Rubriigi ‘Kosmoloogia arhiiv

Kosmoloogia | lugemis.vara | mis.toimub | News

Tiit Kändleri põneviku “Läbi musta augu” esitlusel õpetatakse kaduma

15.05.2017

 

LMA_A4_WEB-Apollo

Kirjutasin selle raamatu kõigile uudishimulikele algkoolilastele ja põhikoolilastele, aga siit leiavad uut teavet meie maailma kohta ka nende vanemad. Kuidas kaduda nii, et ära ei kao? See on  iga universumi uurija põhiküsimus. Meie kangelased reisivad paralleeluniversumisse, kus satuvad lapikule planeedile. Selgub, et just sinna on põgenenud neandertallased! Lugu edeneb, peaagu nagu “Nukitsamees”, ainult et lugeja leiab eraldi toodud värvikat ja tõetruud teavet meie universumi ehituse kohta.

Sädelevad pildid joonistas Eerik Kändler, nii et raamatut saab uurida ka teki all.

  Kaas-1-Roheline

Astronoomia | Kosmoloogia | News | to.imetaja

Mustast august puhtalt välja

02.01.2017

See teaduskirjanik Tiit Kändleri esse ilmus Maalehes 17. novembril 2016. aastal.

 

Universumis esinevate mustade aukude matemaatika on avaldanud uusi võimalusi, et nood polegi üksikud ja päris väljapääsmatud. Ning võivad olla omavahel ühenduses.

 

Kui teil mõni asi ära kaob, on tulutu seda paaniliselt otsima hakata. Laske asjal olla. Varem või hiljem ilmub ta ootamatus kohas teile välja. Kui see asi pole just musta auku kukkunud.

Must auk on kõige süngem objekt universumis. Must auk tõmbab suure jõuga enese poole nii kosmilist tolmu kui asteroide kui planeete kui tähti. Mis musta auku kukub, see meile enesest enam teateid otse anda ei saa. Isegi valgus, kui see on musta auku sattunud, ei pääse sealt enam välja.

Must auk tekib, kui täht on muutunud liiga suureks ja omaenese külgetõmbejõust kokku variseb. Aga mustad augud võisid tekkida ka universumi esimesel ajahetkel, suure pauguga koos. Musta augu ja ülejäänud universumi vahel on piir nagu mere ja taeva vahel: horisont, mida kutsutakse sündmuste horisondiks. Musta auku saab näha kaudselt selle järgi, et see painutab kaugetelt tähtedelt lähtuvaid valguskiiri või siis kui must auk omaenese raskuse all kokku kukub või kui kaks musta auku kokku põrkavad. Päike saaks mustaks auguks, kui see tõmbuks kokku paarikilomeetrise läbimõõduga keraks. Kuu massiga musta augu läbimõõt oleks kümnendik millimeetrist, enamik musti auke on aga miljoneid ja miljardeid kordi Päikesest suuremad.

Mustal augul on vaid kolm mõõdetavat omadust: mass, elektrilaeng ja liikumishulga moment ehk spinn, mis iseloomustab pöörlemise kiirust.

Meile kõige olulisem must auk asub meie galaktika, Linnutee keskel.

 

Lohutu või tohutu?

Päris lohutu pilt neist meie jaoks mõistetamatutest kosmilistest kehadest. Või ei olegi need kehad, raske on nime anda. Igatahes on teadmine mustadest aukudest tulnud astronoomidele esmalt matemaatikute arvutustest. Ja alles hiljem, palju hiljem on saadud vaatustest tõendeid, et need on olemas ja käituvad nagu matemaatika on ennustanud. See ei tule üllatuseks: on ju ka kvantmehaanika inimese vaatevälja tulnud esmalt matemaatika läbi. Nagu kogu osakeste sümmeetriline maailm. Matemaatikaid on palju, neid saab luua lõpmatul moel ja igaüks neist on omamoodi kooskõlaline. Kuid mis üllatav – mitmed matemaatikad on sobinud universumi ülesehitust kirjeldama nagu rühmateooria selle sümmeetrilisust.

Musta augu võimalikkuse arvutas üldrelatiivsusteooria lahenditest saksa matemaatik Karl Schwarzschild juba 1916. aastal, ent seda peeti kaua matemaatiliseks kurioosumiks. Tihedaimate tähtede, kümnekilomeetrise läbimõõduga ning kahe Päikese massiga neutrontähtede avastamisega 1970. aastatel hakati uskuma ka mustade aukude esinemise võimalusesse.

Kui must auk oma elu lõpetab, siis aurustub ta äkitselt ja sellega kaasneb ere välgatus. Ehkki selliseid välgatusi on kosmosest otsitud, ei ole neid veel leitud. Nõnda on mustad augud vaid kaudselt näha olnud. Kui gaasiosakesed kukuvad musta auku, hakkab gaasipilv pöörlema nagu vesi, mis vanniaugust alla voolates pöörleb. Musta augu horisondi lähedane gaas muutub nii kuumaks, et hakkab kiirgama röntgenkiirgust, mida saab teleskoopidega mõõta. Seda 2011. aastal ka tehti. 1995. aastast alates hakati avastama tähti, mis tiirlevad ümber nähtamatu musta augu ja 2015. aastal registreeriti kahe musta augu ühinemisest kiirgunud gravitatsioonilained, millest tegin juttu 14. märtsi Maalehes nr 12.

Kuid must auk ei ole päris must. 1974. aastal tõestas kuulus inglise füüsik Stephen Hawking matemaatiliselt, et musta augu piiril tekivad nagu kvantmaailmas ehk väga väikeste osakeste maailmas ikka osakese ja antiosakese paarid, kaks tekkinud osakest kihutavad teineteisest eemale. Ühe neelab must auk, teine aga jääb hulpima meie universumisse. See on esimene leevendus.

