Kai tik žmogus gimsta, jis tampa šio kosmoso piliečiu, nesvarbu, kur ir kada, nesvarbu, kokios lyties, odos spalvos ar orientacijos. Tai išskirtinis jausmas, kurį žmonija, bandydama įminti giliausias visatos paslaptis, išgyvena jau tūkstančius metų. 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.
Dauguma astrofizikų visą savo gyvenimą bando išsiaiškinti, iš ko ir kaip susiformavo visata, kurioje dabar esame. Nuo ko viskas prasidėjo? Tai pati didžiausia, esminė Visatos paslaptis. 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.
Laikas Visatoje
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.
Šviesa mums suteikia galimybę stebėti ir pažinti pasaulį. Bet šviesa fizikoje yra ne tik mums matomos vaivorykštės spalvos, tiksliau tai yra elektromagnetinės bangos. Rentgeno spinduliai, naudojami pamatyti žmogaus kaulus, arba radijo bangos yra elektromagnetinių spindulių pavyzdžiai. Šviesa astronomijoje ir fizikoje mums padeda stebėti ir suprasti aplinkinį pasaulį. Šviesos dalelė - fotonas - pasiekia didžiausią greitį visoje Visatoje, kuris yra trys šimtai kilometrų per sekundę. Bet atstumai tarp astronomių kūnų yra neįsivaizduojamai dideli. Kadangi šviesos greitis nėra begalinis, šviesai irgi užtrunka kažkiek laiko nukeliauti tokius didelius atstumus.
Šviesos dalelei nukeliauti nuo Saulės iki Žemes užtrunka vidutiniškai truputį daugiau negu 8 minutes. Betgi Saulė palyginus su kitais kūnais yra arti Žemės ir atstumas, kurį šviesai reikia nukeliauti, yra trumpas. Kadangi atstumai Visatoje yra tokie milžiniški, šviesa juos keliauja labai ilgai. Todėl valandomis matuoti laiką, kurį nukeliauja šviesos dalelė, būtų labai nepraktiška ir sunku. Astronomijoje laiką, kurį nukeliauja fotonas, mokslininkai matuoja šviesmečiais. Atstumai taip pat matuojami šviesmečiais. Todėl nurodydami atstumą tarp tolimų objektų, mokslininkai tiesiog sako, kiek laiko užtrunka šviesai tą atstumą nukeliauti.
Aišku, jeigu norima tikslių skaičių, šviesmečius galima pasiversti į kilometrus. Šviesa per vienus metus nukeliauja 9.5 trilijonus kilometrų. Pavyzdžiui, arčiausia žvaigždžių sistema Alfa Centauri yra nutolusi nuo Žemės apie 40 trilijonų kilometrų. Šviesai ši atstumą nukeliauti užtrunka apie 4 metus su puse. Taigi Visatoje šviesa neskrieja taip greitai. Kadangi šviesa keliauja daugiau nei 4 metus iš Alfa Centauri, mūsų matomas žvaigždės vaizdas „vėluoja”. Kai žiūrime į Alfa Centauri, mes matome šviesos daleles, kurios paliko žvaigždę prieš 4 metus. Taigi, mes matome, kaip atrodė Alfa Centauri prieš keturis metus. Kad pamatytume, kaip ji atrodo dabar, mes turėsime palaukti 4 metus. Tolimesnių kūnų skleidžiamos šviesos dalelės turi dar ilgiau skristi. Kuo toliau žiūrime į Visatą, tuo toliau žiūrime į praeitį.
Šviesos pagalba galime nustatyti, iš ko susideda planetų atmosferos. Pradėkime nuo atomų. Atomas sudarytas iš branduolio, kuris yra teigiamas, ir elektronų, kurie yra neigiami. Elektronai skrieja aplink atomą, nes juos traukia skirtingas krūvis. Yra daug orbitų, kuriose elektronas gali skristi, bet elektronas visada skrenda orbitoje esančioje arčiausiai prie branduolio. Kai šviesos dalelė atsitrenkia į elektroną, įvyksta kažkas labai įdomaus. Elektronas gauna energijos iš šviesos dalelės, nes šviesa yra energijos forma, ir todėl turi panaudoti gautą energiją. Taigi, elektronas peršoka į tolimesnę orbitą.
