Kosmiline kameeleon

Kameeleonväli on hüpoteetiline väli, mis end Maa peal eksperimentaatorite eest kameeleonina peidab, kosmoses aga kiirendab universumi paisumist.

Füüsikateoreetik seisab tihti silmitsi murega: ta on leidnud idee, mis mingi nähtuse suurepäraselt ära seletab, kuid soovimatu lisana ennustab sama mudel teisi asju, mis lähevad vastuollu katsetest saadud teadmistega. Et päästa mudelit, kus tavalistele osakestele on lisatud üks või kaks uut elementaarosakest, peab teoreetik näiteks eeldama, et uute ja senituntud osakeste vahelised jõud on erakordselt nõrgad. Mitte võimatult, kuid ebaloomulikult nõrgad.

Kerge skalaarväljaga, mis tumeda energiana võib kiirendada universumi paisumist, on olukord just selline. "Kerge välja" all mõeldakse, et väljaga seotud osakeste mass on väike. Kui väli on kerge, on välja vahendatud jõu mõjuraadius suur, kuid 1970. aastatel alanud otsingutest hoolimata pole keegi sellist viiendat jõudu leidnud; neli tuntud fundamentaalset jõudu on tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooni- ehk raskusjõud. Seega ei jää muud üle, kui oletada, et välja vastastikmõju tavalise ainega, millest koosneme meie, on väga väike - temaga seotud jõud on väga nõrk.

Justin Khoury ja Amanda Weltman USA-st tulid 2004. aastal teistsugusele mõttele. Kui väljaosakeste mass pole muutumatu, vaid on võrdeline ümbritseva aine tihedusega, on viienda jõu mõjuraadius Maa peal väga väike. Säärane jõud võib olla tugev, kuid tekib kehade vahel ainult siis, kui need on väga lähestikku, ning katseliselt on seda üpris raske avastada. Kosmosetühjuses on väljaosakesed kerged ja väli võib mängida tumeda energia rolli. Säärasele end eksperimentaatorite eest peitvale väljale andsid Khoury ja Weltman tabava nimetuse kameeleonväli.

Seni arvati, et Suure Pauguga alanud universumi paisumine aeglustub: esialgse hoo võtab maha galaktikaparvede vaheline külgetõmme. 1998. aastal tegid astronoomid üllatava avastuse. Kaugeid supernoovasid vaadates selgus, et pärast ligi üheksa miljardit aastat kestnud pidurduvat paisumist on universum viimased viis miljardit aastat paisunud kiirenevalt. Einsteini üldrelatiivsusteooria seletab kiirenemist kõige lihtsamalt tumeda energiaga. Igaüks tunneb maakera gravitatsioonilist tõmbejõudu, ent erinevalt tavalisest ainest ja energiast tekitab tume energia hoopis gravitatsioonilise tõukejõu.

Universumi paisumise kiiruse järgi saab arvutada tumeda energia tiheduse. See on väga väike. Ometi on seda piisavalt, et lahendada üks teine astronoome vaevanud probleem. Kosmilise taustkiirguse vaatlustest on teada, et universum on tasane: suure täpsusega kehtib eukleidiline geomeetria, kus kolmnurga sisenurkade summa on 180 kraadi. Üldrelatiivsusteooria järgi määrab universumi geomeetria aine tihedus. Teatud kriitilise tiheduse juures on universum eukleidilise geomeetriaga. Tavalise aine tihedus on 4 protsenti kriitilisest, tumeda aine tihedus 22 protsenti. Kokku annavad tavaline aine ja tume aine ainult umbes veerandi kriitilisest tihedusest. Leiti, et ülejäänud 74 protsenti moodustab tume energia.

Mis on tume energia? Lihtsaim võimalus on seda kirjeldada kosmoloogilise konstandiga. Vaakumi energia ehk kosmoloogiline konstant on energia, mis jääb tühja ruumi, kui seal pole osakesi ega välju. Einsteini üldrelatiivsusteoorias tekitab gravitatsioonivälja peale massi ja energia ka rõhk. Erinevalt näiteks gaasist tekitab tume energia negatiivset rõhku. Negatiivne rõhk aga tekitab gravitatsioonilist tõukejõudu ning viib universumi paisumiseni.