Teine leevendus on samuti matemaatiliselt tõestatud. Alul arvati, et musta augu piiril ehk nagu öeldakse sündmuste horisondil, seal, mille läbi minemise järel enam midagi väljapoole näha pole, rebitakse jalad ees sukelduv kosmonaut muudkui pikemaks ja pikemaks, kuna tema jalgu rebitakse musta augu südame ehk singulaarsuse poole tugevamalt kui pead ja lõpuks läheb kosmonaut pooleks ja lõpp on lool. Tema kell seiskub, tema aeg jääb seisma ja kui keegi väljastpoolt vaatab musta auku sukeldujat, siis tundub talle, et too jääb igaveseks musta augu horisondi kohale hõljuma, kuid selle hõljuja kujutis muutub üha tuhmimaks ja tuhmimaks ja kaob silmist ning  näha on vaid musta auku. Auku kukkuja näeb kukkudes kogu aeg meie universumis olevat sõpra ning tema ei tunne, et on horisondi läbinud, kui ta seda just ei arvuta. Siis sulgub väline universum tema taga.

Must auk.Graf

Leevendavad arvutused

Nüüdseks on tõestatud, et erilisest mustast august, mis ei pöörle, on siiski üks väljapääs: kui leiame üles teise universumisse siirduva ussiaugu. Kui siseneme musta auku, siis alul näeme seda kui musta ketast tähistaeva taustal, see ketas muutub üha pisemaks ja pisemaks ning edasi kukkudes näeme äkitselt musta laigu asemel heledat valgust, mis tähendab, et siseneme sisemisse horisonti ehk valgesse auku. Ruum kõverdub ning et näha seda täpselt, peaks meil olema kolm silma. Kuid kui siseneme valgesse auku, siis oleme sisenenud ussiauku, mis viib meid teise universumisse. Enne sinna jõudmist aga pöördub aeg ning me võime näha meie universumi tagurpidist ajalugu, kui selja taha vaataksime. Seda juhul, kui mingi imenipiga kannataksid meie silmad seda valge augu lõpmatult heledat sära. Kui oleme jõudmas valge augu horisondile, näeme oma ümber värvikirevat ruumi ja enne, kui arugi saame, olemegi teises universumis. Kogu see ussiaugu läbimine on läbi mängitud matemaatiliselt, arvutiga rehkendades, kuid nagu öeldud, me ei tea kunagi, millal matemaatika saab tõelisuseks ja millal ei saa.

Kolmanda leevenduse esitas paari aasta eest USAs Princetonis asuva Arenenud Uuringute instituudi teoreetiline füüsik John Maldacena. Tema töö näitas, et kvantmehaaniline osakeste põimumine ja ussiaugud, mõlemad veidrad moodustised, on omavahel seotud. Põimumise tõttu jäävad osakesed, mis tekkisid näiteks üheskoos, omavahel seotuks, kui kaugel siis need teineteisest ka edaspidi ei oleks. Sellest veidrast nähtusest kirjutasin 19. mai Maalehes nr 20. Kui on tõesti nõnda, nagu Maldacena ja tema kolleegid väidavad, siis selgub, et põimumist põhjustab aegruum ise. Ja et põimunud objektid võivad olla omavahel ühendatud viisil, mis on palju vähem fantastiline, kui siiani arvati.

Mustal augul on kaks erinevat piirkonda: välimus, kus ruum on kõverdunud, ent objektid ja teated saavad sellest ometi põgeneda, ja sisemus, mis asub naasmisvõimatuse piiri taga. Välimus ja sisemus on eraldatud sündmuste horisondi läbi. Ent juba 1935. aasta Albert Eisteini ja Natan Roseni töödest hakkas selguma ootamatu võimalus, mida on 1960. aastatest alates üha tõsisemalt võtma hakatud. Nimelt see, et kaks musta auku võivad omavahel olla ühendatud silla kaudu, mida füüsikud oma naljasoonele omaselt on hakanud nimetama ussiaukudeks.  Samasugused ussiaugud ühendavad multiversumite teoorias erinevaid universumeid.

Ussiauk ei sisalda erinevalt mustast august ainet – see on vaid kõverdunud aegruum. Kahte musta auku ühendav ussiauk muutub ajas, see peeneneb kiiresti ja katkeb. Nõnda ei saaks seda mööda reisida. Kuid et mustad augud on väljastpoolt vaadates nagu kvantsüsteemid ja käituvad kvantmehaanika kohaselt, siis ei sega miski neid omavahel põimumast, arvab Maldacena ajakirjas Scientific American. Kvantpõimumine loob mustade aukude vahelise sideme. See tulemus on üllatav, kuna siiani on arvatud, et põimumine toimub ilma füüsilise ühenduseta. Kuid kaks teineteisest kaugel asuvat musta auku võivad olla ühenduses. Nõnda arvab Maldacena, et kvantpõimumise puhul on tegu geomeetrilise ühendusega.

Praegu on see tulemus veel spekulatsioon, ent nagu on vahel juhtunud varemgi, võidakse säherdused spekulatsioonid võtta reaalsuse pähe nagu juhtus Hawkingi kiirgusega. Ja võib-olla kunagi saab seda teooriat ka vaatlustel kontrollida, nii nagu saadi Päikesevarjutuse ajal kontrollida Einsteini alul uskumatuna tundunud ennustust ruumi kõverdumisest gravitatsiooniväljas.

 

Astronoomia | Kosmoloogia | News

Gravitonid otsustavad kõiksuse

06.04.2016

See teaduskirjanik Tiit Kändleri artikkel ilmus Maalehes 24. märtsil.

Nüüd, mil gravitatsioonilained 11. veebruaril välja kuulutati (vt 10. märtsi ML), on põhjust arutleda, mida kasulikku me neist võime teada saada ja kas gravitonid on olemas ning püüdavad.

 

Teadlaste pingutused ja jutud gravitatsiooni olemusest, sealhulgas gravilainetest ja graviosakestest ehk gravitonidest meenutavad mulle vene muinasjuttu lollikesest Ivanuškast, kes „havi käsul, minu tahtel“ ahju otsas pealinna otse tsaari juurde sõitis. Meenutavad sellepärast, et tol ammusel ajal, mil muinasjutt käiku lasti, oli ahjuga sõit tehniliselt võimatu, kuid ometi selgelt ette kujutletav. Praegu saaks kogu rahvas ahju otsas lesida ja sellel ringi sõita ning osa rahvast sellega tegelebki. Gravilainetest loodetakse saada sellist teavet universumi hiiglaslike objektide kohta, mis siiani on olnud varjul. Ning gravitonidest ahju, millel sõita universumi sügavustesse.

