Читать книгу Astrofüüsika inimestele, kellel on kiire - Neil deGrasse Tyson - Страница 8

Maailm on püsinud palju pikki aastaid, olles kord õigel moel käima pandud. Sellest tuleneb kõik edasine.

– LUCRETIUS, U 50 EKR

Alguses, ligi neliteist miljardit aastat tagasi, peitus kogu teadaoleva universumi ruum, mateeria ja energia punktis, mis suuruselt oli väiksem kui triljondik punktist selle lause lõpus.

Tingimused olid nõnda kuumad, et ühendatud olid looduse põhijõud, mis universumit kollektiivselt kirjeldavad. Kuigi me ei tea endiselt, kuidas see nõelaotsast väiksem kosmos tekkis, polnud sel muud võimalust peale paisumise. Kiiresti. Tänapäeval nimetame seda Suureks Pauguks.

Einsteini 1916. aastal väljakäidud üldrelatiivsusteoorial põhineb tänapäevane arusaam gravitatsioonist, kus mateeria ja energia kohalolu kõverdab aegruumi geomeetriat, mis neid ümbritseb. Ning 1920. aastatel avastatud kvantmehaanika ja elektromagnetismiga seletatakse tänapäeval kõike tillukest: molekule, aatomeid ja sub­atomaarseid osakesi. Aga need kaks kõiksuse kirjeldusviisi ei taha üksteisega kokku klappida, mistõttu asusid füüsikud palavikuliselt otsima ühtainsat kõikehõlmavat kvantgravitatsiooni teooriat, mis ühendaks endas väga väikeste ja väga suurte asjade teooriad. Kuigi me pole veel finišisse jõudnud, teame vähemalt seda, millised on peamised takistused sel teel. Üks neist seondub väga varajase universumi „Plancki ajaga”. See on ajaintervall t = 0 kuni t = 10-43 sekundit (üks kümnemiljondik-triljondik-triljondik triljondikku sekundit) peale algust, ning enne seda, kui universum kasvas 10-35 meetrini (sada miljardik-triljondik triljondikku meetrist). Saksa füüsik Max Planck, kelle järgi on nimetatud need kujuteldamatult tillukesed mõõtmed, käis 1900. aastal välja kvantenergia idee ning teda peetakse üldiselt ka kvantfüüsika isaks.

Gravitatsiooni kokkusobimatus kvantmehaanikaga ei too tänapäeval universumi mõistmisel kaasa küll mingeid praktilisi probleeme. Sest astrofüüsikud rakendavad üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika teese ja vahendeid üksteisest täiesti erinevatele probleemi­kategooriatele. Kuid alguses, Plancki aja kestel, oli suur väike, ja me kahtlustame, et nad pidid sunniviisiliselt „abiellu astuma”. Kahjuks pole meil endiselt aimugi, milliseid abieluvandeid selle tseremoonia käigus vahetati, seega puuduvad (teadaolevad) füüsikaseadused, mis suudaks mingigi kindlusega kirjeldada universumis sel ajal toimunut.

Siiski eeldame, et Plancki aja lõpuks rebis gravitatsioon end lahti teistest, looduse endiselt ühendatud põhijõududest, saavutades nii sõltumatu identiteedi, mida meie praegused teooriad nii kenasti kirjeldavad. Kui universum vananes nende 10-35 sekundi jooksul, jätkas see ka paisumist, hajutades energia kontsentratsiooni, ning allesjäänud ühendatud jõud jagunesid „elektronõrgaks” (electroweak) ja tugevaks vastasmõjuks. Hiljem jagunes elektronõrk veel elektromagnetiliseks ja nõrgaks vastasmõjuks, ja nii tekkisid need neli erinevat looduse põhijõudu, mida me teame ja armastame: nõrk vastasmõju, mis põhjustab aatomituumade lagunemist; tugev vastasmõju, mis aatomituuma koos hoiab; elektromagnetiline vastasmõju, mis hoiab koos molekule; ning gravitatsioon, mis hoiab koos suuremat mateeriat.

*

Nüüd on algusest möödas triljondik sekundit.

