Looduse konstandid – uks kõiksusse
Kui inimene on kõigi asjade mõõt, kas ta on siis konstant? Tegelikult sõltub inimese asend universumis sellest, millised on looduse konstandid. Õieti on nõnda, et kui need konstandid oleksid õige väheke erinevad, ei oleks inimene siia ilma üldse tekkida saanud – kas või juba seetõttu, et koos poleks saanud püsida aatomid ja molekulid.
Intrigeeriv tõsiasi on, et teadus ei ole siiani seletanud looduse konstantide arvulist väärtust. Miks on need just nii suured, kui on? Miks valemites esinevad dimensioonitud arvud nagu π ja naturaallogaritmide alus e on ühele lähedased? Mitte ei esine näiteks 1000 π?
Cambridge’i ülikooli matemaatikaprofessor John D. Barrow on üks võluvamaid täppisteaduste populariseerijaid angloameerika kirjandusmaailmas. Ning kahtlemata üks mõjusamaid. Ta on kirjutanud raamatuid võimatusest ja tühjusest, lõpmatusest ja arvudest universumis. “Looduse konstandid annavad meie universumile selle tundmuse ja eksistentsi,” kirjutab ta oma raamatus “Looduse konstandid”, arutledes selle üle, mis universumis on muutumatu, mis muutuv.
Neli muutumatut vaala
Muutumatute suuruste olemasolu on universumis kõige üllatavam. Ning üllatav on seegi, et selliseid muutumatuid suurusi pole ainult üks, vaid mitu.
Inimene on valinud asjade mõõtmiseks mõõtühikud, mis vastavad tema keha mõõtmetele ning kaalule. Ja inimene asub kosmiliste asjade seas kesksel positsioonil. Sest ise on ta selle oma mõõtühikute valikuga saavutanud: jard on nööri pikkus, mis ulatub ninaotsast küljele sirutatud käe pikema sõrme otsani.
Eluta loodusega hakati mõõtühikuid seostama Prantsuse revolutsioonist peale. Lõpuks kasutati mõõtsüsteemide muutumatuks taustaks molekulide samasust.
Newtoni ajast peale hakkasid selguma ka looduse konstandid. Nendeks on gravitatsioonijõudu iseloomustav gravitatsioonikonstant G, elektroni laeng e, valguse kiirus vaakumis c ja prootoni mass mpr. Kvantmehaanika tõi meile teadmise maailma teralisusest ja lisandus mõjukonstant ehk Plancki konstant h.
Me ei saa minna oma teadusega liiga väikeste asjade kallale. Kui universum oleks pisem kui Plancki pikkusühik, mis on sentimeetrist kümme astmes 33 korda väiksem, või siis noorem kui Plancki aeg, mis on sekundist kümme astmes 43 korda lühem, siis meie teooriad enam ei kehti.
Kuid küsimusele, miks esinevad looduses mõned muutumatud suurused, pole vastust siiani. Enamgi veel – nii mõnedki teadlased on välja pakkunud oma hüpoteese, et tegelikult on need suurused universumi arenedes siiski muutunud.
Ja kui mitte, siis võib esineda universumeid, kus neil on teistsugused väärtused.
Neis teistes maailmades võivad kehtida samad seadused mis meil, kuid konstandid on teistsuguse väärtusega.
Koperniku idee, et meie Maa pole mingi eriline paik, on saanud kosmoloogias suurema üldistuse: Einstein kuulutas, et loodusseadused peavad olema samad kõigi vaatlejate jaoks, kus tahes universumi paigas nad ka ei asuks.
Looduse konstandid on seotud nelja looduse põhijõuga: gravitatsioon, elekter, magnetism, radioaktiivsus ja tuumajõud. Ehk peenemalt öelduna gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev vastastikmõju.
Pütagoorlased arvasid, et iga asi on arv. Mõnel arvul on head omadused, mõnel halvad. Mõned tuleb hoida saladuses, mõned tuleb kõigile teatavaks teha. Nüüd on selge, et mõni arv on seotud vältimatult füüsikalise reaalsuga – nagu π ja e seda on.
Kokkusattumuse väärtus
“Iga kokkusattumus on alati midagi väärt,” kuulutas miss Marple meile, “lõppude lõpuks võib selle välja visata, kui see on vaid kokkusattumus.” 20. sajandil selgusid astronoomidelegi kummalised kokkusattumused universumis.
Kahe prootoni vahelise elektromagnetilise jõu ja külgetõmbejõu suhe on kümme astmes 40. Nähtavas universumis on kokku kümme astmes 80 prootonit. Ja universum sisaldab kümme astmes 120 Plancki elementaarrakku. Vaadeldava universumi suuruse ja elektroni raadiuse suhe on kümme astmes 40. Kõik need kümne astmed on arvu 40 kordsed. Samalaadne arvumaagia tuleb ilmsiks ka universumi vanuse rehkendamisel.
Kas need suured arvud tahavad meile midagi ütelda? Sellele on vastatud nii ja naa, ning Barrow toob oma raamatus selle kohta ohtralt näiteid. “Kümme astmes 40 oli lihtsalt suurim arv, mida Jumal suutis loomise esimese päeva jooksul kirja panna,” arvas teravmeelsusega hiilanud George Gamow, Nõukogude Liidust Ameerikasse jalga lasknud kuulus füüsik.
Prootoneid tundub olevat palju, ainet aga on universumis hõredalt. Kui kogu aine ühtlaselt ära jagada, saaksime vaid ühe aatomi iga kuupmeetri kohta. Inimese valmistatud parim vaakum sisaldab 1000 miljardit aatomit kuupmeetri kohta.