Inglane Michael Faraday ja šotlane James Clerk Maxwell murdsid 19. sajandil läbi njuutonlikust 17. sajandi piiratusest, tuues füüsikasse välja mõiste. Välja olemasolu selgub, kui sellesse viiakse elektriliselt laetud keha. Newtonil olid ruumiks materiaalsed punktid, Maxwellil kogu pidev ruum. Välja asupaigaks on kõikjal, ka raskete kehade sees, tühi ruum.

Relatiivsusteooria nõuab gravitatsiooni väljateooriat. Selles esineb üks ja seesama massikonstant kahes rollis: inertse massina liikumisseadustes ja gravitatsioonilise massina gravitatsiooniseaduses.  Need kaks on identsed, miks, seda me ei tea.

Ülipikad lained

Gravitatsioonilainel nagu igal lainel on erinevad lainepikkused.  Silmaga näeme punast valgust, mille lainepikkus on 400 nanomeetrit, kõrvaga kuuleme lainet, mille pikkus on kuni 30 meetrit. Gravilained, mis LIGO katses mõõdeti, olid sagedusega 35–250 hertsi ehk lainepikkusega keskeltläbi 3000 kilomeetrit ja väga kitsal lainealal. Kuid me ei saa Maal mõõta suurema lainepikkusega ehk väikesema sagedusega gravilaineid, mis sisaldavad enam infot oma allikate kohta. LIGO interferomeetri õla pikkus on 4 km, vaja oleks mõõta õlal pikkusega sadu tuhandeid kilomeetreid.

Sest mida pisem on keha mass, seda pikem on selle poolt levitatav gravilaine. Kui kolme Päikese massiga võrdse energia vallandunud sündmusel on gravilaine lainepikkus 3000 km, siis maasuuruse objekti  plahvatamisel on see laine miljon korda pikem.  Sellise laine kuulmiseks peavad kunstlikud kõrvad olema sama suured kui kaugus Maalt Päikeseni. Kui sajakilose inimese suurune keha kogu täiega laiali paiskub, ei piisa sellest tekkinud gravilaine mõõtmiseks meie universumi suurusest mõõteriistast.

See tähendab, et ühtpidi on gravitatsioon inimese jaoks ülitähtis, kuna selle välja tõttu püsib ta maapinnal, kuid gravitatsioon teda koos ei hoia, hoiavad elektrilised jõud. Et meie Maa külgetõmbejõudu tunneme, tuleb sellest, et Maa elektriline laeng on null.

Füüsika täiuslikkuse huvideks peaks gravitatsiooniväli olema kvanditud nagu elektromagnetiline väli. Elektromagnetilisi laineid vahendavad footonid, nõrka ja tugevat vastastikmõju teada olevad algosakesed, seega peaks ka graviväli olema kvanditud ehk omama kahepalgelist iseloomu nagu valgus: kord laine, kord osake graviton.

Gravitonikaaslased

Et pikemaid gravilaineid mõõta, oleks vaja tehiskaaslastel põhinevaid gravilainete mõõtjaid. Kahte sellist kolme tehiskaaslase koostööl toimivat süsteemi plaanib Maa orbiidile saata Hiina, kolmandat Euroopa Kosmosekeskus (vt graafik).

Gravitatsioon valitseb maailma

Oma originaalsete ideede ja teravmeelsusega kuulsaks saanud  odessiidist ameerika füüsik George Gamow kirjutas 1962. aastal avaldatud raamatus „Gravity“ („Gravitatsioon“): „Gravitatsioon valitseb maailma.“ Teadlaste eesmärgiks on avastada võimalik, peidus olev suhe gravitatsiooni ja elektromagnetilise välja vahel ja materiaalsete osakeste vahel.

Et selgitada oma ideid gravitatsioonist, pidi Newton looma imeväikeste arvudega rehkendamiseks kalkuluse ehk diferentsiaalarvutuse ja integraalarvutuse. See võttis tal aega 20 aastat.

Einsteini loodetud ühendatud väljateooria ehk Maxwelli elektrodünaamika pluss gravitatsioon võib samuti vajada uut matemaatikat. Prantslane Charles-Augustin de Coulomb mõõtis juba 1784 aastal, et elektrijõu suurus väheneb kauguse ruuduga nagu gravitatsioonijõudki. Kuid Gamow rõhutas poole sajandi eest: kahe osakese elektriline vastastikmõju on 10 astmes 40  korda suurem kui  gravitatsiooniline. Seepärast võttis ka gravilaine tabamine  nõnda kaua aega: see on nõnda pikk ja nõrk.

Inglise füüsik Paul Dirac, kes oli matemaatiliselt ennustanud antiaine, ennustas 1960. aastal gravitonid, mille energia on nagu footonitelgi võrdne Plancki konstandi ja sageduse korrutisega.  Kuid et gravilainete sagedus on nõnda väike, on ka gravitonide energia äärmiselt väike. Maast lendavad gravitonid läbi möödaminnes. Siiani hüpoteetilise gravitoni spinn on kaks, kui footonil on see üks, need osakesed liiguvad valguse kiirusega, omamata massi.

Gravitonides peitub universumi olemus

Nagu selgitas oluline inglise füüsik Roger Penrose oma 1990. aastal ilmunud raamatus, on gravitatsioon sellegi poolest eriline, et selle energia on mittelokaalne, seda ei saa mõõta näiteks aegruumi kõveruse põhjal piiratud aladel. Jutt kipub keeruliseks, kuid lihtsustavalt saab ütelda, et gravienergiat ei saa mõõta ühes punktis nagu näiteks valguskiire eredust või elektrilaengut. Sellepärast ongi gravilainete mõõtmiseks vaja vähemalt kaks pikka ristiolevat toru või siis kolmnurga nurkadeks olevat satelliiti.

Sobilik on tuua veel üks Gamowi võrdlus. Kui aatomituum kiirgab footoni, võtab see aega miljondik miljardikust sekundist. Neutron kiirgab beetaosakese, selleks kulub keskeltläbi 12 minutit. Kui aga aatomituum kiirgaks gravitoni, võtaks see aega 10 astmes 53 aastat ehk mõõtmatult kauem, kui on eksisteerinud universum.