*

Kogu selle aja jooksul toimus mateeria (subatomaarsete osakeste vormis) ja energia (footonite vormis, mis on massita valgusenergia kandjad ja samapalju lained kui osakesed) pidev vastastikune mõjustus. Universum oli piisavalt kuum, et need footonid suudaks oma energia spontaanselt muuta mateeria-antimateeria osakestepaarideks, mis kohe hävisid, ning energia naasis footonite vormi. Jah, antimateeria on tõeline. Ja meie avastasime selle, mitte ulmekirjanikud. Neid kummalisi muundumisi näeb ette ka Einsteini kuulsaim võrrand E = mc2, mis näitab, kui palju mateeriat on väärt su energia ja kui palju energiat on väärt su mateeria. Ning c2 on valguse kiirus ruudus – tohutusuur arv, mille massiga korrutamine peaks meile meelde tuletama, kui palju energiat selle tehte kaudu tegelikult saadakse.

Veidi enne, selle ajal ja peale seda, kui tugev ja elektronõrk vastasmõju üksteisest lahku lõid, kujutas universum endast kihisevat suppi kvarkidest, leptonitest ja nende antimateeriavendadest, nagu ka bosonitest, mis on osakesed, mis muudavad võimalikuks nende vastasmõju. Üldiselt ei arvata, et neid osakesteperekondi saaks jagada veel millekski väiksemaks või elementaarsemaks, kuigi tuleb mainida, et kõigist neist osakestest leidub erinevaid variatsioone. Tavaline footon on bosonite perekonna liige. Mittefüüsikute jaoks tuntuimad leptonid on elektron ja vahest ka neutriino; kõige tuntumad kvargid on… nojah, tuntud kvarke vist ei leidugi. Kvarkide kuus alamliiki on endale saanud abstraktsed nimed, millel pole mingit tegelikku filoloogilist, filosoofilist ega pedagoogilist tähendust peale nende üksteisest eristamise: up (üleval) ja down (all), strange (veider) ja charmed (sarm), ja top (tipp) ja bottom (põhi)2. Muide, bosonid said nime India teadlase Satyendra Nath Bose järgi. Sõna „lepton” tuleneb kreeka keelest, kus leptos tähendab „kerget” või „väikest”. Nimetus „kvark” pärineb koguni ilukirjandusest. Füüsik Murray Gell-Mann, kes 1964. aastal käis välja idee kvarkidest kui neutronite ja prootonite sisemistest koostisosadest ning kes tollal uskus, et kvarkide perel on vaid kolm liiget, leidis selle nimetuse James Joyce’i raamatu „Finnegans Wake” ühest tüüpiliselt tõlgendamatust lausest: „Three quarks for Muster Mark!” Üks asi, mida kvarkide puhul tasub kiita: neil on lihtsad nimed – mida keemikute, bioloogide ja eriti just geoloogide antud nimetuste puhul harva kohtab.

Kvargid on ühed veidrad elukad. Erinevalt prootoneist, millel kõigil on elektrilaeng +1, ja elektronidest, mille laeng on −1, on kvarkidel murdarvulised laengud, mida saab täpselt väljendada vaid kolmandikena. Ning üksikut kvarki ei ole võimalik kusagilt leida; see on alati teiste lähedalasuvate kvarkide küljes. Õigupoolest kaht (või rohkemat) kvarki kooshoidev jõud tugevneb seda enam, mida rohkem neid eraldada – justkui hoiaks neid koos mingi subatomaarne kummipael. Kui kvarke piisavalt üksteisest eraldada, siis see kummipael katkeb ja salvestatud energia kutsub appi E = mc2, et luua mõlemasse katkenud otsa uus kvark, nii et oled tagasi seal, kust alustasid.

Kvargi-leptoni ajastul oli universum piisavalt tihe, et keskmine distants sidumata kvarkide vahel oleks lähedane distantsiga seotud kvarkide vahel. Sellistel tingimustel poleks saanud selgelt määrata sidet kõrvutiolevate kvarkide vahel ning nad liikusidki vabalt üksteise seas ringi, kuigi kollektiivselt olid nad kokku seotud. Sellise „kvarkide keedupada” meenutava mateeriaseisundi avastas 2002. aastal rühm füüsikuid Brookhaveni riiklikus laboratooriumis Long Islandil, New Yorgi osariigis.

