:format(webp)/nginx/o/2023/03/24/15218816t1h4f18.jpg)
/nginx/o/2023/03/25/15219186t1h98f9.jpg)
Stephen Hawkingi (1942–2018) üks õpilastest ja hilisem kolleeg kosmoloog Thomas Hertog räägib uskumatuna tunduva loo, kuidas neil õnnestus koos läbi puurida maailma mõistmise eelavamuste koorikust ning luua hüptees selle kohta, et universum ei evolutisoneeru mitte ainult oma koostisosades – evolutsioneeruvad ka füüsikaseadused. Selleks aga oli vaja vaadelda universumit kui hologrammi. Pöörane mõte ja lummav lugemine. Enamgi – Hertog on veendunud, et õige pea jõutakse ka katseteni, mis seda kinnitada võiksid.
Cambridge'i ülikooli tudengite seas oli tavateadmine, et matemaatika tasemeeksamite viimase osa parima tulemuse saanud tudeng kutsutakse Stephen Hawkingi juurde. Olin just saanud oma tulemuse: olin esikohal. Tõepoolest, mind kutsutigi temaga arutlema.
Läksin sügavale rakendusmatemaatika ja teoreetilise füüsika osakonna labürindis asuvasse kontorisse, mis asus Victoria-aegses hoones Cami jõe kaldal. Stepheni kontor oli peamisest puhkeruumist pisut eemal ja kuigi seal oli mürarikas, hoidis ta ukse praokil. Koputasin, ootasin ja lükkasin aeglaselt ukse lahti.
Rõõm filosoofia surma üle
Ma ei teadnud täpselt, mida selle ukse taga oodata. Muidugi teadsin, et Stephen oli kuulus oma musti auke puudutavate uurimustega ja et ta oli isegi pahandustesse sattunud mõne oma idee pärast selle kohta, mis juhtub, kui need plahvatavad. Kuid selgus, et ta mõtiskles hoopis teistsuguse küsimuse üle: miks on universum elu tekkimiseks õige just sellisel moel?
Selle küsimuse üle mõtisklemine muutus meie mõlema jaoks ühiseks pikaks teekonnaks. Järgmise kahe aastakümne jooksul, kuni tema surmani, töötasime Stepheniga uudsete ideede kallal, mis näitavad radikaalselt uut arusaama sellest, miks universum on selline, nagu ta on. Meie ettekujutuses on füüsikaseadused ise omamoodi evolutsioneerunud selleks, millised nad on saanud.
Sellel esimesel kohtumisel 1998. aasta juunis leidsin Stepheni istumas oma laua taga, pea toetatud ratastooli peatoele. Kontoriaken oli lahti ja hiljem sain teada, et talle meeldis hoida seda alati avatuna, isegi külma ilmaga. Ühel tahvlil olid võrrandid, mis näisid pärinevat 1980ndate algusest. Mõtlesin, kas need võiksid olla tema viimased käsitsi kirjutatud mustandid?
«Universum tundub olevat kavandatud,» ütles ta oma kõnesüntesaatori kaudu. Ta jätkas: «Miks on universum selline, nagu ta on?» Mitte ükski mu füüsikateadlane polnud selliseid küsimusi varem esitanud. «Kas see pole mitte filosoofiline küsimus?» proovisin vastu pärida. «Filosoofia on surnud,» vastas Stephen. Tema silmad särasid.
/nginx/o/2023/03/25/15219219t1ha7b1.jpg)
Higgsi bosonilgi on mõju geenidele
Ta oli ohtra sisu vähestesse valitud sõnadesse pakendamise meister. Kui ta rääkis universumi kavandamisest, siis viitas ta sellele, et kõigist universumitest, mis võiks olemas olla, on meie oma erakordselt hästi seadistatud just elu tekkimiseks. See on ühel või teisel moel vaevanud mõtlejaid sajandeid. Siiski on alles suhteliselt hiljuti avastatud, kui sügavasse vette on kahlatud.
Selgub, et universumi bio-sõbralikkus ise puudutab just füüsikaseadusi. Nendes seadustes on aspekte ja omadusi, mis muudavadki universumi elu jaoks õigeks. Kui neid seadusi veidigi muuta, siis võiks see ohtu seada me universumi elukõlblikkuse.