Võib ju unistada raskusjõu kaotamisest ehk antigravitatsioonist. Elektrivälja eest pääseme pakku maandatud traatpuuri, sest on olemas nii negatiivseid kui positiivseid laenguid. Magnetil on kaks poolust, nõnda võime end ka magnetväljast isoleerida.

Kuid universumis on olemas vaid positiivne gravitatsiooniline mass, negatiivset pole teada. Kui selline oleks, käiks see vastu Einsteini masside ekvivalentsusprintsiibile: sellega, et nii keha inertne mass kui gravitatsioonist põhjustatud mass on täpselt ühesuurused.

Füüsikud alates Diracist on loonud universumi mudeli, mis põhineb nägemusel, et algosakesed on ühemõõtmelised stringid, mitte punktikujulised osakesed ning selles tegutsevad gavitonid kahemõõtmelistel braanidel. Teooria hämarustesse me ei lasku, ent selge on üks: gravitonide olemuse selgitamisega selgitame ka selle, kus me tegelikult elame. Kas ühes suuremamõõtmelise universumi neljamõõtmelise aegruumi taskus või eraldi universumis.

 

 

 

Füüsika | Kosmoloogia | News | to.imetaja

Aja uus määratlus: universumi põhialus

12.01.2015

6. jaanuaril 2015. aastal võitsid tunnustatud Buchalteri kosmoloogiapreemia Perimeter’i instituudi kosmoloog Lee Smolin ja Edinburghi Ülikooli kosmoloog Marina Cortês. Nende töö, mis kuulutati kosmoloogias läbimurdeliseks, sisaldub ajakirjas Physical Review D avaldatud artiklis pealkirjaga „Universum kui unikaalsete sündmuste protsess.“ Tegemist on järjekordse katsega sulatada aja pöördumatut kulgu füüsika alustesse. Teadlased pakuvad välja energeetilised põhjuslikud struktuurid, saamaks jagu sügavatest probleemidest, millega kosmoloogia esmaprintsiibid vastastikuti seisavad.

Nad alustavad hüpoteesist, et aeg on niihästi fundamentaalne kui pöördumatu. Enamik füüsikuist näeb aega kui omadust, mis tuleneb fundamentaalsematest füüsikaseadustest. Põhjuslikkus tuleneb otseselt sellest pöördumatusest, kinnitavad Smolin ja Cortês, tulevik luuakse pidevalt olevikust läbi aja aktiivsuse. Samamoodi on fundamentaalsed omadused energia ja moment ehk liikumishulk. Aegruum ja selles liikuvad osakesed ilmuvad läbi aja aktiivsuse. Igal sündmusel on oma sõrmejälg – eriline signatuur, mis moodustub eelnenud sündmuste summast ja ei mingitest muudest sündmustest. See viib nii asümmeetrilise universumini kui võimalik. Teadlased arendavad oma teooriat analüütiliselt, illustreerides seda ruumiliselt ühemõõtmelise universumi arvulise simulatsiooniga.

kellpesuTuntud vastuvoolumõtleja Smolini nägemus maailmast on täpselt vastupidine senise üldtunnustatud nägemusega. Kuid see ei lähe vastuollu fundamentaalfüüsika võtmetähendustega. Vastupidi, aja primaarsus ja selle pöördumatus peab ühendatama nüüdisfüüsikaga, et siiani lahendamata võtmeküsimustele ometi kord lahendus leida. Selle abil loodavad Smolin ta tema kaasmõtlejad leida lõpuks ometi üles ja muukida lahti nüüdisaegse teoreetilise füüsika Püha Graali – kvantmehaanika ja gravitatsiooni ühenduse.

See ei ole küll nõnda üheselt saavutatav kui toodud joonistusel, millel on esitatud dušši ja kella ühendus, mis on USA patendiametis olulise leiutisena patenteeritud.

Et hoida kosmoloogia teaduslikuna, peab muutma vana vaate, et universumit valitsevad muutumatud seadused, uue vastu, milles seadused muutuvad. Uues vaates on kolm keskset seadust. Korraga esineb vaid üks universum. Aeg on reaalne: kõik struktuuris ja looduse regulaarsuses muutub varem või hiljem. Matemaatika, millel on ajaga raskusi, pole looduse oraakel ja teaduse prohvet, vaid lihtsalt suure võimsuse ja tohutute piiridega tööriist.

Smolini ja tema mõttekaaslaste ideestikku on siin tore veelkord selgelt korrata. Sellest võib välja kooruda uus kosmoloogia, kuna vana on jooksnud omadega ummikusse. Keegi ei ole veel suutnud leiutada, kuidas on gravitatsioon seotud kvantmaailmaga. Olukord on tõeliselt groteskne: gravitatisooniseadused, mille tuletas teadaolevalt esimesena Isaac Newton 1687. aastal, pole ümber lükatud. Kvantmehaanika seadused, mille võrgustiku leiutamine algas Plancki 1900. aasta katsest selgitada absoluutselt musta keha kiirgust, ja mis juhivad nüüdseks teie arvuteid, läpakaid, telereid ja kogunisti valgusteid, pole ümber lükatud.

Kuni me ei räägi matemaatikast, mille tõepärane seotus loodusega on üks üllatavamaid ja produktiivsemaid, aga ka vaieldavamaid avastusi meie universumis – mida tõestab muu hulgas ka asjaolu, et matemaatikat ei kasuta mitte ainult inimene, vaid ka ronk, sipelgas ja isegi viirus, kelle/mille kohta pole inimene kokku leppinud, on see moodustis üleüldse elus või hoopis elutu.

Niisiis, tore on tutvuda Smolini pakutud nelja printsiibiga, mis pööravad pea peale aja senise käsitluse ja millest teoreetilise füüsika ning kosmoloogia helged pead kahtlustavad peituvat võti, mis avab fundamentaalteadusele seose gravitatsiooni ja kvantmehaanika vahel.

Printsiip A. Aeg on fundamentaalne suurus. Aja toime on kõige elementaarsem protsess füüsikas, mille läbi luuakse olemasolevatest sündmustest uued sündmused. Põhjuslikkus tuleneb otseselt aja pöördumatust olemusest.

