Seitse lühikest füüsikatundi. Carlo Rovelli

eitse lühikest füüsikatundi

      EESSÕNA

      Need lood on kirjutatud inimestele, kes teavad kaasaegsest teadusest vähe või sootuks mitte midagi. Üheskoos annavad need kiire ülevaate 20. sajandil füüsikas toimunud revolutsiooni kõige põnevamatest külgedest, küsimustest, mida see revolutsioon on püstitanud ja saladustest, mida avaldanud. Teadus näitab ju meile ühelt poolt, kuidas maailma paremini mõista, teisalt aga paljastab, kui tohutult palju on meile endiselt teadmata.

      Esimene õppetund on pühendatud Albert Einsteini üldrelatiivsusteooriale, „teooriatest kõige kaunimale”. Teine räägib kvantmehaanikast, kus peituvad kaasaegse füüsika kõige veidramad nähtused. Kolmas tutvustab kosmost ja meie universumi arhitektuuri, neljas elementaarosakesi. Viies tegeleb kvantgravitatsiooniga ehk käimasoleva katsega 20. sajandi suuri avastusi omavahel kokku sobitada. Kuues käsitleb tõenäosust ja mustade aukude kuumust. Raamatu viimane peatükk tuleb tagasi meie endi juurde ja küsib, kuidas käsitleda meie eksistentsi füüsika kaudu kirjeldatud kummalises maailmas.

      Õppetunnid on laiendus autori poolt ajalehe Sole 24 Ore pühapäevalisas avaldatud artiklite sarjale. Tahaksin eriliselt tänada Armando Massarentit, kelle teene on nädalalehe kultuurikülgede teadusele avamine ning selle abil meie kultuuri lahutamatu ja eluliselt tähtsa osa valgustamine.

      ESIMENE TUND

      KÕIGE KAUNIM TEOORIA

      Nooruses veetis Albert Einstein terve aasta sihitult logeledes. Aega raiskamata ei jõua te kusagile, tõsiasi, mida teismeliste vanemad kipuvad sageli unustama. Einstein elas Pavias: suutmata taluda Saksamaa gümnaasiumi ranget korda, oli ta jätnud õpingud pooleli ja tulnud tagasi oma pere juurde. Oli sajandi algus ja Itaalia just jõudnud tööstusrevolutsiooni lävele. Tema isa, ametilt insener, ehitas Padova tasandikel esimesi elektrijaamu. Albert luges Kanti ning käis vahel Pavia ülikoolis loenguid kuulamas – lihtsalt lusti pärast, ülikooli astumata ja eksamitele mõtlemata. Tõsist teadust nii tehaksegi.

      Seejärel astus ta Zürichi ülikooli ja süvenes füüsikaõpingutesse. Mõned aastad hiljem, 1905. aastal, saatis ta toonasele kõige mainekamale teadusajakirjale „Annalen der Physik” kolm artiklit. Igaüks neist oleks väärt Nobeli preemiat. Esimene artikkel näitas, et aatomid on tõepoolest olemas. Teine ladus esimesed kivid kvantmehaanika vundamenti, millest räägin järgmises tunnis. Kolmas esitles tema esimest relatiivsusteooriat, mida tänapäeval tuntakse erirelatiivsusteooriana. See selgitab, kuidas aeg ei kulge kõigi jaoks ühetaoliselt: kaks identset kaksikut võivad olla erineva vanusega, kui üks neist on liikunud suure kiirusega.

      Einsteinist sai üleöö tunnustatud teadlane ja ta sai tööpakkumisi paljudelt ülikoolidelt. Ometigi häiris teda miski. Tema relatiivsusteooria oli küll kohe kiiduavaldustega vastu võetud, kuid paraku ei klappinud see meie teadmistega gravitatsioonist ehk sellest, kuidas asjad kukuvad. Seda tõsiasja taipas ta oma teooriat kokkuvõtvat artiklit kirjutades ning hakkas mõtlema, kas mitte füüsika isa Isaac Newtoni enda sõnastatud universaalse gravitatsiooni seadus ei vaja ümbervaatamist, et sobitada seda relatiivsuse uue mõistega. Einstein süvenes uude probleemi. Selle lahendamiseks kulus kümme aastat. Kümme aastat tihedat uurimistööd, katsetusi, vigu, segadust, ekslikke artikleid, säravaid ideid, untsu läinud ideid.

      1915. aasta novembris saatis ta viimaks trükki artikli, mis sisaldas täielikku lahendust: tema meistriteost ehk uut gravitatsiooniteooriat, mida ta nimetas üldrelatiivsusteooriaks. Kõige kaunim teooria, nagu suur Vene füüsik Lev Landau seda nimetas.

      On vaieldamatuid meistriteoseid, mis meid tohutult mõjutavad: Mozarti Reekviem, Homerose „Odüsseia”, Sixtuse kabel, „Kuningas Lear”. Nende täiuse tõeliseks tajumiseks võib vaja minna pikka õpiaega. Tasuks on aga puhas ilu. Ja mitte ainult see, vaid ka oskus näha maailma täiesti uuest vaatepunktist. Einsteini suursaavutus, üldrelatiivsusteooria, on just selle suurusjärgu meistriteos.