Leidub kindlaid teoreetilisi tõendeid sellest, et väga varajases universumis leidis aset mingi episood, vahest mõne varajase jõudude lahknemise kestel, mis kinkis universumile märkimisväärse asümmeetria, kus mateeriaosakeste arv kasvas antimateeria osakestest veidi suuremaks: umbes miljard pluss üks miljardi vastu. Nii vähene erinevus oli kvarkide ja antikvarkide, elektronide ja anti­elektronide (pigem tuntud positronide nime all), neutriinode ja antineutriinode pideva tekkimise, hävimise ja taastekkimise kestel küll vaevumärgatav. Ka „liigsel” osakesel tekkis piisavalt võimalusi, et leida endale hävimiskaaslane, nagu kõigil teistelgi osakestel.

Kuid seda polnud kauaks. Kui kosmos jätkas paisumist ja jahtumist, kasvades juba suuremaks meie Päikesesüsteemist, langes temperatuur kähku alla triljoni kraadi Kelvini järgi.

*

Nüüd on algusest möödas miljondik sekundit.

*

See leigem universum polnud enam piisavalt kuum ega tihke, et kvarkide supipada podisemas hoida, seega krabasid nad kõik endale tantsupartneri, luues uue püsiva raskete osakeste perekonna nimega hadronid (kreekakeelsest sõnast hadros, mis tähendab „tüse”). Kvarkide üleminek hadroniteks tõi peagi kaasa prootonite ja neutronite ning ka muude ja vähemtuntumate raskete osakeste tekke, mis kõik koosnesid kvargiliikide mitmesugustest kombinatsioonidest. Tuleme korraks Maa peale tagasi, nimelt Šveitsi, kus koostööle asunud Euroopa osakestefüüsikud3 kasutavad suurt osakestekiirendit, kus hadronite kiiri pannakse põrkuma, üritades nii neid tingimusi taasluua. Too suurim masin maailmas kannab igati põhjendatult nime Suur Hadronipõrguti.

Tilluke asümmeetria mateeria ja antimateeria vahel, mis mõjutas kvargi-leptonisuppi, hakkas nüüd mõjutama hadroneid, ning selle tagajärjed kujunesid üsna erakordseteks.

Kui universum edasi jahtus, vähenes põhiosakeste spontaanseks tekkimiseks kättesaadav energia. Hadronite ajastul ei saanud kõikjal olevad footonid enam appi kutsuda E = mc2 võrrandit, et luua kvargi-antikvargi paare. Vähe sellest, nüüdsetest hävimistest tekkinud footonid kaotasid oma energiat üha paisuvale universumile, langedes nõnda kvargi-antikvargi paaride tekitamise suutlikkuse lävendist allapoole. Iga miljardi hävimise kohta – mis jättis järele miljard footonit – jäi ellu ka üks hadron. Neile üksiklastele kuulub viimaks kogu lõbu: nemad said allikaks mateeriale, millest tekkisid galaktikad, tähed, planeedid, potililled ja inimesed.

Kui mateeria ja antimateeria vahel poleks eksisteerinud toda miljard pluss üks versus miljard antisümmeetriat, oleks kõik massiga osakesed universumis end vastastikku hävitanud, jättes alles kosmose, mis koosneb vaid footonitest ja ei millestki muust – ülim „Saagu valgus!” stsenaarium.

*

Nüüd on algusest möödas üks sekund.

*

Universum on kasvanud paari valgusaasta4 laiuseks, mis on enam-vähem sama kaugus, mis lahutab Päikest lähimatest tähtedest. Miljardi kraadi juures on see endiselt üsna kuum – suudab endiselt „keeta” elektrone, mis koos oma positronidest kaaslastega jätkavad olevakssaamist ja kadumist. Kuid pidevalt paisuvas ja jahtuvas universumis on nende päevad (õigemini sekundid) loetud. Mis juhtus kvarkide ja hadronitega, juhtub nüüd ka elektronidega: viimaks jääb alles vaid üks elektron miljardist. Ülejäänud hävitavad end koos oma antimateeria partnerite, positronidega footonite meres.

