Sisukord
1. Millest koosneb Universum?
11
2. Mis on tumeaine?
21
3. Mis on tumeenergia?
35
4. Mis on mateeria põhielement?
51
5. Massi saladused
65
6. Miks on gravitatsioon nii erinev teistest jõududest?
81
7. Mis on ilmaruum?
99
8. Mis on aeg?
119
9. Kui palju on dimensioone?
143
10. Kas võime liikuda valgusest kiiremini?
163
11. Kes tulistab Maad ülikiirete osakestega?
187
12. Miks koosneme ainest, mitte antiainest?
203
14. Mis toimus Suure Paugu ajal?
227
15. Kui suur on Universum?
253
16. Kas on olemas kõige teooria?
279
17. Kas oleme Universumis üksi?
307
Omamoodi kokkuvõte Tänusõnad 339 Kirjandust 341 Register 345
333
Meil pole õrna aimugi 9
Sissejuhatus UNIVERSUM, NAGU TEDA TUNNEME
MEIL POLE AIMUGI.
K
KÕIK, MIDA TEAME, NÄEME, KÕIK AATOMID TE IE KEHAS JA ME IE GALAK T IKAS, KÕIK TÄHED NING TOLM JA PLANEEDID ME IE PÄIKES ES ÜS TEEMIS JA S ELLEST VÄLJAS POOL.
as sooviksite teada, kuidas Universum sai alguse, millest ta koosneb ja kuidas jõuab lõpule? Kas tahaksite mõista, kust tulid aeg ja ilmaruum? Või seda, kas oleme ilmaruumis üksi? Kehvasti küll. See raamat ei vasta ühelegi neist küsimustest. Raamat on asjust, mida me ei tea Universumist, kõigest, millele arvasite juba vastuse olevat. Aga neid pole. Sageli kuuleme mõnest suurest avastusest, mis vastab mõnele süvaküsimusele Universumi kohta. Kui paljud on aga kuulnud küsimust enne, kui kuulsid vastust? Ja kui palju süvaküsimusi on veel vastamata? Raamat peabki juhatama senini vastuseta küsimuste juurde.
10 Meil pole õrna aimugi
11
Järgnevatel lehekülgedel jutustame, millised on siiani vastuseta küsimused Universumist ja miks nad on senini vastuseta. Lõpuks peaksite aru saama, kui rumal on arvata, et meil on võti selle juurde, mille juurde võtit pole. Raamat ei peaks teid masendama, vaid vaimustama kaardistamata territooriumi ulatusest, mis kõik on veel avali uurimiseks. Õpetame teistsugust maailmanägemist. Adudes, mida me ei tea, taipame, et tulevik on täis hämmastavaid võimalusi. Nii et kinnitage rihmad, seadke end mugavalt istuma, olge valmis uurima meie ignorantsuse süvikuid. Avastuse esimene samm on teadasaamine teadmatust. Asume rännakule Universumi süvasaladuste juurde.
1. Millest koosneb Universum? Siit saate teada, et olete üsna veider ja eriskummaline
MEIE KUTS UME S EDA “OSAKESTE PÕRGUT IKS”
KAS OLETE VALMIS?
Daniel Whiteson
Jorge Cham
K
ui olete inimolend (esialgu oletame seda), siis olete paratamatult pisut uudishimulik end ümbritseva maailma suhtes. See on osa inimlikkusest ja sellest, miks valisite selle raamatu. See pole mingi uudis. Aegade algusest peale on inimesed otsinud vastuseid põhilistele küsimustele meid ümbritseva maailma kohta: Millest koosneb Universum? Kas suured kaljud koosnevad väiksematest?
12 Meil pole õrna aimugi
Millest koosneb Universum? 13
Miks me ei söö kive? Mis tunne on olla nahkhiir?1 Esimene küsimus on üsna sügav. Ta pole sügav mitte vaid sisu poolest (ega ta pole sügavam Universumist endast). Küsida seda on sama kui küsida, millest koosnevad teie maja ja kõik temas (teie ise kaasa arvatud). Pole vaja matemaatika ja füüsika põhjalikku tundmist, et mõista: see küsimus puudutab igaühte. Oletame, et olete esimene, kes peab vastama küsimusele Universumi koostisest. Lihtsaim oleks alustada silmanähtavast. Võiksite koostada nimistu. See võiks alata nõnda:
Tähtsaim on aga see, et nimistu koostamine ei anna küsimusele vastust. Rahuldav vastus ei pea sedastama meie ümbruse keerukust, vaid peab seda lihtsustama. See on elementide perioodilisussüsteemi (mis hõlmab hapnikku, rauda, süsinikku jm) triumf. Ta peaks kirjeldama mistahes asja, mida iganes on inimesed näinud, katsunud, maitsnud2 või üksteise pihta visanud. Ilmneb, et Universum on rajatud legode põhimõttel. Samast komplektist pisikestest plastdetailidest võib koostada mängudinosaurusi, lennukeid või piraate või siis meisterdada oma lendava dinopiraadi.