Printsiip B. Ajal on fundamentaalse suund. Tulevik areneb oleviku olemisest, puuduvad põhjuslikud silmused või piirkonnad, kus aeg „edeneb tagurpidi“. Fundamentaalsed seadused, mis arendavad tulevikku olevikust, on pöördumatud – minevikku seisuned ei saa konstrueerida oleviku seisunditest.

Printsiip C. Objekti  aeg-ruumi omadused või sündmused tulenevad selle suhetest teiste dünaamiliste objektidega. Kõigil aegruumi omadustel on dünaamiline päritolu.

Printsiip D. Energia on fundamentaalne. Energia ja liikumishulk (moment) ei ilmu välja aegruumist, pigem on tõene vastupidine. Aegruum ilmub välja fundamentaalsemast põhjuslikust ja dünaamilisest olekust, kus energia ja moment on algsed.

kellpesu

See, kas aeg on primaarne või tuleneb fundamentaalsematest loodusseadustest, tundub olevat tavaelu jaoks üsna ebaoluline küsimus. Kuid ka see, et aeg erirelatiivsusteooria tõlgenduses on koolutatud, painutatud, nõnda et see voolab ühes kohas kiiremini, teises aeglasemalt, tundus Einsteini 1916. aastal pakutuna pigem elust irdunud teadlaste meelelahutus.

Astronoomia | Kosmoloogia | mis.uudist | News | vänge.lugu

Aeg annab arukust. Suure paugu leid kogub mulle. Ka teadus.ee suvekoolis kõneldakse ajast.

27.05.2014

Ka teadus.ee suvekoolis kõneldakse ajast

 

Inflatsioonimudel ütleb, et kosmos paisus sekundi murdosa murdosa jooksul pärast Suurt Pauku valguse kiirusest kiiremini. Kui see on õige, siis pidanuks vallanduma gravitatsioonilained. 17. märtsil Harvard-Smithsoni Astrofüüsikakeskuses toimunud pressikonverentsil teatas uurijate rühm, et nad on tõepoolest gravitatsioonilained kinni püüdnud. Teade vallandas kui mitte suure paugu, siis plärtsatuse küll.

Kuid nüüdseks on olukord muutunud, arvab Princetoni Ülikooli füüsik Paul Steinhardt, kes toetas seni inflatsioonile alternatiivset mudelit. Kui Lõunapoolusel asuv teleskoop BICEP2 (fotol) oli lained leidnud, asus hulk kosmolooge asja kontrollima, arvates, et avastus seisab libedal pinnal.

BICEP2

Kahe kuuga on kahtlused paisunud, sest arvutustulemusi pole õnnestunud korrata. Avastajad aga ei ole avalikustanud oma originaalseid andmeid. BICEP2 võimalik avastus on ülioluline, et tõestada inflatsiooni toimumist. See on nüüdse kosmoloogia nurgakivi. Teine nurgakivi on, et universum on lame – kaks paralleelset joont ei kohtu, kui need ka kogu kosmose läbi reisiks. BICEP2 leidis mitte gravitatsioonilained enesed, vaid nende kujutise kosmilise taustkiirguse pildil. Nood lained pidid moonutama taustkiirguse mikrolaineid.

Kriitikud viitavad tolmusaastele kui väära info allikale. Kuid vastasseis ei saa kesta kaua aega. Plancki kosmoseteleskoobi meeskond peaks varsti avaldama oma tulemused tolmu polarisatsiooni kohta. Ja vähemalt veel kümme rühma töötab balloonidele paigutatud instrumentide abil polarisatsioonikatsetega. „Kui signaal on, selgub see vähemalt kolme aastaga,“ kinnitas Princetoni astrofüüsik David Spergel ajakirjale Scientific American.

Nõnda siis annab aeg arutust ja loodetavasti ka arukust.

Ajast erinevates teadusharudes ja muusikas kõneldakse teadus.ee suvekoolis „Aegumatu aeg“, mis toimub Käsmus 22.-24. augustini ja millele pädevaks registreerimiseks on aega täpselt 11. juulini. Tulge kuulama ja kaasa mõtlema! Vaadake täpsemalt ww.teadus.ee nupu Suvekool alt.

Allikas: Scientific American, foto: Wikipedia.

Astronoomia | Füüsika | Kosmoloogia | mis.uudist | News | vänge.lugu

Teadlased kinnitavad, et registreerisid gravitatsioonilained

18.03.2014

17. märtsil hakkas teadusuudiste kanalitesse saabuma teateid, et John Kovaci juhitava Harvard-Smithsoni astrofüüsikakeskuse rahvusvahelise koostöökogu BICEP2 teadlased on universumi õige varastest algaegadest pärineva kosmilise taustkiirguse uurimisel leidnud, et see on teataval kombel polariseeeritud. Valguse puhul pole polariseeritus uudis – ka veelt peegeldunud või atmosfääris hajunud valgus on polariseeritud. Uudis kõneleb, et taustkiirguse polarisatsiooni isepäraste omaduste põhjal saavad teadlased esmakordselt kinnitada eksperimentaalselt teoreetikute poolt ammuilma pakutud väidet, et universum paisus äkitselt (nn inflatsiooniliselt) ning vähe sellest – uued andmed annavad esmakordselt märki gravitatsioonilainetest ehk aegruumi tillukestest virvendustest.

Inflatsioon1Kui asi tõepoolest on nõnda, mida näitab seegi, et tulemusi kinnitab konkureeriv teadlasrühm Berkeley Ülikooli astronoomi Adrian Lee juhtimisel, kes oma avastusest teatas 10. märtsil, siis on astronoomid jõudnud võrratult lähemale, et vastata: kust saab loodus raha? Sest nende avastus ühendab esmakordselt kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria – mida on taotlenud tulutult paljud geeniused Einsteinist alates.

 TK

Ajalugu | Astronoomia | Kosmoloogia | lood.teadusest | News

Universum osutus arvatust vanemaks

29.03.2013

Tiit Kändleri artikkel ilmus Eesti Päevalehes 28. märtsil 2013

Universum paisub aeglasemalt ja on vanem, kui arvati. Selle koostises on arvatust rohkem tavalist ainet ja vähem tumeenergiat. Need tulemused avaldas ESA möödunud nädalal.

