A INIMESTELE, kel on KIIRE
Peatükid kohendatud „Universumi” sarja esseedest ajakirjas Natural History: 1. peatükk: märts 1998 ja september 2003; 2. peatükk: november 2000; 3. peatükk: oktoober 2003; 4. peatükk: juuni 1999; 5. peatükk: juuni 2006; 6. peatükk: oktoober 2002; 7. peatükk: juuli/august 2002; 8. peatükk: märts 1997; 9. peatükk: detsember 2003 / jaanuar 2004; 10. peatükk: oktoober 2001; 11. peatükk: veebruar 2006; 12. peatükk aprill 2007.
Astrophysics for People in a Hurry
NEIL DEGRASSE TYSON
Tõlkis LAURI LIIDERS
Toimetas ANU ROOSENIIT
Kujundas HEIKO UNT
Projektijuht RAIN SIEMER
© Rahva Raamat AS ja Neil deGrasse Tyson
ISBN 978-9949-7227-7-8
ISBN 978-9949-7227-8-5 (epub)
E-raamat OÜ Flagella
Kõigile neile, kel pole aega lugeda pakse raamatuid, kuid kes soovivad siiski kosmost tundma õppida
EESSÕNA
Viimastel aastatel pole möödunud nädalatki, mil mõni kosmiline avastus poleks pälvinud ajakirjanduse tähelepanu. Tundub, et massimeedia sisu üle otsustajaid on universum huvitama hakanud, aga põhjalikuma kajastuse põhjuseid tuleks ilmselt otsida avalikkuse kasvanud näljast teadusteemade järele. Selle kohta leidub piisavalt tõendeid: menukad teadussarjad televisioonis, edukad ulmefilmid, kus mängivad tuntuimad näitlejad ja mille on ekraanile toonud tunnustatud produtsendid ja režissöörid. Viimasel ajal on oluliste teadlaste eluloofilmid saanud lausa omaette žanriks. Ka teadusfestivalid, teadusliku fantastika teemalised kokkutulekud ning teadusdokumentaalid äratavad kogu maailmas laialdast huvi.
Kõigi aegade enimteeninud filmi lavastanud režissöör valis loo sündmuspaigaks planeedi, mis tiirleb kauge tähe ümber. Selles mängib tuntud näitlejanna, kes kehastab astrobioloogi.1 Enamikel teadusharudel läheb praegu hästi, kuid astrofüüsika valdkonnal veel kõigist paremini. Usun, et ma tean, mispärast. Mingil hetkel on igaüks meist öötaevasse vaadates endalt küsinud: Mida see kõik tähendab? Kuidas see kõik töötab? Ja milline on minu koht universumis?
Kui sul pole aega, et universumit tundma õppida kursuste, õpikute või dokumentaalfilmide abil, ent soovid siiski sellest valdkonnast tähendusrikast lühikokkuvõtet, siis on mul sulle pakkuda „Astrofüüsika inimestele, kel on kiire”. Sellest õhukesest teosest omandad põhiteadmised, mis aitavad sul orienteeruda kõigis olulisemates ideedes ja avastustes, millel tugineb kaasaegne arusaam universumist. Kui seeläbi suudad sel teemal asjatundlikult mõtteid vahetada ja sul tekib isu enamagi järele, siis võin oma tööd õnnestunuks pidada.
1 Kõnealune film on James Cameroni „Avatar”, kus mängib Sigourney Weaver. – Tlk
Universumil ei lasu kohustust sinu jaoks arusaadav olla.
– NEIL DEGRASSE TYSON
Astrofüüsika inimestele, kel on kiire
1
Kõigi aegade põnevaim lugu
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