esame. Nepaisant to, jog tikslus atsakymas nėra žinomas, šiuo metu pasauliniu mastu labiausiai pripažįstama Didžiojo sprogimo teorija.
Norint suvokti, kaip mokslininkai atvėrė šiai teorijai duris bei kodėl ji egzistuoja, reikia įsivaizduoti save Edwin‘oHubble‘o, XIX a. fiziko, kūne. Įsivaizduokite, vos prieš 14 metų kone garsiausias visų laikų mokslininkas - Albertas Einšteinas, išvysto reliatyvumo teoriją, kuri erdvę ir laiką sujungia į vieną erdvėlaikį, nuspėja gravitacinių bangų egzistavimą ir paaiškina daugelį kitų išvadų, iš kurių bene svarbiausia - visata, kuri gali arba plėstis, arba trauktis.
Nejudanti visata - tarsi bandymas pastatyti pieštuką ant rašomosios jo šerdies dalies: išlaikyti balansą gali, tačiau tai netruks ilgai, o, negana to, dar ir labai mažai tikėtina. Jūs, būdamas -a Edwin‘oHubble‘o kūne ir žinodamas, jog tolyn nuo mūsų judančios galaktikos švytėjimo spalva artėja link raudonosios spektro pusės, nusprendžiate atlikti eksperimentą: užfiksuojate kiekvienos galaktikos atspalvį ir pastebite gana intriguojantį dalyką. Kuo galaktika labiau nutolusi nuo Paukščių tako, tuoj jos raudonas atspalvis ryškesnis.
Ką gi tai galėtų reikšti? Du dalykus: tai, kad stebima galaktika nėra jauna ir juda nuo mūsų. Įdomu tai, jog visata ne tik plečiasi, tačiau tai daro su pagreičiu, kadangi net tolimiausios galaktikos, nuo žemės išsidėsčiusios apie 13,3 milijardų šviesmečių atstumu, juda greičiau nei artimos kaimynės.
Mokslininkų teigimu, visa materija buvo susitelkusi į maždaug milijardinį atomo dalies dydį. Išties sunku įsisąmoninti tokią mažą erdvę, o kvapą dar labiau gniaužia tai, jog ties žodžiu ,,tai“ esančiame taške yra susitelkę apie 500 milijardų protonų arba, kitais žodžiais sakant, didesnis skaičius už sekundes, sudarančias pusę milijono metų - štai kokia suspausta buvo Visata. Akivaizdu, didelis kiekis energijos suvaržytas neapsakomai mažose ribose norės plėstis. Būtent taip ir buvo, vos per akimirksniu įvykusį impulsą atsiveria nematytos Visatos platybės.
Per pirmąją jos gyvavimo sekundę pakankamai karšta, kad vykstant branduolinėms reakcijoms susidarytų vandenilis, helis ir nedidelė dalis ličio ir susikurtų fizikos mokslo pagrindai - gravitacinė bei kitos įvairios jėgos. Štai taip, per mažiau laiko nei užtrunka ryte išsivalyti dantis, gimė Visata - savo grožiu bei gebėjimais kvapą gniaužianti vieta, mūsų namai.
Kas gali žinoti, gal ji ne vienintelė, anot Martin‘oRees‘o, britų astronomo bei fiziko, visatų yra begalė ir gimsta bei miršta bet kuriuo momentu. Dar viena didžiausių fizikus įdarbinančių visatos mįslių - laikas. Dauguma žmonių laiką suvokia kaip tiesią liniją, ant kurios punktualiai, pagal dieną, valandą, minutę, sekundę ir net mikrosekundę, išdėlioti praeities, dabarties ir ateities įvykiai.
Nuo tada, kai Albertas Einšteinas 1915 m. paskelbė Reliatyvumo teoriją, žmonijos samprata apie laiką drastiškai pasikeitė. Moderniojoje fizikoje kūno laiko tėkmės suvokimas priklauso nuo jo judėjimo greičio, ši geniali idėja šovė A. Einšteinui atlikus paprasčiausią mintinį eksperimentą. Įsivaizduokite, jog važiuojate traukiniu labai dideliu greičiu, jei tiksliau, šviesos greičiu. Pro galinį langą stebite nuo savęs tolstantį Katedros laikrodį. Kas nutiks tiksinčioms laikrodžio rodyklėms? Žmogui, sėdinčiam šiame traukinyje, jos beveik nepakeis savo pozicijos, t.y. laiko tėkmė bus lėtesnė. Taigi kuo greičiau judi erdve, tuo lėčiau judi laiku. Išties įspūdinga!
Tačiau kaip tai įmanoma? Įsivaizduokite, jog išsiuntėte savo dvynį į kosmosą. Kadangi žinome, jog kūnams, judantiems dideliu greičiu, laikas lėtėja, galime teigti, jog grįžęs dvynys bus jaunesnis (dvynio Žemėje poziciją laikant atskaitos tašku) - čia, jau ne mintinis eksperimentas, o tikras fenomenas.
Tačiau tai dar ne viskas. Didelės masės žvaigždės, planetos ir kiti dangaus kūnai, ypač juodosios skylės, ,,įtempia“ erdvėlaikį, taip pakeisdami šviesos kelio trajektoriją ir kūno laiko tėkmės sampratą artėjant.
Žmogaus Vieta Visatoje
Visata - išties neapsakomai nuostabi ir verčia susimąstyti, kokia gi mūsų, verkiančių ir besijuokiančių žmonių, vieta šiame pasaulyje? Visų pirma, tai labai sudėtingas klausimas, į kurį tikriausiai nėra vieno absoliutaus atsakymo. Man Žemė - tai namai, vieta, kurią pažįstu, tai lyg virtuvė, kurioje kiekvieną rytą valgau pusryčius arba svetainė, kur kartu su šeima penktadieniais žiūriu filmus, o kosmoso platybės - paslaptinga palėpė, kurią tyrinėti ryžtasi žmonės, ieškantys atsakymų į egzistencinius klausimus.
Gimstame ir gyvename visatoje, kuri po truputį dalinasi savo paslaptimis apie laiko tėkmę ir gyvybės pradžią.