Võtame või Higgsi bosoni, mis kaalub sama palju kui 133 prootonit. See võib näida raske (osakese jaoks), kuid see on 100 miljonit miljardit korda kergem, kui paljud füüsikud loomulikuks massiks peavad. Higgsi boson seostub muude mateeria osakestega ja immutab neid massiga ja samas need kontaktid teistega lisavad massi ka Higgsi enda massile, seega võiks eeldada, et see oleks palju raskem. Siiski on Higgsi bosoni talumatu kergus elu jaoks oluline, sest kerge Higgsi osake hoiab ka elektronid, protonid, neutronid jne kerged. See omakorda tagab, et elu ehituskivid, nagu DNA, valgud ja rakud, ei varise raskusjõu mõju all kokku.
Või vaadakem universumi laienemist. 1998. aastal avastasid kosmoloogid, et maailmaruumi paisumine on umbes 5 miljardit aastat kiirenenud. Seda kiirendust põhjustatakse sageli millestki, mida nimetatakse vaakumi energiaks, mida kvantteooria ennustab. Kuid vaakumi energia tihedus tundub olevat 10 120 korda madalam, kui füüsikud ootaksid teooria põhjal. Kui universumi vaakumi energiatihedus oleks aga vaid õige natuke suurem, oleks selle mõju paisumisele tugevam ja kiirendus oleks alanud palju varem. See tähendaks, et mateeria oleks nii hõredalt jaotunud, et see ei saaks tähti ja galaktikaid koondada, mis jälle ju oleks takistanud elu tekkimist.
Füüsikaseadustel ja kosmoloogial on palju selliseid elu tekkimist soodustavaid omadusi. Tundub peaaegu, nagu universum oleks fikseeritud – suur tervik. Traditsiooniliselt pidas enamik teadlasi füüsikaseaduste aluseks olevaid matemaatilisi suhteid transtsendentaalseteks platoonilisteks tõdedeks. Sel juhul oleks vastus kosmilise kujundamise mõistatusele – niivõrd kui see on vastus: see on mateeria matemaatiline omadus. Universum on selline, nagu ta on, sest loodusel polnudki teist valikut.
Multiversumi seadused ja Jumala illusoorsus
21. sajandi alguse paiku aga ilmus täiesti erinev selgitus. See pärines mitmest üllatavast avastusest, mis viitasid sellele, et vähemalt osad füüsikaseaduste omadused ei pruugigi olla kivisse raiutud, vaid võivad olla pigem juhuslik tulemus sellest, kuidas varajane universum pärast Suurt Pauku jahtus. See, kui palju on erinevate osakese liike, millised on jõudude tugevused, kui oluline on vaakumi energia hulk – selgus, et universumi bio-sõbralikud seadused kujunesid välja juhuslike üleminekute jada käigus just selle varaseima laienemise hetkedel.
Sellest lähtuvalt hakkasid kosmoloogid mõtlema, kas ehk on olemas rohkem kui üks universum. Ehk elame me hoopis multiversumis, tohutus paisuvas ruumis, kus on erinevate universumite kirju mosaiik, igaüks oma Suure Paugu ja oma kohalike füüsikaseadustega.
See kõik muutis perspektiivi ja ilmuski kardinaalselt muutunud idee ideele, et meie universum on elu jaoks ideaalselt sobiv. Ehkki enamik universumeid oleks viljatud, on mõnes füüsikaseadused elu jaoks just õiged. Stringiteoreetik Leonard Susskind võrdles multiversumi füüsikaseaduste kohalikku iseloomu USA idaranniku ilmaga: «Äärmiselt muutlik, peaaegu alati halb, kuid mõnikord ilus.» Tema arvates on meie võluv kosmiline ilm juhus ja disaini mulje on illusioon.
Kõige selle üle just Stepheni mõtteid mõlgutaski, kui ma tema kontorisse esmakordselt 1998. aastal astusin. Tundsin, et talle ei meeldinud multiversumi idee eriti. Varsti hakkasin temaga koostööd tegema, et leida paremat vastust, kõigepealt tema doktorandina ja hiljem kolleegina.
Stepheni tõrge multiversumi idee vastu kasvas tugevamaks 2000. aastate alguses, kui selgus, et see tegelikult midagi ei seleta. Multiversumi kosmoloogias valitsevad kõikide universumite üldseadused. Kuid need üldseadused ei määratle, millises elamiskõlbulikus universumis me peaksime olema. See on probleem, sest multiversumi mõtisklused jäävad nõiaringi paradoksidega, kui puudub reegel, mis seoks multiversumi üldseadused meie universumis kehtivate kohalike seadustega. Multiversumi kosmoloogia on nagu deebetkaart ilma PIN-koodita või IKEA garderoobikapp ilma juhendita: kasutu.
