Prof. habil. dr. Jonas GRIGAS
Sunku suprasti daugelį gamtos reiškinių, nes jie trunka daug ilgiau už žmogaus gyvenimo trukmę. Žmogaus gyvenimas yra ilgas, lyginant su pikosekunde, per kurią atomai sudaro molekulę, bet jis yra tik akimirksnis, lyginant su daugeliu gamtos reiškinių, pradedant kalnų susidarymu ir baigiant galaktikų susidūrimais. Todėl mokslininkai savo žinias perduoda iš kartos į kartą statydami mokslo pilį, iš kurios ilgainiui išnešamos pasaulį keičiančios idėjos ir technologijos. Jei menininkų darbo vaisiai matomi greitai, tai mokslininkų veiklos rezultatai neretai išryškėja tik po dešimtmečių ar šimtmečių. Nenutraukiamų tyrimų rekordas priklauso senovės Babilono astronomams, kurie pirmajame tūkstantmetyje prieš Kristų šešis šimtmečius tęsė saulės ir mėnulio užtemimų tyrimus.
Į daugelį įdomiausių ir svarbiausių mūsų aplinkos ir visatos klausimų neatsakyta, kadangi mokslininkams nepakanka laiko jiems ištirti. Bet kas pasikeistų, jeigu laikas būtų ne kliūtis, jeigu jie tyrimams turėtų tūkstantį ar net šimtą tūkstančių metų? Peržvelkime keletą klausimų, į kuriuos mokslas dar neatsakė.
Kaip atsirado gyvybė?
Tai viena svarbiausių mokslo neatskleistų paslapčių. Dar praeito šimtmečio viduryje Stenlis Mileris (Stanley Miller) ir Haroldas Urėjus (Harold Urey) iš Čikagos universiteto parodė, kad kai kurios pagrindinės gyvybės, vadinamosios statybinės plytos, tokios kaip amino rūgštys, atsiranda savaime, jeigu tam susidaro tinkamos sąlygos. Atrodė, kad gyvybės kilmės paslapties atskleidimas tėra tik tinkamų cheminių elementų parinkimo ir gana ilgo laiko klausimas. Nors tai ne taip paprasta, bet per 100 000 metų natūralios atrankos būdu galėtų atsirasti kai kurių save kopijuojančių molekulių, kitaip sakant, gyvybė. Gyvybės elementai į Žemę gali būti atkeliavę ir iš kosmoso. Paukščių tako galaktikos centre tūno milžiniškas dulkių debesis, kuriame atrasta milžiniški alkoholių kiekiai ir anglies pagrindo organinių gyvybės molekulių.
Gyvybės kilmę stimuliuojantį eksperimentą reikėtų vykdyti geochemiškai tinkamoje aplinkoje. Pirmapradis gyvybės šaltinis galėjo turėti milijonus skirtingų rūšių mažų molekulių, kurios jungėsi ir reagavo daugybe galimų būdų. Tačiau vandenyne jos buvo taip atskiestos, kad tikimybė susitikti, jungtis ir reaguoti buvo labai maža. Tikėtina, kad save kopijuojančios molekulės pirmiausia atsirado ant pakrančių uolų. Šlapios Žemės uolos buvo pirmapradės gyvybės laboratorija galbūt kelis šimtus milijonų metų.
Per šimtą tūkstančių metų panaši laboratorija galėtų atkurti gyvybės atsiradimo situaciją. Tik laboratorija būtų pilna kompiuterių ir įvairių cheminių medžiagų, reaguojančių ant daugybės mineralų paviršių, esančių ant integrinių schemų. Jos automatiškai stebėtų reakcijas ir aptiktų savaime kopijuojančias molekules. Sėkmės atveju sužinotume svarbiausią mokslo neatskleistą paslaptį – kaip veikia gamta, kurdama gyvybę.
Ar gamtos konstanta tikrai yra konstanta?
Svarbiausi fizikos dėsniai atrodo esantys universalūs ir amžini. Kol kas visi protonai ir elektronai turi pastovų elektros krūvį, šviesa visada sklinda tuo pačiu 299 792 458 metrų per sekundę greičiu, nesikeičia elektronų masė 9,10938291×10-31 kg ir taip toliau. Bet kodėl? Kai kurie tikrovės modeliai leidžia ir kitokias gamtos konstantų vertes, o astronominiai tyrimai tarsi rodo nedidelį visuotinai priimtų konstantų kitimą. Jeigu visata susideda iš burbulų, tai kituose visatos burbuluose gamtos konstantos gali būti ir kitokios. Dabar atliekami labai tikslūs gamtos konstantų tyrimai. Pakartojus juos po tūkstančių metų, paaiškėtų, ar šios konstantos nekinta. Pavyzdžiui, jei elektronų magnetinis momentas būtų pasikeitęs viena tūkstantąja dalimi per visą visatos istoriją, fizikų eksperimentai tai aptiktų.