Elektronams tolstant nuo branduolio, jie įgyja daugiau gravitacinės potencinės energijos. Tai yra energija, atsirandanti objektams tolstant vienas nuo kito gravitaciniame lauke. Kitaip tariant, lėktuvui kylant nuo Žemės, jis gauna daugiau potencinės energijos, nes jo atstumas nuo Žemės didėja. Taigi, elektronai, norėdami susimažinti savo gravitacinę potencinę energiją, peršoka atgal į savo pradinę orbitą. Čia elektronas turi atsikratyti energijos, kurią jis įgijo peršokdamas į aukštesnę orbitą, ją kažkam atiduodamas. Todėl elektronas išskiria šviesą. Skirtingiems atomų elektronams reikia kitokio kiekio energijos, kad peršoktų į viršutinę orbitą. Skirtingos šviesos ilgio bangos turi skirtingą kiekį energijos. Taigi, kai elektronas peršoka atgal į savo pradinę orbitą, jis išskiria tos pačios spalvos šviesos dalelę, kurią gavo.
Kai automobilis artėja link jūsų, jis skleidžia aukšto tono garsą, kai tolsta, skleidžia žemesnio tono garsą. Įsiklausykite į pravažiuojančio automobilio garsus. Tai pavyzdys apie garso bangas, tačiau tas pats vyksta ir su šviesos bangomis. Kai objektas nejuda, jo skleidžiamos garso bangos keliauja į visas puses vienodai. Kai objektas juda, bangos jo priekyje sutankėja, o už jo - praretėja. Sutankėjusios bangos turi aukštą dažnį. Jeigu tai garso bangos, garsas yra aukšto tono. Taigi artėjantis objektas skleidžia aukštą garsą, o tolstantis skleidžia žemo tono bangas, nes jų dažnis yra mažesnis.
Labai panašus reiškinys vyksta ir su šviesos bangomis. Jeigu kažkoks objektas Visatoje skrenda link mūsų, galime pamatyti tai pagal to objekto skleidžiamą šviesą. Jei objektas juda link Žemės, šviesos bangos susispaudžia ir turėdamos didesnį dažnį pasislenka į mėlyną spektro pusę, todėl tai vadinama mėlynuoju poslinkiu. Jeigu objektas tolsta nuo mūsų, jo skleidžiama šviesa pasislenka į raudoną spektro pusę, ir tai yra vadinama raudonuoju poslinkiu. Šis reiškinys vadinamas Doplerio efektu. Taigi, šviesa yra labai sudėtingas fenomenas, kuris padeda mums geriau suprasti aplinkinį pasaulį. Nors šviesa yra mūsų kasdienio gyvenimo dalis, ji apima daug sunkiai suprantamų, bet įdomių dalykų.
Mokslininkai bando sukonstruoti ultrašaltas sistemas, kurios imituotų mūsų Visatos procesus. Įrenginys yra truputį mažesnis už mažylį pirštą cilindras, užpildytas heliu ir atšaldytas beveik iki absoliutaus nulio temperatūros. Ar gali šie analogai padėti išspręsti Didžiojo Sprogimo paslaptis? Viduje kuriasi darinys, labai panašus į mažytę visatą. Heliui sklaidantis jis tarsi atkartoja procesą, kuris tikėtina vyko mūsų pačių Visatoje praėjus sekundės dalims po Didžiojo Sprogimo. Skysčiui nusistovėjus išlieka mažyčiai sukūrėliai, kurie savo struktūra artimi tiems ankstyvojo erdvėlaikio defektams, iš kurių galiausiai susiformavo galaktikos, žvaigždės ir planetos. Perkeltine prasme tai - „visata arbatos puodelyje“.
Įrenginį pagamino Lankasterio Universiteto (Anglija) mokslininkų komanda. Savo tyrimuose jie tikrina kosmologinę plėtimosi teoriją. Ji teigia, jog iškart po Didžiojo Sprogimo visata sekundės dalį staigiai plėtėsi, ir po to lygiai taip pat greitai šis procesas sulėtėjo. Greitesnis už šviesą plėtimasis turėtų paaiškinti įvairius šiandieninės Visatos reiškinius, tokius kaip, pavyzdžiui, kodėl ji atrodo daugmaž tokia pati bet kuria kryptimi, ir kaip iš kosminės medžiagos susidarė dideli objektai, tokie kaip galaktikų spiečiai. Dauguma fizikų ir astrofizikų tiki, jog staigus plėtimasis įvyko. Problema slypi detalėse - niekas nežino nei kodėl tai įvyko, nei kaip.