Kas saame paremini hakkama? Jah, selgus, et Stephen ja mina saame, kuid ainult loobudes multiversumi kosmoloogiaga kaasnevast ideest, et meie teooriad saavad võtta jumala silmavaate, nagu oleksime kuidagi kosmosest väljaspool. See on ilmne ja näiliselt tautoloogiline punkt: meie kosmoloogiline teooria peab arvestama faktiga, et eksisteerime universumis seespool. «Me ei ole inglid, kes vaatlevad universumit väljastpoolt,» hakkas Stephen kuulutama. Seega hakkasime kosmoloogiat ümber mõtlema seestpoolt väljapoole, vaatleja vaatenurgast. Selleks avastasime peagi, et see nõuab kvantvaate võtmist universumist seestpoolt.
Vaatleja võtmeroll on olnud tunnustatud alates kvantteooria loomisest 1920. aastatel. Enne osakese positsiooni vaatlust pole isegi mõtet küsida, kus see asub. Sel pole kindlat asukohta, ainult võimalikud positsioonid, mida kirjeldab lainefunktsioon, mis kodeerib tõenäosuse, et osake, kui seda vaadeldaks, oleks siin või seal. Muidugi ei piirdu kvantvaatlused sugugi ainult inimeste tehtuga. Sellised vaatlused võivad toimuda selleks loodud detektori, keskkonna või isegi üksiku footoni kaudu toimiva interaktsiooni abil.
Evolutsioneeruvad ka reeglid ja füüsikaseadused
Mõistsime Stepheniga, et toimuvat varases universumis võib võrrelda Maal loodusliku valiku protsessiga, kus selles algelises keskkonnas mängib rolli varieerumine ja valik. Varieerumine toimub juhuslike kvantfluktuatsioonide tõttu, mis põhjustavad sagedasi väikeseid kõrvalekaldeid deterministlikust käitumisest ja vahelduvaid suuremate kõrvalekalletega. Valik astub pildile, kuna mõnda neist kõrvalekalletest, eriti suuremaid, saab tänu kvantarvule võimendada ja fikseerida. Seejärel tekivad uued reeglid, mis aitavad kujundada järgnevat evolutsiooni.
Nende kahe konkureeriva jõu vaheline interaktsioon Suures Paugus toodab harunemisprotsessi – veidi analoogne bioloogiliste liikide väljakujunemisega miljardeid aastaid hiljem, kus mõõtmed, jõud ja osakesed kõigepealt mitmekesistuvad ning seejärel omandavad tõhusa vormi, kui universum laieneb ja jahtub.
Ja nagu Darwini evolutsioonis, sisaldab see meiegi hüpotees väikest tagurpidi ajaloolist elementi. See on nagu kollektiivne kvantvaatlus, mis parandab tagantjärele Suure Paugu tulemust. Seetõttu meeldis Stephenile nimetada meie ideed «ülevalt alla kosmoloogiaks», et rõhutada, et loeme universumi aluspõhimõtteid tagantjärele, natuke nagu bioloogid rekonstrueerivad elupuu. «Me loome universumit sama palju, kui universum loob meid,» ütles ta mulle kunagi. Kui New Scientist kajastas meie ideed 2006. aastal, kirjeldati seda kui pööratud-valikuline-ise-oma-arengutee-kontseptsiooni.
Vaadeldav universum ongi ehk hologramm kvantidest fotoplaadil
Tagantjärele vaadates kõndisime tollal kui vesiliival, sest meil polnud oma ideede jaoks kindlat matemaatilist alust. Kui hakkasime otsima kindlamat alust, leidsime inspiratsiooni ootamatust allikast. Sel ajal kosus ka üks teine revolutsiooniline idee füüsikas: arvati, et sel kõigel on mingit pistmist holograafiaga. See osutus just selleks, mida me vajasime.
Tavaline hologramm kodeerib kogu informatsiooni kolmemõõtmelisest objektist kahele kahemõõtmelisele pinnale. Mingis mõttes tekib see kolmas mõõde välja just siis, kui me seda vaatame. Esimesed aimdused, et isegi gravitatsioonijõul võivad olla holograafilised juured, pärinevad 1970. aastatest Stephen Hawkingult ja eraldi Jacob Bekensteinilt. Nad avastasid, et mustade aukude sisemuse kohta teada olev kogu informatsioon võib olla kodeeritud nende sündmushorisondi pinnale.
Siis, aastal 1997 läks füüsik Juan Maldacena veelgi kaugemale ja kujutas ette, et terve universum võib olla sarnane hologrammile. Ta näitas, et kvant-sidestatud osakesed, mis paiknevad tasapinnal, võivad sisaldada kogu kõrgema mõõtmelise gravitatsiooni ja kõvera ruum-aja informatsiooni. Peagi sai holograafia teoreetiliste füüsikute seas populaarseks teemaks, sest selles nähti paljulubavat võimalust lõpuks panna tööle Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria ja kvantteooria koos.