UNIVERS UM -
MINA SINA TOO KIVI TOO TEINE KIVI JNE
Sel lähenemisviisil on paraku olulisi puudujääke. Esiteks, teie nimistu saaks üüratu pikk. Ta peaks sisaldama iga kivi igal planeedil ja ta peaks hõlmama ka nimistu enda (on ju seegi osa Universumist). Kui nõuate, et nimistu sisaldaks nii asju kui ka nende osi, saaks see lõpmata pikk. Kui nimistust jätta välja loetletud objektide osad, jääks sellesse vaid Universum. Kuidas ka võtta, see lähenemisviis kätkeb endas suuri küsitavusi. 1 Viimane küsimus on pealkirjaks ühele kõigi aegade tsiteeritumale filosoofiaartiklile ameeriklase Thomas Nageli sulest. Norija: “Ei saa me iial teada.”
TEADUS Otsekui legod, võimaldavad vähesed koostisosad (elemendid) luua paljusid asju: tähti, kive, tolmu, jäätist või laamasid. See koostuspõhimõte, mille kohaselt keerukad asjad on tegelikult lihtsad, lubab meil süvitsi mõista keerukusi, leides lihtasjade olemuse. Mispärast järgib kõiksus legode põhimõtet? Kuivõrd teame, on säärane lihtsustus lausa võimatu. Nagu taipasid juba koopaelanikest teadlased, võiks maailma üles ehitada mitut moodi. Ürgteadlased Uuk ja Kruuk võisid toetuda vaid oma kogemusele, mis oli kooskõlas paljude mõtetega Universumi ehitusest. Võis ju olla, et ainest on lõpmata palju sorti. Kivid võiks koosneda kiviosakestest, õhk – õhu algosakestest. 2 Jah, arvestades ka aega kolmandas klassis, kui sõber maitses sisalikku.
14 Meil pole õrna aimugi
Millest koosneb Universum? 15
Elevandidki võiks koosneda algosistest (nimetame neid dumbotronideks). Selles hüpoteetilises maailmas koosneks elementide tabel lõpmata hulgast koostisosadest.
ET MOODUSTADA ARGIAINET, ON VAJA VAID KOLME OSAKEST: U- JA DKVARGIST SAAB KOOSTADA...
ÜRGFÜÜSIKUD
prootoneid neutroneid
udelektroni kvarki kvarki
ELEK TRONIDEST, PROOTONITEST NING NEUTRONITEST KOOS NEB S UVALINE AATOM
Argiaines
Või, mis oleks veel veidram, võiksime elada maailmas, kus asjad pole tehtud üldse väikestest algosadest. Säärases Universumis võiksid kivid koosneda ühtlasest kiviainesest ja nuga, millega seda lõikate, peaks olema lõpmata terav. Kõik see oleks kooskõlas professorite Uuki ja Kruuki andmetega, mis nad ammutasid oma kuulsatest kivipõrgatamise katsetest. Mainime neid võimalusi mitte seepärast, nagu arvaksime, et asjad niimoodi meie Universumis käivadki, vaid nad võivad kehtida kõiksuses, mida me pole veel uurinud. Seepärast peaksid sellest raamatust ammutatavad teadmised kõiksuse saladustest teid ergutama, mitte masendama. Nad näitavad, kui palju on jäänud uurida ja avastada. Universumis, mida tunneme ja imetleme, on asjad tehtud tillukestest osakestest. Pärast tuhandeid aastaid mõtisklusi oleme jõudnud täiusliku aineõpetuseni.3 Aja jooksul Uuki ja Kruuki esmakatsetest kuni kaasajani oleme loonud perioodilisuse süsteemi ja piilunud aatomi sisemusse.
Iga aatom koosneb elektronpilvest ümbritsetud tuumast. Tuum sisaldab prootoneid ja neutroneid, need omakorda u- ja d-kvarke. Nii saame kvarkidest ja elektronidest perioodilisussüsteemi mistahes elemendi aatomi. Mäherdune saavutus! Taandasime Universumi koosteosade nimistu lõpmata pikast sadakonna elemendini ja siis vaid kolme osakeseni. Kõik, mida oleme iganes näinud, katsunud, haistnud või mille otsa komistanud, seisab koos vaid kolmest ehituskivist. Õnnitlegem miljonite inimajude ühistööd. Kui võime liigina uhkust tunda, siis nendime ühtlasi, et kahes punktis on see kirjeldus puudulik. Esiteks, peale elektroni ja kahe kvargi on teisigi osakesi. Möödunud sajandil on füüsikud avastanud üheksa aineosakest ning viis jõudu kandvat osakest. Mõni neist on üpris veider, näiteks viirastuslik neutriino, mis võib läbida miljardeid kilomeetreid pliid, põrkumata ainsagi osakesega.4
3 Teadus praegusel kujul, eksperimentide, andmebaaside ja laborikitlitega, on vaid sajandeid vana. Nende küsimuste üle mõtlemine on aga aastatuhandeid vana.