      Mäletan erutust, mida tundsin, kui hakkasin teooriast üht-teist aru saama. Oli suvi. Elasin Calabrias, Condofuri rannas, kümblesin Vahemere päikeses ja käes oli mu ülikooliõpingute viimane aasta. Õppida on kõige parem puhates, kooliskäimisest segamata. Õppisin raamatust, mille servad olid hiirtest näritud, sest olin kasutanud seda öösiti nende vaeste elukate aukude sulgemiseks üsna räämas ja hipilikus majas Umbria mäenõlval, mis oli mu pelgupaigaks Bologna ülikooli loengute igavuse eest. Ikka ja jälle tõstsin pilgu raamatult ja vaatasin sätendavat merd, näis, nagu oleksin ma päriselt näinud Einsteini kujutletud aja ja ruumi kõverust. Juhtus midagi maagilist, justkui sosistanuks sõber mu kõrva erakordse varjatud tõe ja ühtäkki rebinud eest loori, paljastades hoopis lihtsama ja sügavama korrapära. Ajast mil avastasime, et Maa on ümmargune ja pöörleb hullumeelse vurrina, mõistame, et tegelikkus pole selline, nagu meile tundub: alati kui märkame mõnd selle uut külge, toob see kaasa võimsa emotsiooni. Veel üks eesriie on langenud.

      Aja loo vältel pole meie teadmistes toimunud hüpete seas Einsteini teooriale ilmselt siiski võrdset. Miks?

      Esmalt seepärast, et kui kord mõistate, kuidas see töötab, on teooria rabavalt lihtne. Ma teen lühikokkuvõtte.

      Newton püüdis seletada põhjust, miks asjad kukuvad ja planeedid pöörlevad. Ta kujutles jõudu, mis tõmbab kõiki ainelisi kehi üksteise poole ja nimetas selle gravitatsioonijõuks. Kuidas see jõud avaldub teineteisest eemal seisvate kehade vahel, mille vahel pole midagi, oli teadmata ja moodsa teaduse isa oli hüpoteeside väljapakkumisel ettevaatlik. Samuti kujutles Newton, et kehad liiguvad ruumis, see ruum on suur tühi anum, hiiglaslik kast, kuhu mahub kogu universum. Tohutu struktuur, milles kõik asjad liiguvad otse, kuni mingi jõud sunnib neid trajektoori muutma. Millest see ruum, tema leiutatud maailmaanum on tehtud, seda ei osanud Newton öelda.

      Ent mõni aasta enne Einsteini sündi olid kaks suurt Briti füüsikut, Faraday ja Maxwell, lisanud Newtoni külmale maailmale ühe olulise koostisosa: elektromagnetvälja. See väli on reaalne nähtus, mis kõikjale levides kannab raadiolaineid, täidab ruumi, suudab vibreerida ja võnkuda nagu järve pind ning kannab edasi elektrijõudu. Kuna nooruses huvitas Einsteini elektromagnetväli, mis keerutas tema isa ehitatud elektrijaamade rootoreid, mõistis Einstein peatselt, et gravitatsiooni – nagu elektritki – peab edasi kandma mingi väli: sarnaselt elektriväljale peab olema olemas ka gravitatsiooniväli. Ta seadis eesmärgiks mõista, kuidas see gravitatsiooniväli toimib ja kuidas oleks võimalik seda valemitega kirjeldada.

      Just selles punktis tekkis tal erakordne mõte, tõeliselt geniaalne sähvatus: gravitatsiooniväli ei ole ruumis hajutatud – gravitatsiooniväli ongi ruum ise. Selles ongi üldrelatiivsusteooria mõte. Newtoni „ruum, milles asjad liiguvad” ja gravitatsiooniväli on üks ja sama asi.

      See oli selginemise hetk. Maailm muutus tohutult lihtsamaks: ruum polnud enam midagi ainest erinevat, vaid üks maailma ainelistest komponentidest. Asi, mis lainetab, paindub, kõverdub, väändub. Me ei asu mitte nähtamatus jäigas sõrestikus, vaid gigantses paindlikus molluskis. Päike painutab ruumi enda ümber ja Maa ei pöörle ümber Päikese mitte mingi müstilise jõu mõjul, vaid kuna liigub painutatud ruumis otse. Nagu kuulike, mis lehtris veereb: lehtri keskpunkt ei tekita mingit müstilist jõudu, hoopis seinte kõverus on see, mis paneb kuuli veerema. Planeedid tiirlevad ümber Päikese ja asjad kukuvad, sest ruum on kõver.

      Kuidas kirjeldada ruumi kõverust? 19. sajandi kõige silmapaistvam matemaatik, matemaatikute kuningaks nimetatud Carl Friedrich Gauss pani kirja valemi kahemõõtmeliste kõverjooneliste pindade, näiteks küngaste pindade kirjeldamiseks. Seejärel palus ta oma andekal üliõpilasel üldistada seda teooriat kolmele ja enamale mõõtmele. Nimetatud üliõpilane, Bernhard Riemann, kirjutas võimsa doktoritöö, mis toona näis ometi täiesti kasutuna. Riemanni töö näitas, et kõvera ruumi omadusi kannab teatud matemaatiline objekt, mida me tänapäeval tunneme Riemanni kõverusena ja mida tähistatakse tähega R. Einstein pani kirja võrrandi, mille kohaselt R võrdub aine energiaga. See tähendab, ruum kõverdub seal, kus on aine. Nii lihtne see ongi. Võrrand võtab pool rida, ei enamat. Nägemusest, et ruum on kõver, sai võrrand.