Nemažai specialistų kelia drąsius spėjimus apie tai, iš kur visa ta energija atsirado, tačiau turint tik vieną visatą (mūsiškę) po ranka, kurioje praėjęs apie 13 milijardų metų plėtimosi periodas, sudėtinga pasakyti, kurie siūlymai yra teisingiausi. Norint Visatai suteikti pagreitį, reikalingas baisingai didelis energijos kiekis, ir pakankamai galingi „stabdžiai“ reikalingi norint ją vėl sustabdyti. Tai nėra vadinamoji izoliuota problema. Kai kuriuos kosmologinius reiškinius - tokius kaip juodosios skylės ar Didysis sprogimas - neįmanoma tyrinėti tiesiogiai eksperimento būdu. Neskaitant finansinių ir įgyvendinimo problemų, juk nenorėtumėte savo laboratorijoje sukurti sprogstančią supernovą. Taigi kaip mokslininkai tikrina didelio masto Visatos teorijas?
Fizikai, šiuo metu intensyviai dirbantys sparčiai augančioje „kvantinių analogų“ srityje, turi atsakymą, kuris pradžioje gali pasirodyti kiek keistas - reikia tirti labai mažus dalykus. Šiai plėtimosi teorijai patikrinti Lankasterio tyrinėtojų grupė stebi, kas vyksta susiduriant dviem ultrašalto helio tūriams. Helis yra geras ankstyvosios Visatos pakaitalas dėl jo simetrijos - tiksliau kalbant, jo struktūra yra taisyklinga. Mokslininkai mano, jog karšta ankstyvoji Visata buvo homogeninė ir simetrinė. Jai vėstant kai kurios simetrijos savybės išnyko. Lygiai tas pats vyksta ir su šaltu heliu, atvėsintu vos iki 0,00017 °C virš absoliutaus nulio.
Mokslo festivaliai
Susitinka fizikas, matematikas ir filosofas, ir pradeda diskutuoti apie amžinybę. Tai gali pasirodyti kaip anekdoto pradžia, tačiau, iš tiesų, tai tik vienas iš daugybės renginių, kurie Niujorke vyko šių metų gegužės 29 - liepos 2. Nuo 2008 metų vykstantis festivalis jau yra sutraukęs daugiau, nei 850 000 žmonių, ir pasiūlęs daugiau, nei 250 įvairiausių renginių, išbarstytų po visą Niujorko miestą. Tai didžiausias JAV ir vienas didžiausių pasaulio mokslo festivalių, siūlančių patirti mokslą unikaliu ir jaudinančiu būdu. Nuo įkūrimo pradžios renginys nuolat sutraukia pačias ryškiausias mokslo žvaigždes, atradėjus, geriausius mokslo populiarinimo specialistus. Tarp dalyvių pavardžių galima rasti ir kosmologą Stephen Hawking, biologą Richard Dawkins, astrofiziką Neil DeGrasse Tyson ir daugybę kitų.
Šie garsiausi JAV ir pasaulio mokslininkai kiekvienam žiūrovui suprantamu stiliumi pakviečiami tarpusavyje įsivelti į diskusijas apie žmogaus sąmonę, Visatos begalybę, ateivių egzistavimą, svarbiausius mokslo atradimus, laiką sąvokas, ar net alų, ar vabzdžių dauginimąsi. Iš pirmų lūpų lengvai suprantamu mokslo nupasakojimo [angl. storrytelling of science] pristatomos net ir sudėtingiausios mokslinės teorijos apie mūsų Visatą. Kai kurie renginiai papildomi ir paįvairinami meno elementais, muzika, vaidyba. „Tiek mokslininkai, tiek menininkai susirenka drauge, norėdami mums atskleisti realybę, kuri yra stulbinančiai įdomi“, - sako renginio organizatoriai. Paskutinės festivalio dienos būna skirtos patiems mažiausiems lankytojams, nors renginių įvairovėje įdomybių gali rasti ir suaugusieji. Vašingtono aikštės parkas virsta mokslo ir technologijų muge, kurioje lankytojai gali patys tapti mokslininkais, patirti nesvarumo būklę, ar tiesiog mėgautis muzikos ir šokių renginiais. Kaip teigė vienas iš festivalio dalyvių, stengiamasi patenkinti vaikų smalsumą, atradimų ir nuostabos poreikį, kol to iš jų neatėmė mokykla.