Kuid aatomite arv universumis pole kaugeltki suurim võimalik arv looduses. Selleks on hoopis aju närvirakkude vaheliste võimalike ühenduste arv. Mis on nõnda palju kui kümme astmes 70 000 miljardit. See on ka meie võimalike erisuguste mõtete koguarv. Ning seda olukorras, kus aju sisaldab ainult kümme astmes 27 aatomit.
Eri maailmades võivad küll olla looduse eri konstantide väärtused, kuid teistest ei pruugi me eales aimu saada. Seda ühel lihtsal põhjusel, mille sätestab loogiliselt nn nõrk antroopsusprintsiip: “Mida me saame jälgida, see on piiratud tingimustega, mis on vajalikud meie olemasoluks.”
Siit võib muidugi minna edasi ja kuulutada välja tugeva antroopsusprintsiibi: “Universum ja seega ka fundamentaalsed parameetrid, millest see sõltub, peavad olema säherdused, et lubavad mingil oma arenguastmel vaatlejate tekke.” Elu teke on vältimatu. Loogiliselt edasi minnes: elu olemasolu on universumi eksisteerimise vältimatu tingimus. Woody Allen on selles võtmes sõnastanud omaenda printsiibi: “Ma ei taha edasi elada oma kaasmaalaste südames. Tahan edasi elada oma korteris.”
Nõnda jõuame tagasi Leibnitzi ideeni, et me elame võimalikest parimas maailmas. Ideeni, mida parodeeris Voltaire oma “Candide’is”. Parim võimalikest maailmadest valitakse aga välja Mapertuis’ vähima mõju printsiibi kohaselt. Seal liigutakse kahe punkti vahel energeetilisemalt kõige kasulikumat trajektoori mööda. Väljasurnud loomade fossiilid aga annavad meile aimu maailmadest, mis hukkusid, kuna ei käitunud vähima mõju printsiibi kohaselt.
Virtuaalse ajaloo paradoks
Siin jõuame virtuaalse ajalooni – ajalooni, mis oleks võinud olla tõsi ning oleks samuti olnud kooskõlas kõigi loodusseadustega ja isegi konstantide väärtused olnuks samad. Ent ometi ei saanud see tõeks. Eesti tingimustes näiteks selline ajalugu, mis oleks teostunud, kui Vilmsi poleks tapetud, Loodearmeega ühes oleks mindud Peterburi peale ja tagatipuks oleks vapsid oma põhiseaduse ka kehtestanud. Kuid, nagu ütles Juri Afanasjev: “Venemaa on ennustamatu minevikuga maa.”
Olgu kuidas on, sellest, et me elame ruumi kolmes ja aja ühes mõõtmes, tuleneb, et π esineb looduse valemites vaid koos väikeste kordajatega. Ja kuigi stringiteoreetikud on tulnud lagedale ideega, et me elame ühel plaadil ehk braanil, millel on mõõtmeid näiteks 11, ei saa nemadki muidu, kui kinnitavad meie rahustuseks, et ülejäänud kaheksa mõõdet on nii väikeseks kokku rullitud, et need meie loodusseadusi ei mõjuta.
Jah, kui ajal oleks kaks mõõdet, oleks meil palju enam võimalusi, kuid siis oleksid ka algosakesed palju vähem stabiilsed, prootonid laguneksid kähku ja elu ei saakski tekkida. Nii et peame ikka leppima mõttega, et kellaosuti käib tasapinnaliselt lihtsalt ringiratast, mitte ei näita lisaks veel lae poole.
Ega siis looduse konstantide konstantsus ole ka laest võetud. Seda on püütud mõõta nii Maal olevate iidsete tuumareaktorite minevikku uurides kui ka kogu universumi minevikku süüvides – analüüsides kümne miljardi aasta eest molekulidelt lähtunud signaale. Ja jõutud tulemusele, et tuumareaktsioone kirjeldav peenstruktuuri konstant on muutunud 14 miljardi aasta jooksul aastas vähem kui ühe osa kümme astmes 13 osast. See on tore, sest kui see konstant muutub liiga suureks, siis aatomid ja molekulid enam koos ei püsi. Meie elu saab eksisteerida, kui peenstruktuuri konstant muutub ühe osa sajast miljardist, ent kui see muutub palju enam, muutub ka elu olemasolu kahtlaseks.
Ometi on ka John Barrow avaldanud mitmeid teoreetilisi artikleid, kus ta on spekuleerinud selle üle, et looduse konstandid on muutumises. Sealhulgas on ta silmas pidanud ka valguse kiirust.
Kuid siiski. Looduse konstandid pakuvad meile tuge piiramatu relativismi vastu, kinnitab Barrow. Kui me saavutaksime kontakti mõne teise universumis elava intelligentse eluvormiga, siis oleks meie ühine vestlus-platvorm just nimelt looduse konstandid. See on suurim ühisosa, mida meil jagada on.
Kust aga selliseid olendeid leida? Barrow tuleb lagedale üllatava spekulatsiooniga: kui universumis esineks arenenud maaväline elu, peaks see olema õige pisikeste mõõtmetega, molekulaarse skaalani välja. Seal on piisavalt ruumi. Kuid ka nende jaoks eksisteerivad samad muutumatud suurused. “Looduse konstandid on reaalsuse triipkoodid, PIN-koodid, mis avavad meile ühel heal päeval universumi saladused,” ennustab Barrow.