Žinoma, mokslas negali įrodyti, kad gamtos konstantos tikrai yra konstantos, nes jos labai mažai keičiasi. Bet ankstyvoje karštoje ir tankioje visatoje jos galėjo būti kitokios ir kisti daug stipriau nei dabar. Jei pakartotume konstantų nustatymo eksperimentus po šimto tūkstančių metų ir nematytume jų pokyčių, galėtume teigti, kad esame unikalūs kūriniai unikalioje stabilioje visatos dalyje. Žinoma, greičiau nei po 100 000 metų mes turėsime daug tobulesnių konstantų nustatymo metodų. Kodėl tai svarbu? Jeigu gamtos konstantos bent kiek būtų kitokios, atomų sandara būtų kitokia, arba jie iš viso nesusidarytų ir mūsų nebūtų, o mums pažįstama gyvybė Žemėje būtų neįmanoma (daugiau apie tai žr. autoriaus knygoje „Ateitis jau atėjo“, 2015).
Kaip sensta medžiagos?
Mes statome namus ir tiltus, kuriame įvairius daiktus ir prietaisus, bet nežinome, kaip ilgai jie tarnaus? Statant panaudoto branduolinio kuro saugyklą Visagine, būtina žinoti, kiek laiko kuro konteineriai išliks saugūs. Net požeminės panaudoto branduolinio kuro saugyklos yra nepatikimos, nežinant, kaip keisis geologinės sąlygos. Jei nenorime mūsų planetą užpildyti šiukšlėmis, būtina žinoti, po kiek laiko plastikas ir kitos medžiagos suirs. Tai gyvybiniai klausimai.
Vienintelis būdas tai sužinoti yra veikti medžiagas slėgiu, temperatūra, drėgme ir stebėti 100 000 metų, kaip jos išsilaiko. Tada galėtume kurti daiktus, kurie patikimai ir ilgai būtų saugūs arba, priešingai, greitai suirtų. Net stabiliausios medžiagos palaipsniui degraduoja, prarasdamos dalį atomų. Per tūkstančius metų sužinotume, kurios medžiagos yra stabilios ir patikimos, veikiant įvairioms išorės sąlygoms. Dabartiniai laboratoriniai tyrimai neleidžia patikimai numatyti, pavyzdžiui, kaip 15 metų veiks elektra varomo automobilio baterijos. Todėl ilgalaikiam naudojimui kuriame daiktus apgraibomis, nežinodami, kas kada sugrius ar suges. Taip švaistome Žemės išteklius ir be galo pabranginame sau gyvenimą.
Ar protonai yra amžini?
Visatos medžiaga susideda daugiausia iš vandenilio atomų arba protonų – dalelių, kurios susidarė iš energijos po Didžiojo sprogimo. Jei kitos subatominės dalelės, įskaitant neutronus, gali savaime sunykti, tai protonai yra išskirtinai stabilūs, tik neaišku kodėl. Kai kurios teorijos bando iš naujo interpretuoti subatomines daleles, kaip vieningos jėgos skirtingus aspektus, ir numato, kad protonai taip pat turėtų suirti po maždaug 1 043 metų. Jei galėtume ilgai laukti, gal pamatytume, kas įvyktų.
Norint pamatyti protonų irimą, reikėtų pripildyti didelę požeminę talpą vandens ir stebėti silpnus šviesos žybsnius, kurie atsirastų irstant vandens molekulių protonams. Kuo daugiau protonų stebėtumėte, tuo didesnė galimybė būtų pamatyti protono irimą. Panašūs tyrimai esamais detektoriais parodė, kad protonų gyvavimo trukmė yra ne mažesnė nei 1 034 metai. Norint tarti paskutinį žodį apie protonų stabilumą, tokie detektoriai turėtų veikti 100 milijonų metų. Bet jei sukurtume 100 kartų didesnius detektorius – futbolo stadiono dydžio, kurie stebėtų giliai po žeme penkis milijonus tonų vandens – pamatyti protonų irimą pakaktų milijono metų. Bendros dalelių fizikos teorijai verta būtų palaukti.