Nüüd on üks elektron iga prootoni kohta olemasolusse „külmunud”. Kosmos jätkab jahtumist – temperatuur langeb alla saja miljoni kraadi – ja prootonid ühinevad prootonitega, nagu ka neutronitega, luues aatomituumi ja haududes valmis universumi, kus 90% neist aatomituumadest on vesiniku ja 10% heeliumi omad, kuigi tühine osa kuulub ka deuteeriumile („raske” vesinik), triitiumile (veel raskem vesinik) ja liitiumile.

*

Algusest on möödas kaks minutit.

*

Järgmised 380 000 aastat ei juhtu meie osakestesupiga midagi erilist. Nende aastatuhandete kestel jääb temperatuur piisavalt kõrgeks, et elektronid rändaksid vabalt footonite seas, põrgatades neid siia ja sinna, kui nad üksteist mõjutavad.

Kuid too vabadus saab äkilise lõpu siis, kui universumi temperatuur langeb alla 3000 °K (umbes pool Päikese pinnatemperatuurist) ning kõik vabad elektronid liituvad aatomituumadega. Too abielu jätab järele kõikjalviibiva nähtava valguse, mis igaveseks salvestab taevasse andmed sellest, kus kogu mateeria sel hetkel asus, ning viib lõpule osakeste ja aatomite moodustumise ürgses universumis.

*

Esimese miljardi aasta kestel jätkab universum paisumist ja jahtumist, samas kui mateeria moodustab gravitatsiooni tõttu massiivsed kogumid, mida me nimetame galaktikateks. Neid moodustub ligi sada miljardit ja igaüks sisaldab sadu miljardeid tähti, mille tuumades toimub termotuumasüntees. Need tähed, mille mass on Päikese omast kümme korda suurem, saavutavad oma tuumades piisavalt suure rõhu ja temperatuuri, et toota tosinaid elemente, mis on vesinikust raskemad, sealhulgas needki, millest moodustuvad planeedid ja mistahes elu nende pinnal.

Neist elementidest poleks olnud küll mingit kasu siis, kui nad jäänuks sinnasamasse, kus nad moodustusid. Kuid õnneks on suure massiga tähtedel kalduvus plahvatada ning oma keemiliselt rikastatud sisu üle galaktika laiali laotada. Kui säärane rikastamine oli toimunud juba üheksa miljardit aastat, siis ühes universumi üsna silmatorkamatu osa (Virgo ehk Neitsi superparve ääremail) vähetähtsa galaktika (Linnutee) suvalises regioonis (Orioni harus) sündis üks harilik täht (Päike).

Too gaasipilv, millest moodustus Päike, sisaldas piisavalt palju raskeid elemente, mis kogunedes tekitasid terve hulga objekte, mis tähe ümber ringlema asusid, sealhulgas mitmed kivised ja gaasilised planeedid, sajad tuhanded asteroidid ja miljardid komeedid. Esimese paarisaja miljoni aasta kestel kogunes arvestatav hulk seni metsikutel orbiitidel tiirelnud kosmoseprahist kokku suuremateks taevakehadeks. See leidis aset suurel kiirusel toimuvate kokkupõrgetena, kus vallandus palju energiat, mis ei lasknud kiviste planeetide pindadel tahkuda, takistades keerukamate molekulide moodustumist.

Kui Päikesesüsteemi jäi alles üha vähem vaba mateeriat, hakkasid planeetide pinnad jahtuma. See, mida me nimetame Maaks, tekkis Päikese lähedal asuvas nn Kuldkihara tsoonis, kus ookeanid on peamiselt vedelas olekus. Asuks Maa Päikesele palju lähemal, oleksid need ookeanid aurustunud. Asuks Maa palju kaugemal, siis need ookeanid oleksid üleni jäätunud. Nii või teisiti, meile tuttav elu poleks tekkinud.