Žymiausio ir didžiausio Europos mokslo festivalio titulas priklauso šiemet 25 metų jubiliejų atšventusiam Tarptautiniam Edinburgo mokslo festivaliui, Škotijoje. Dvi savaites trunkantis renginys pirmą kartą buvo surengtas 1989 metais. Festivalio organizatoriai savo tikslu įvardina būtinybę suteikti lankytojams neįtikėtinų patirčių, įkvėpti bei pakelti pasitikėjimą savo jėgomis. Tarptautinis Edinburgo mokslo festivalis siekia skatinti jaunus žmones suprasti juos supantį pasaulį. Miesto meno centre kiekvieną Balandį veikiantis festivalis sutraukia tūkstančius jaunųjų Niutonų, kurie aiškinasi pasaulio paslaptis tuzinuose įvairių renginių.
Visai šeimai tinkantis festivalis siūlo savo rankomis paliesti unikalius mokslo eksponatus ar technologijas, išvysti pristatymus, ar patiems tapti mokslininkais, sudalyvaujant mokslo dirbtuvėse. „Visa tai skirta padėti vaikams ar suaugusiesiems išgyventi „vau“ akimirką, neįtikėtinus dalykus jiems aiškinant smagiais ir jaudinančiais būdais. Nors pats festivalis vyksta balandžio mėnesį, tačiau įgudusi mokslo komunikacijos specialistų komanda kiekvienais metais nuo sausio iki gegužės rodo pavyzdį, kaip reikia vaikus sudominti mokslu. Keliaudami po visą Škotiją jie mokyklų mokiniams suteikia galimybes išvysti įvairius renginius, sudalyvauti mokslo dirbtuvėse, iš arti pamatyti, kokius stebuklus gali kurti ir atskleisti mokslas. 2012 metais ši komanda aplankė 55 000 mokinių ir mokytojų, ir sulaukė daugybės gerų atsiliepimų.
Dar vienas Europoje vykstantis festivalis, kasmet sutraukiantis daugiau, nei 100 000 lankytojų - Giotenburgo mokslo festivalis, vykstantis Švedijoje. Didžiausias šalyje, bei vienas didžiausių Europoje, festivalis stengiasi sujungti mokslo bendruomenę su mokyklomis, bei visuomene. Taip pat suteikia patalpas tyrėjams ir mokslininkams. Festivalis padalintas į 3 pagrindines dalis: viešąją, mokyklinę ir profesionalų. Organizatoriai teigia, jog kažką įdomaus sau čia atranda kiekvienas: paskaitos, muzika, teatras, debatai, parodos įvairiomis temomis, nuo socialinių iki gamtos mokslų, - visa tai skirta priartinti mokslo atradimus prie kiekvieno žmogaus.
Neturintieji galimybių nuvykti į didžiausius ir garsiausius pasaulio festivalius, panašius įspūdžius gali patirti ir Lietuvoje. Mokslo populiarinimas neužmirštas ir šioje šalyje. Šiais metais veiklos dešimtmetį švenčiantis mokslo festivalis „Erdvėlaivis Žemė“ suteikia galimybę susipažinti su Lietuvos mokslininkų išradimais ir inovacijomis. Šiais metais festivalis vyks rugsėjo 10-19 penkiuose šalies miestuose: Vilniuje, Kaune, Klaipėdoje, Šiauliuose ir Panevėžyje organizuojamas festivalis per savo gyvavimo istoriją surengė daugiau, nei 1000 renginių, teigiama festivalio internetiniame puslapyje.
Festivalis jau trečius metus yra projekto „Nacionalinės mokslo populiarinimo priemonių sistemos sukūrimas ir įgyvendinimas“ dalis. „Erdvėlaivis Žemė“ įprastai siūlo paskaitas įvairiomis mokslo temomis, skatina gyventojus susipažinti su naujovėmis, technologijomis ir populiarina Lietuvos mokslo įstaigas. Šiais metais bus rengiama ir užsienio mokslo festivaliuose populiari „Tarptautinė Mokslo populiarinimo mugė“, siekiant dar labiau mokslo pažinimą ir pasiekimus priartinti prie eilinio gyventojo, studento ar mokinio.
Visata - išties neapsakomai nuostabi ir verčia susimąstyti, kokia gi mūsų, verkiančių ir besijuokiančių žmonių, vieta šiame pasaulyje? 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.