Kada kyla milžiniški žemės drebėjimai?
Tohoku-Oki 9 balų žemės drebėjimas ir po jo sekęs cunamis, nuniokojęs šiaurės rytines Japonijos pakrantes ir sugriovęs atomines elektrines 2011 metų kovo mėnesį, ir šiemet įvykęs panašus drebėjimas, sugriovęs Nepalą, savo milžiniška energija nustebino ne tik tų šalių gyventojus, bet ir seismologus. Modernūs seismografai egzistuoja tik kiek daugiau nei šimtmetį. Tai yra per trumpas laikas, kad gerai suprastume, kur ir kada gali kilti didžiausi žemės drebėjimai. Jei galėtume leisti seismografams stebėti žemės judesius tūkstančius metų, seisminę 9 balų riziką žinotume daug tiksliau.
Tūkstantmečiai žemės aktyvumo stebėjimai įmintų ir kitą mįslę: ar megadrebėjimai, t. y. požeminiai 8,5 ir daugiau balų smūgiai, kyla pasaulinio masto klasteriuose? Pastarojo šimtmečio tyrimai rodo, kad praėjusį dešimtmetį kilo šeši tokie smūgiai. Matavimai, trunkantys ilgesnį laikotarpį, atskleistų žemės plokščių judėjimo fizines sąveikas ir leistų numatyti pasekmes. Tai – taip pat gyvybinis klausimas.
Kaip atsiranda naujos rūšys?
Gamtoje naujos rūšys pasirodo tada, kai populiacija tampa geografiškai izoliuota nuo kitų populiacijų. Tada ji prisitaiko prie vietos aplinkos ir anksčiau ar vėliau įgyja bruožų, kurie neleidžia sėkmingai poruotis su originalia rūšimi. Biologams čia kyla klausimų. Naujų rūšių formavimasis įvyksta per tūkstančius ar milijonus metų. Ir nors tai žinome iš iškasenų ir DNR tyrimų, mums reikėtų laukti milijoną metų ar daugiau, kad įsitikintume naujų rūšių atsiradimu. Bet jei turėtume nors 100 000 metų, naujų rūšių galėtume sukurti laboratorijoje.
Lengviausiai tai būtų galima padaryti su organizmais, kurie greitai dauginasi, pavyzdžiui, drozofilomis (vaisinėmis muselėmis). Reikėtų laboratorijoje izoliuoti keletą jų kartų, sukurti joms skirtingas sąlygas ir stebėti genetines mutacijas, anatomijos kaitą, fiziologiją ir elgesį. Prieš maždaug 30 metų tyrėjai jau pradėjo atlikti panašius eksperimentus ir stebėjo 25 muselių kartas. Tačiau eksperimento sąlygos buvo dirbtinės, todėl abejotina, ar sukurtas populiacijas galima būtų laikyti skirtingomis rūšimis. Reikia daug ilgesnio eksperimento.
Kodėl sprogsta didelės žvaigždės?
Supernovos, arba sprogstančios žvaigždės, yra retas visatos reiškinys, įvykstantis kartą per keletą dešimtmečių didelėje spiralinėje galaktikoje, tokioje kaip Paukščių takas. Paskutinį kartą ją stebėjo 1604 metais Johanas Kepleris (Johannes Kepler) ir aprašė kaip švytinčią nakties danguje ryškiau už viską, išskyrus Venerą. Visos supernovos pastaraisiais laikais vyko kitose galaktikose už milijonų ar milijardų šviesmečių. Jei pamatytume supernovą arčiau, galėtume tirti ją ne tik įprastiniais teleskopais, bet ir naujomis observatorijomis, tiriančiomis neutrinus ir gravitacines bangas. Tai leistų gauti informacijos, kas iš tikrųjų vyksta sprogstančios žvaigždės viduje. Jei galėtume palaukti 10 000 metų, turėtume progą pamatyti 100 ar 200 tokių įvykių – pakankamą kiekį, kad ištirtume subtilius pokyčius žvaigždžių viduje.