Lihavõttekoogi retsept: segage 4,9 grammi tavalist jahu kokku 26,8 grammi tumeainest jahuga ja kuumutage seda 68,3 grammi tumeenergiaga. Saate 100 grammi universumist, kus on meil au ja õnn elada. Kahjuks ei tea mina, nii nagu ei tea isegi ükski astronoom ega kosmoloog maailmas, kust saada tumeainet ja tumeenergiat ja mis asjad need üleüldse on. Kuid et universum koos seisaks ja parasjagu nõndaviisi käituks nagu vaatlused näitavad – kiirenevalt paisuks ja selle galaktikad just nõnda kiiresti pöörleksid nagu need pöörlevad, peab koogi sees olema kõige enam just neid tumedaid osiseid, mida veel ühegi mõõteriista silm näinud pole.

Sellest hoolimata mõõdetakse üha üle, kui palju meie universum erinevaid aineid ja energiaid sisaldab. Möödunud nädalal tutvustati Euroopa Kosmoseagentuuri ESA kosmoseteleskoobi Planck viimase 15 kuu jooksul mõõdetud tulemusi. Neist selgub niipalju uut, et meie universum lendab laiali aeglasemalt kui arvati, ja on seepärast seniarvatust vanem – 13,7 miljardi aasta asemel 13,8 miljardi aastane. Ning universumis on vähem tumeenergiat ja rohkem ainet, nii tavalist kui tumedat, kui varem arvati.

„Sellega on universumi sündimise kulg teada suurusjärgu võrra täpsemalt kui seni,“ kinnitas ESA peadirektor Jean-Jacques Dordain. 2019. aastal lähetas ESA kaugele Kuu orbiidi taha, Päikesest veel 1,5 miljonit kilomeetrit eemale Lagrange 2 nimelisse punkti kvantfüüsika rajaja Plancki nime kandva kosmosejaama, et mõõta kosmilise mikrolaine taustkiirguse temperatuuri ülitillukesi kõikumisi, millest lõpuks said tähed ja galaktikad. Selles paigas L2, kus jaam asub, pole jaamal paigalseismiseks palju vaja kütust kulutada ja Maa signaalid mõõtmisi ei häiri. Planck kasutas mõõtmisteks kahte instrumenti, mis mõõdavad taustkiirguse sagedusi vahemikus 27 gigahertsi ja 900 gigahertsi vahel.

Kosmoloogide standardmudeli kohaselt hakkas universum vahetult pärast Suurt Pauku ülikiiresti paisuma. Silmapilguga paisus universum 100 triljonit triljonit korda. Selle silmapilgu kestnud inflatsiooni ja järgneva 380 000 aasta jooksul oli universum läbipaistmatu. Tihedus ja temperatuur olid ülikõrged ja osakestevahelised põrked ülisagedased, mis takistas footonitel levida üle universumi. Osakesed ja tavaaine olid tihedalt seotud footonitega, moodustades ühtse mateeria ja kiirguse „vedeliku“. Gravitatsiooni ja kiirgusrõhu koosmõju hoidis ära fluktuatsioonide kasvu.

380 000 aasta vanuselt pärast Suurt Pauku oli universum paisunud, nii et selle tihedus ning temperatuur parasjagu vähenenud 3000 kraadini (ehk kaks korda pisemaks kui praegu Päikese pinnal), et prootonid ja elektronid said ühineda vesiniku aatomiteks. Tol ajal oli universum tuhat korda pisem praegusest ja selle temperatuur tuhat korda suurem nüüdse universumi keskmisest temperatuurist. Elektronid kadusid footonite vaateväljalt ja see sidestas nad omavahel lahti. Sündis omasoodu mööda universumit reisiv valgus. Need algsed footonid elavad siiamaani ja hulguvad mööda universumit ning moodustavad taustkiirguse lainepikkusega mikrolainealal. Kiirgust iseloomustab musta keha temperatuur, mis sellise kiirguse kiirgaks. Taustkiirguse temperatuur on üsna absoluutse nullkraadi lähedane, 2,7 kraadi Kelvinit.

Mikrolaineline taustkiirgus ei ole ühtlane, esinevad tillukesed temperatuuri kõrvalekalded ehk fluktuatsioonid, mille muster on jäädvustanud pildi aine jaotusest ajal, mil valguskiirgus vabanes.

Komilise mikrolainelise taustkiirguse avastasid 1964. aastal USA raadioastronoomid Arno Penzias ja Robert Wilson, teenides selle eest 1978. aastal Nobeli preemia. 1992. aastal mõõtis NASA kosmilise taustkiirguse satelliit COBE, et kiirgus pole ühtlane, vaid mustriline, kandes informatsiooni universumi alghetkedest.

Praegune kosmoloogide standardmudel kirjeldab suurtel ruumiskaaladel tasast, homogeenset universumit, kus valitseb tumeaine ja tumeenergia. Selle mudeli õigsust kinnitasid 2001. aastal lähetatud kosmosejaama WMAP andmed. Nende kohaselt moodustusid esimesed tähed, kui universum oli 400 miljoni aasta vanune.

Planck saatis kosmoloogidele mõned vihjed, et nende mudel vajab kohendamist. Nimelt ei sobi suurtel vaatenurkadel mõõdetud fluktuatsioonid standardmudeliga kokku. Üks võimalikke seletusi on, et universum ei ole suurtes skaalades siiski igas suunas ühesugune.

Astronoomia | Kosmoloogia | News | vänge.lugu

Astronoomid: tumeenergia tõenäosus on 99,996 protsenti

09.10.2012

Tumeenergia nimeline müstiline ollus, mis kihutab takka universumi paisumist, on tõepoolest olemas. Nõnda kinnitavad Portsmouthi Ülikooli professor Bob Nichol ja tema kolleegid-astronoomid Kuningliku Astronoomiaühingu kuumärkmete septembrinumbris. Pärast kaks aastat kestnud tööd järeldasid teadlased, et tumeenergia eksisteerimise tõenäosus on tõeliselt imesuur ning isegi NLiidu kunagiste hääletamiste tulemuste osavõttu ületav 99,996 protsenti.