Keemiliselt rikkalikes vedelates ookeanides tekkis orgaanilistest molekulidest mingi veel avastamata mehhanismi läbi end taastootev elu. Selles ürgses supis valitsesid anaeroobsed bakterid – elu, millel läheb hästi hapnikust tühjas keskkonnas, kuid mis ise toodab ühe kõrvalproduktina keemiliselt aktiivset hapnikku. Need varajased ainuraksed organismid muutsid enese teadmata Maa süsihappegaasirikka atmosfääri selliseks, kus leidus piisavalt hapnikku, et saaksid tekkida ka aeroobsed organismid, mis asusid valitsema nii vees kui ka maal. Samad hapnikuaatomid, mida tavaliselt leidub paarides (O2), kombineerusid ka kolmikuteks, moodustades atmosfääri ülakihtides osooni (O3), mis on justnagu kilp, mis kaitseb Maa pinda enamike Päikeselt tulevate molekulivaenulike ultravioletsete footonite eest.

Elu erakordne mitmekesisus Maal, ja arvatavasti mujalgi universumis, on tänu võlgu süsiniku küllusele kosmoses ning neile lugematutele lihtsatele ja keerukamatele molekulidele, mis seda sisaldavad. Selles ei tasu kahelda – sest olemas on rohkem süsinikul põhinevaid molekulivariante kui kõiki muid variante kokku.

Kuid elu on habras. Maa ajutised kohtumised suurte komeetide ja asteroididega, mida kunagi tuli päris sagedasti ette, tekitavad meie ökosüsteemis tõsise hävitustöö. Kõigest 65 miljoni aasta eest (Maa ajaloost moodustab see vaid 2%) tabas kümme triljonit tonni kaaluv asteroid praeguse Yucatani poolsaare piirkonda ning hävitas üle 70% Maa floorast ja faunast – muuhulgas kõik suured dinosaurused. Väljasuremine. Keskkonnakatastroof, mis võimaldas meie imetajatest esivanematel täita värskelt vabanenud nišid ning pääseda türannosauruse eelroa rollist. Ühest suure ajuga imetajaharust, mida me nimetame primaatideks, tekkis perekond ja liik (Homo sapiens), mis oli piisavalt intelligentne, et luua teadusmeetodid ja -vahendid ning õppida nende abil tundma universumi päritolu ja arengulugu.

*

Mis juhtus enne seda kõike? Mis juhtus enne algust?

Astrofüüsikutel pole aimugi. Kuigi õigem oleks öelda, et ka meie kõige loovamad ideed on leidnud teaduskatsete käigus vähe või mitte mingit kinnitust. Seetõttu väidavad mõned usklikud inimesed, et õigus on just neil ning miski pidi kõigele ju aluse panema: mingi kõigest muust võimsam jõud, mis on kõige selle allikas. Põhiline liikumapanev jõud. Sellise inimese meelest on kõige taga mõistagi Jumal.

Aga äkki oli universum alati olemas mingi seisundi või tingimusena, mida me ei suuda veel tuvastada – näiteks multiversum, mis sünnitab pidevalt universumeid? Või äkki sai universum olevaks mitte millestki? Või äkki on kõik, mida tunneme ja kalliks peame, vaid arvutisimulatsioon, mida toodab mingi superintelligentne tulnukaliik omaenda lõbuks?

Need filosoofilises mõttes vahvad ideed küll reeglina kedagi ei rahulda. Siiski tuletavad need meile meelde, et teadmatus on uuriva teadlase tavaline vaimuseisund. Inimesed, kes usuvad, et nemad teavad kõigest kõike, pole veel lihtsalt komistanud piirile, mis eraldab meie universumis tuntut tundmatust.

Küll aga teame ja võime igasuguse kõhkluseta kinnitada, et universumil oli algus. Universum areneb edasi. Tõesti, iga aatom meie kehas ulatub tagasi Suure Pauguni ning termotuumaahjudeks olnud suure massiga tähtedeni, mis plahvatasid enam kui viie miljardi aasta eest.

Oleme tähetolm, mis on elavaks saanud ning millele universum kinkis jõu mõista iseennast – sellega oleme alles alustanud.

2 Teadusmaailmas eelistataksegi kasutada tõlkimata jäetud ingliskeelseid nimetusi, nt bottom-kvark või b-kvark. – Tlk

3 Euroopa Tuumauuringute Keskuses, tuntud lühendi all CERN.

4 Valgusaasta on distants, mille valgus läbib ühe Maa aastaga – umbes kuus triljonit miili ehk kümme triljonit kilomeetrit.