Aja veidrused
Alguses ei meenutanud holograafiateooria loodud universumid sugugi laienevat universumit, milles me elame. Siiski hakkasime Stephen Hawkingiga umbes alates 2011. aastast mõtlema välja, kuidas hologrammi ideed rakendada sarnaselt laieneva universumi varajasele faasile, nagu meie oma. Selles kosmoloogilises keskkonnas selgus, et holograafia puhul tuleb välja mõõde aja kohta. Ajalugu on holograafiliselt krüpteeritud.
Veelgi enam, aeg ilmub tagantjärele viisil, mida olime ette kujutanud. Holograafilises kosmoloogias on minevik sõltuv olevikust, mitte vastupidi. Holograafiline lähenemine kosmoloogiale tähendab, et ajas tagasi minnes näeme kosmilist hologrammi häguselt. See on nagu väljasuumimine, kus me viskame minema üha rohkem ja rohkem hologrammile kodeeritud kvantpõimitud teavet. Holograafia näitab, et mitte ainult aeg, vaid ka füüsikalised seadused, mis kujundavad meie universumi, kaovad tagasi Suurde Pauku. See erineb tugevalt vanast Platoni vaatepunktist, et looduse seadused on kuidagi muutumatud. Uskusime Stephen Hawkingiga, et põhiline pole seadused ise, vaid nende võime muutuda.
Kõigi nende asjaolude tulemusena toimuski ulatuslik kosmoloogia põhimõtete revideerimine. Peaaegu sajandijagu oleme uurinud universumi ajalugu stabiilse loodusseaduste taustal. Kuid kvantvaade, mille Stephen Hawkingiga välja arendasime, vaatab universumi ajalugu seestpoolt ja see sisaldab oma varasemates etappides ka füüsikaliste seaduste kujunemislugu.
See on radikaalne idee, kuid seda võib siiski õnnestuda ka katseliselt tõestada. Mõnd varajase universumi ideed saab testida kosmilise mikrolainelise taustkiirguse (CMB – Cosmic Microwave Background) kiirguse olemuse dešifreerimisega, mis vabanes ulatusliku valgusevoona 380 000 aastat pärast Suurt Pauku. Kuid meie kavandatud esivanemlik evolutsioon toimus sellest ajast veelgi varem, mis tähendab, et see on CMBst kaugel peidus. Oleme olukorras, nagu oli 19. sajandil elanud Charles Darwin, kellel oli oma suure uue hüpoteesi jaoks ainult nappe tõendeid kivististena.
Õnneks saame juba vaadata Suurele Paugule lähemale
Kuid ma olen lootusrikas, et see olukord ei kesta igavesti. Oleme tunnistajaks revolutsioonile gravitatsioonilainete-astronoomias ja need lained võivad jõuda meieni kaugemale CMB-tekke eelsesse perioodi. Tulevased vaatlused ürgsetest gravitatsioonilainetest peaksid võimaldama meil uurida universumi veelgi varasemat arengufaasi.
/nginx/o/2023/03/25/15219216t1h876f.png)
Täiesti erinev viis meie ideede katsetamiseks on seotud holograafiaga. Juba praegu üritavad kvantumeksperimendid luua tugevalt seotud kvantumsüsteeme, mis koosnevad lõksus olevatest aatomitest või ioonidest, mis holograafiliselt kodeerivad mustade aukude või mudeluniversumite mõningaid omadusi. Nende süsteemide katsetamisega võime loota õppida rohkem selle kohta, millised seotuse mustrid toetavad gravitatsiooni ja ruumiaegu. Võime ka näha, kas aja algus toimub just sel viisil, nagu Stepheniga ette kujutasime. See võiks anda aimu, millised võivad olla varase universumi kohta tehtavad eksperimendid.
Kosmoloogia pea peale ja tagurpidi keeramine oli vaieldamatult Hawkingi kvintessentne akt. Stepheni ja minu jaoks, kes olime inspireeritud multiversumi paradoksist, oli see viis kosmilise disaini ilmumise mõistmiseks. Kui see uus mõtteviis osutub õigeks, võib see osutuda tema suurimaks teaduslikuks pärandiks.
Algselt populaarteaduslikus ajakirjas New Scientist avaldatud artikkel ilmub Postimehes väljaande loal. Inglise keelest tõlkis Marek Strandberg.