„Tumeenergia on siiani jäänud üheks nüüdisaja suuremaks teaduslikuks müsteeriumiks, nii et pole ime, et paljud teadlased selle esinemist küsitavaks peavad,“ ütles Nichol Kuningliku Astronoomiaühingu pressiteates. Üle kümne aasta tagasi tõdesid kauge supernoova heledust jälgivad astronoomid, et universumi paisumine tundub kiirenevat. Kiirenemist seostatakse arvatavalt 73 protsenti kosmose sisust täitva tumeenergia tõukejõuga. Teadlased, kes kiirenemise avastasid, võitsid möödunud aasta Nobeli füüsikapreemia, kuid tumeenergia on ikka vaidluste teema. Selle esinemise tõestuseks on kasutatud mitmeid tehnikaid, kuid need on olnud kas kaudsed või ebatäpsed. Selge tõendus tumeenergia kasuks tuleb astronoomide Rainer Sachsi ja Arthur Wolfe’i nime kandava efekti läbi. Suurest Paugust säilinud kosmiline mikrolaineline taustkiirgus on jälgitav üle kogu taeva. 1967. aastal oletasid Sachs ja Wolfe, et valgus sellest kiirgusest muutub veidi sinisemaks, kui läbib mateeriakämpude gravitatsioonivälju ehk siis toimub gravitatsiooniline punanihe. 30 aasta pärast pakkusid Robert Crittenden ja Neil Turok välja, et astronoomid peaksid otsima selle valguse footonite energia väikesi muutusi ja võrdlema kiirguse temperatuuri jaotust galaktikate kaartidega.

Kui tumeenergiat poleks, siis need kaks kaarti teineteisele ei vastaks. Kui aga tumeenergia on, siis viib see kummalisele efektile, et kosmilise mikrolainekiirguse footonid läbi massikämpude liikudes saavad energiat juurde.

2003. aastal Sachs-Wolfi efekt mõõdeti, kuid signaal oli nõrk ja vastavus kaartide vahel väike. Nüüd on teadlased tulemusi uuesti põhjalikult analüüsinud ja järeldavadki oma kaheaastase töö põhjal tumeenergia esinemise ülikõrget tõenäosust. 99,996 protsenti.

Mis tumeenergia on, seda ei tea seni veel keegi.

Allikas: Royal Astronomical Society

Füüsika | Kosmoloogia | mis.toimus | News

Higgsi osakese ilmumine Dublinis

07.08.2012

Kui te olete kaotanud nõela heinakuhja, siis mõtlete ja kõnelete sellest nõelast palju enam, kui kõigist teie õmbluskarbi nõeltest kokku. Seesama seadus kehtib ka füüsikas.

Juuli teisel nädalal Dublinis toimunud Euroteaduse avatud foorumil ilmnes see avatumalt kui mõnes muus paigas. Mitme füüsiku poolt kuue aastakümne eest välja mõeldud mehhanism, mis andis paberil luua jõuvälja, mille kandjad omakorda andsid paberil osakestele massi, on köitnud kõrgeid energiaid uurivate füüsikute, aga viimased paar aastat ka laiema avalikkuse meeli enam kui meie elu reaalselt sekkuvad elektronid ja prootonid, neutronid ja footonid. Köitis meeli, kuna seda Peter Higgsi nime kandvat osakest ei ole siiani ilmkindlalt kätte saadud.

Osatäitjad

Iirimaa pealinna konverentsikeskuse tõmbevälja koondunud 4500 teadlast, poliitikut, ärimeest ja kunstiinimest ilmutas eriti suurt huvi loengute vastu, mis mingilgi moel Higgsi osakesega seondusid. Oli see siis üheks maailma värvikamaks kosmoloogiks ja edukamaks teaduskirjanikuks kujunenud USA Harvardi Ülikooli füüsikaprofessor Lisa Randall – valge pluus, pikad sirged heledad juuksed, kahe käega kõnepuldist kinni – , või uversumi võimalikku ehitust kirjeldava superstringiteooria rajaja ja populaarne teaduskirjanik Columbia Ülikooli füüsikaprofessor Brian Greene – avatud särgikaelus kuue all, vaba kõnepuldi poos –, kes rabas publikut standardmudeli võrrandi osalise hiiglaslikult pika energialiikmega: „Stringide maailm ei ole üldse meie maailma sarnane, see on täielikult matemaatiline konstruktsioon!“.

Jah, ja muidugi CERNi peadirektor professor Rolf-Dieter Heuer – väärikalt hallid habe ja juuksepärg, vältimatult tume ülikond, hele särk, punane lips – mööda peasaali lava tuiskamas, mikrofon pea küljes, pidulikult kuulutamas: „Me siseneme tumedasse Universumisse!“

Higgsi osakest on nimetatud Jumala osakeseks. Paradoks on selles, et kuigi enamik kõrge energia füüsika inimesi kuulutab end leebemal või karmimal moel ateistideks, ilma Jumala nimeta nad ei pääse. Lisa Randall reklaamib oma värskemat raamatut, mille pealkirjaks on „Koputades Taeva uksele.“ „Knocking on Heavens Door.“ Bob Dylani laulu pealkirja on kosmoloog pannud nimeks Universumi ehitusest pajatavale raamatule.

Rolf Heuer on oma LHC ja Higgsi bosoni jutuga suurem staar kui Bob Geldof oma jutuga, et kasv on eufemism ahnusele. Mõlemat kuulatakse hingevärinal, kuid erinevus on selles, et iga Heueri sõna usutakse. „Me oleme ehitanud supermikroskoobi!“ kuulutab ta. Heueri esinemine on ilmekas, ta kord mõtleb, kord ütleb laval, kord kujundab kätega õhus hoogsalt algosakeste trajektoore, kord muutub ta liikumine hüplikuks, siis suisa tantsib.

Lisa Randall on vaoshoitum. Tema püsib puldis, kuid ei hoia oma emotsioone varjul ometigi.