Mūsų galaktikoje žvaigždė gali sprogti bet kada. Prasidėjus sprogimui, viso pasaulio gravitacinių bangų observatorijose kompiuterių ekranai pradėtų blyksėti, signalizuodami apie gravitacinių bangų nuvilnijimą erdvės audinyje. Tokios gravitacinės bangos seka iš bendrosios reliatyvumo teorijos, tačiau jos kol kas neaptiktos. Šios bangos signalizuotų, kad žvaigždės šerdis pradeda irti dėl jos pačios gravitacinės traukos, dėl kurios suspausta medžiaga virsta neutronais ir išskiria neutrinus – daleles, kurios gali prasiskverbti pro žvaigždės išorinius sluoksnius į erdvę ir pasiekti Žemės observatorijas. Žvaigždės sprogimo išskirta energija, daugiausia nešama neutrinų, gali nupūsti viršutinius žvaigždės sluoksnius ir paversti ją stulbinančiai ryškia. Kai kuriais atvejais smūginė banga gali šnypšti, sukeldama gravitacines bangas, bet ne šviesą. Tačiau tikrai nežinome, kas vyksta žvaigždėms sprogstant, kadangi kol kas matėme tik nedidelį skaičių neutrinų iš supernovos 1987 metais. Stebėdami supernovas tūkstančius metų, sužinotume žvaigždžių sprogimo priežastis. Nauji prietaisai leistų atsakyti ir į kitą klausimą – kokiomis aplinkybėmis mirštanti žvaigždė virsta juodąja bedugne arba neutronine žvaigžde.
Ką slepia kosminė mikrobangų spinduliuotė?
Didysis visatos sprogimas paliko kosminę mikrobangų spinduliuotę, kuri iki šiol sklinda į Žemę iš visatos. Erdvėlaiviai sudarė šios mikrobangų spinduliuotės viso dangaus žemėlapius ir nustatė, kad ji yra nepaprastai pastovi, išskyrus mažas atsitiktines fluktuacijas. Toks spinduliuotės vienodumas reiškia, kad ankstyvoji visata pati buvo labai vienoda. Tačiau tyrimai rodo, kad iš priešingų dangaus pusių sklinda skirtinga spinduliuotė.
Norint išsiaiškinti, ar šie reiškiniai yra realūs, ar tik statistiniai atsitiktinumai, reikia ilgų tyrimų. Dabar stebima kosminė mikrobangų spinduliuotė yra atsitiktinumas mūsų vietos erdvėje ir laike. Ši spinduliuotė sklido į mus iš visų pusių 13,7 milijardo metų. Ją matuoti reiškia matuoti mus supantį sferinį paviršių, kurio spindulys yra 13,7 milijardo šviesmečių – atstumas, kurį šviesa sklido šį laiką. Jei gana ilgai lauktume, ši sfera didėtų ir plėstųsi į naujas ankstyvosios visatos sritis. Spinduliuotės anomalijos yra tokios didelės, kad mikrobangų spinduliuotės sferai reikėtų milijardo metų praeiti jas, kol sferos spindulys pasiektų 14,7 milijardo šviesmečių. Jei galėtume palaukti nors milijoną metų, dauguma anomalijų vis dar būtų ten pat, tik kiek pasikeitusios. Jeigu palaipsniui nyktų, galėtume teigti, kad jos buvo atsitiktinės, o jeigu būtų stabilios, tai reikštų didesnių kosminių struktūrų, apie kurias nieko nežinome, visatoje buvimą.
Iš šių kelių klausimų matyti, kad apie kai kuriuos esminius dalykus dar sprendžiame panašiai, kaip skruzdės sprendžia apie pasaulį už kelių šimtų metrų nuo skruzdėlyno. Džonas Horganas (John Horgan) knygoje „The End of Science“ (Mokslo pabaiga) net rašo, kad greitai daugiau nebus didžių mokslo atradimų – nebus tokių esminių įžvalgų, kaip heliocentrizmas, evoliucija, kvantinė fizika, reliatyvumas, visatos Didysis sprogimas ir pan., kurios iš esmės pakeitė mūsų pasaulio sampratą. Mūsų palikuonys dar daug sužinos apie gamtą ir išras daug sudėtingesnių prietaisų už išmaniuosius telefonus. Bet jų tikrovės mokslinė samprata bus panaši į mūsų. Dauguma naujai įgytų žinių pratęs dabartinės ir tilps į dabartinės tikrovės sampratą, o ne reikalaus esminių jos pakeitimų. Antra vertus, pagrindinės minėtos ir neminėtos tikrovės paslaptys gali likti neišspręstos dėl trumpo mūsų gyvenimo. Nebent šia prasme galima būtų suprasti mokslo, kaip didžių pažintinių atradimų, pabaigą.