4 Meie arvame nii. Mitte keegi ei ole seda tegelikult proovinud. Neutriinodele on plii läbipaistev. Teised osakesed sarnanevad aineosakestega, aga on sootuks massiivsemad.
16 Meil pole õrna aimugi
Millest koosneb Universum? 17
OSAKESTE RIVI Miks on sellised osakesed olemas? Mis on nende otstarve? Kes nad seltskonda kutsus? Mitu osakest on veel olemas? Ei tea. Enamgi: pole aimugi. Mõningaid neist veidratest osakestest võtame vaatluse alla 4. peatükis. See käsitlus on puudulik veel teiselgi olulisel moel. Kui läheb vaja vaid kolme osakest, et luua tähed, planeedid, komeedid ja hapukurgid, osutuvad nad üksnes pisiosaks kosmosest. Normaalseks peetav aines (ainus, mida tunneme) on tegelikult õige tavatu. Kogu ainesest Universumis moodustab ta vaid umbes 5 protsenti. Aga ülejäänud 95 protsenti? Ei tea. Kui kanname selle kookdiagrammile, saame midagi seesugust:
UNIVERS UM: (KOOK)
POLE AIMUGI
Lugu on veelgi kehvem. Isegi selle 5% hulgas on palju selgusetut (meenutagem lisaosakesi). Mõnel juhul ei oska me küsidagi nende saladuste lahendusi. Siin me nüüd seisame. Äsja õnnitlesime end uskumatu saavutuse eest kogu ainese kirjeldamise eest lihtsail sõnul. Nüüd näib see veidi ennatu, sest suurem osa Universumist koosneb millestki muust. Justkui oleksime tuhandeid aastaid uurinud elevanti ja järsku taipaksime, et oleme vaadanud üksnes tema saba.
OI POISID...
TUNTUT (KOOGID KAAS A ARVATUD)
“TUMEAINE”
Pilt on üsna salapärane. Üksnes 5% on tuntu. 27% moodustab tumeaine. 68% on see, millest midagi aimame. Füüsikud kutsuvad seda tumeenergiaks, see sunnib Universumit paisuma, kuid see on ka kõik, mida teame. Edaspidi selgitame mõlemat kontseptsiooni ja seda, kuidas nende arvudeni jõuda.
Seda kuuldes võite olla pisut pettunud. Vahest arvasite, et oleme jõudnud Universumi alistamise tippu (robotid küürivad põrandaid jne). Oluline on käsitada seda mitte pettumuse, vaid uskumatu võimalusena uurida ja saada teadmisi. Mis oleks, kui leiaksime, et oleme Maast avastanud üksnes 5%? Või maitsnud vaid 5% kõigist maailma jäätistest? Teadlane teis nõuab põhjalikku seletust või siis enam lusikaid, ja erutust uute avastuste lävel olemisest. Meenutage kooliaega, kui saite teada maadeavastustest. Nemad purjetasid tundmatusse, avastasid uusi maid ja kaardistasid neid. Kui pidasite seda erutavaks, tundsite ühtlasi nukrust,
18 Meil pole õrna aimugi
Millest koosneb Universum? 19
et kõik mandrid on juba avastatud, kõik pisisaaredki on saanud nime ning satelliitide ja GPSi ajastul on avastuste aeg läbi. Õnneks ei ole see nii. On jäänud palju uurida. Oleme uue uurimisajastu alguses, mil peame oma arusaama Universumist ümber kujundama. Ühest küljest teame, et meie teadmised on üpris piiratud (meenutage 5 protsenti). Teisest küljest on meil vapustavad uudisriistad uurimiseks, nagu osakeste põrgutid, gravitatsioonilainete detektorid ja hiidteleskoobid, mis aitavad leida vastuseid. Kõik lausa praegu.
PRAEGU! Erutab, et teaduse saladustel on tõsised lahendused. Me ei tunne neid veel. Nad võivad ilmuda veel meie elupäevil. Näiteks küsimus sellest, kas Universumis on veel kuskil mõistuslikke olendeid. Vastus on olemas (Mulderil oli õigus: tõde ON kusagil.) Vastused muudaksid põhjalikult meie maailmapilti. Teaduslugu on revolutsioonide lugu. Iga kord adume, et meie maailmapilt oli meie perspektiivist moonutatud. Lapik maailm, Maa-kesksus, tähtedest ning planeetidest küllastatud Universum – need kõik tuginesid oma aja teadmistele. Nüüd vaatame neile kui naiivsustele. On üsna kindel, et meid ootab hulk sääraseid pöörakuid, mil sellised kaasaja saavutused nagu relatiivsusteooria ning kvantfüüsika löövad kõikuma ja asendatakse millegi üllatava ja uuega. Paarisaja aasta pärast vaadatakse meie
arusaamale asjade olemusest võib-olla samuti, kui meie vaatame koopaelanike maailmapildile. Inimkonna teekond kõiksuse mõistmisele pole hoopiski lõpul. Teie olete selle osalised. Tõotame, et see tuleb koogist magusam.
VÄHEMAST I S EE EI MAITS E NAGU KIVI