Ta tsiteerib Suzanne Vega laulusõnu: „Mis on nii väike teie jaoks, on nii suur minu jaoks, kui see on viimane, mida ma näen, panen teid nägema.“

Suured energiad ja väikesed vahemaad, see on see mängumaailm, kus hirmkalliste osakeste kiirenditega askeldavad füüsikud – kellest enamik pole osakeste põrgutit näinudki, vaid vahib päevade ja ööde kaupa arvutiekraani. Mõõtkava loeb, ja mikromaailma nägemiseks tuleb sellesse sisse suumida. Inimskaala ei ole universumi skaala, inimese jaoks tundub see olevat liiga suur. Nõndasamuti tundub inimese jaoks algosakeste skaala olevat liiga väike. Inimene on nende kahe vahel. Kui logaritmilises skaalas mõõta – milles sama pika lõigu moodustab kümme või sada või sada miljonit –, tegutseb inimene täpselt vahepeal.

Libreto

Kui inimene poleks sfäär, siis oleks mure murtud, kõik oleks sümmeetriline. Kuid inimene ei ole sfäär, isegi mitte omaenese peegelpilt. Parem ja vasak ei ole üks ja sama. Ühest väikesest sümmeetria rikkumisest tuleneb ka osakeste ja kogu meile teada oleva mateeria mass. Häda meile, et seda teadaolevat mateeriat on nõnda vähe, vaid neli sajandikku arvatavast kogumateeriast.

Pistan küsimuse massiivsest universumist arutleva seminari juhataja pihku. Kust saab massi Higgsi osakene, mis kõigile teistele massi annab? „Iseendalt,“ kõlab vastus. Lihtsalt, selgelt, veidi põlglikultki. Kas te siis ei teagi või? Tunnistan iseendale vaikselt, et ega ei tea ikka küll.

Iga loll oskab kaks rongi kokku põrutada. Targem peab olema, et Genfis LHC peal kaks prootonite kimpu kokku põrutada. Kuid katsu sa pärast kokkupõrget aru saada, et mis oli mis ja kes oli kes ja kus oli kus. Heuer ja tema kolleegid kinnitavad, et nemad nüüd teavad, täpsusega üks osa miljonist.

Teavad, ja kinnitavad, et on avastatud uus osake. Et otsiti Higgsi osakest, siis kleepub see nimi uuele külge. Kuid keegi ei väida, et on avastatud just nimelt Higgsi osakene. Või täpsemalt – et on avastatud osakene, mille käitumine vastab teooria poolt välja rehkendatud Higgsi osakesele omasele käitumisele.

Kuid Heuer visandab juba uusi arengusuundi. Osake on peaaegu käes – see avab optimismi, et avanevad uued rahakraanid. Higgsi osake on tunginud füüsikast väljapoole. Heuer näitab slaidilt tõestuseks juuni lõpul Londonis Royal Opera House’s esietendunud romantilise Hector Berliozi ooperi Les Troyens hiljutist lavakujundust. Kus on seal Higgs, jääb üles leida nupukal vaatajal.

„Kolmkümmend aastat kitsendasime energeetilisi piire, kust Higgsi osakest otsida, ja ühe aastaga leidsime üles,“ kuulutab Heuer. Ta ei maini, et USA Fermilabi Tevatron tegi ära olulise töö piiride kitsendamisel. Ei maini sõnagagi. Juhtub, inimene on erutatud. „Tulevik on hele tumedas universumis!“ kuulutab ta. Saalitäis rahvast plaksutab empaatiliselt, sama kaasakiskuvalt kui konverentsi avamisel Iiri sammtantsijatele.

Ruumi taga on piisavalt ruumi. Küsib stringiteoreetik Brian Greene: „Mis meil peaks sellega asja olema?“ Ja vastab: „Tahame ühe idee ühendada ühe mütsi alla. Sest on jäänud küsimus – kus tulevad meie maailma dimensioonid?“

Jah, need dimensioonid. Lisa Randall: „Ruumi geomeetria on peidetud, väikestel vahemaadel ja suurtel energiatel ilmnevad efektid.“ on Randalli uue raamatu pealkiri on „Higgsi avastus: Tühja ruumi võimsus“. Kõlab nagu zen. Küsimus jääb, kas zen ja string kõnelevad ühest ja samast tühjast ruumist.

Tiit Kändler

Teadustoimetaja osavõttu ESOF2012 üritustest toetas ajakirja Nature projekt Nature Stars.

Foto: Tiit Kändler

CERNi peadirektor Rolf-Dieter Heuer kõneles dünaamiliselt Higgsi bosoni avastamise loost ja näitas slaidil, et Peter Higgs nagu teisedki inimesed asuvad oma suuruse poolest täpselt universumi suurimate ja vähimate objektide keskel.

Kosmoloogia | mis.uudist | News

Päikeses võib olla tumeainet

23.07.2010

Kosmoloogid pajatavad meile, et kui ka kõik, mida me näeme, on tõsi, siis näeme me vaid 20 protsenti tõest. Ülejäänud 80 protsenti jääb meie eest varjatuks, on tumetõsi, mis kehastub tumeaines. Kus see tumeaine pesitseb, seda pole veel teada saadud. Kuid nüüd selgub, et väga hästi võib see pesitseda ka Päikese sees. Londoni Ülikooli teadlane Royal Holloway igatahes arvab, et tumeaine konutab Päikese südames ja jahutab meie valgustajat. Tumeaine moodustab meie galaktika ümber halo, nii nagu õpetas teadusmaailmale Jaan Einasto juba … aasta eest. Päike aga liigub läbi tumeaine tuule, spekuleerib Holloway. Mõned tumeaine osakesed võivad kokku põrgata Päikese aatomitega ja sattuda gravitatsiooni lõksu. Nõnda moodustub tumeaine kogukond. Arvutimudel näitas, et selle tulemusena alaneb Päikese tuuma temperatuur. Tumeaine osakesed võivad neelata tuuma soojust ja edastada seda pinnale. See temperatuuri muutus mõjutab tuumareaktsioonide käigus tekkivate neutriinode arvu. Nõnda siis saab neutriinosid registreerides ehk teada ka tumeaine kohta.

Tore on, kuid neutriinosid on üliraske kinni püüda. Neid lendab küll läbi inimese keha igas sekundis 6000 miljardit tükki, kuid meie õnneks neutriinod mateeriaga peaaegu et üldse ei suhtle.

Tumeaine alased katsed plaanitakse korraldada ka Suurel Hadronite Kollaideril.

Allikas: Londoni Ülikool

Telli Teadus.ee uudiskiri