Negatiivne rõhk pole täiesti ebamaine: seda saab tekitada vees, kui see silindris kolbi väljapoole tõmmates ettevaatlikult välja venitada. Kui siis silindrisse auk teha, ei pritsi vesi välja nagu positiivse rõhu korral, vaid imeb väljast õhku sisse.

Vaakumi energia käitub tavalisest ainest ja kiirgusest üpris erinevalt. Universumi paisudes aine ja elektromagnetkiirguse energiatihedus kahaneb, sest üha hõredamaks jäävaid osakesi ei tule kusagilt juurde ning paisumine "venitab" valguslained välja. Kuid vaakumi energia tihedus jääb aja möödudes samaks: igas kuupmeetris on paisumisest hoolimata sama hulk vaakumi energiat.

Ruumis on aine koondunud tähtedesse, galaktikatesse ja galaktikaparvedesse - kuid kosmoloogiline konstant on ühesugune täheparvede südames ja suurtes tühikutes nende vahel.

Kõik astronoomide vaatlusandmed sobivad praegu hüpoteesiga, et tume energia on tõepoolest muutumatu. Kui asi on nõnda, ei anna järgnevad mõõtmised midagi peale konstandi üha täpsema väärtuse, selle päritolu jääb aga mõistatuseks.

Tegelikult ei tea keegi, mida tume energia endast kujutab. Osakestefüüsikutele meeldib märksa enam võimalus, et tume energia muutub aja möödudes või on gravitatsioon seda galaktikaparvede ümbrusesse koondanud. See oleks tõend, et tume energia pole konstant, vaid et seda võib seostada energiaga, mida kannab mõni senitundmatu skalaarväli.

Skalaarväli

Skalaar on füüsikaline suurus, näiteks temperatuur, mis on antud ühe arvuga ega sõltu suunast. Skalaarväli seob ühe arvu iga aegruumi punktiga. Kui Tallinnas on sooja 25 °C, võib Tartus olla 30 °C; õhutemperatuur muutub päeva jooksul.

Kvantväljateoorias on iga osakesega seotud väli ja iga väljaga osake. Skalaarväljad kirjeldavad osakesi, mille spinn on null. Ühtegi skalaarset kvantvälja pole eksperimendis siiani leitud, kuid ilma nendeta ei saa. Elementaarosakeste Standardmudelis annab skalaarne Higgsi väli teistele osakestele massi. Tugeva vastastikmõju teooria ennustab kerge skalaarosakese aksioni olemasolu. Mitmeid skalaarvälju ennustavad stringiteooriad ja supersümmeetrilised väljateooriad. Näiteks stringiteooria ennustab, et skalaarväli dilaton määrab vastastikmõju aine ja gravitatsiooni vahel.

Eksperimentaalsed piirangud

Skalaarväli, mis põhjustab universumi paisumise, peab olema ruumis väga ühtlane: muidu oleks selle mõju näha galaktikaparvede paiknemise jaotuses. Kus tumedat energiat rohkem, oleksid galaktikaparved üksteisest kaugemale laiali lennanud. Midagi säärast aga leitud pole. Kui vaatlused lähevad täpsemaks, on aine jaotuse täpne määramine kosmoses mõistagi üks võimalus säärase skalaarvälja avastamiseks.

Ka välja ajas muutumise kiirus peab olema erakordselt väike. Välja tugevus kosmoses ei tohi kuigivõrd muutuda miljardite aastate jooksul. Kui skalaarväli on vastastikmõjus footonitega, muutub skalaarvälja tugevuse muutumise mõjul elektromagnetilise vastastikmõju tugevus. See mõjutab aatomite kiiratud valguse spektrijoonte asukohta. Astronoomid uurivad ligi 10 miljardi aasta eest kiiratud kvasarite valguse neeldumist galaktikate gaasi aatomites, mida valgus meieni jõudes läbib. Neeldumisspektrite järgi võib elektromagnetilise vastasmõju tugevus olla muutunud 1/10 000 võrra, kuid see pole täiesti kindel.

Ruumis ühtlaselt jaotunud skalaarvälja energia saaks olla tume energia, kui väli on väga kerge, suurusjärgus 10-³³ eV. Nagu sissejuhatuses öeldud, seavad viienda jõu otsimise eksperimendid kergete väljade vastastikmõjule tavalise ainega tugevad piirid.

Kameeleonefekt

Khoury ja Weltman tulid teravmeelsele mõttele, kuidas eksperimendiga seotud piiridest kõrvale hiilida. Kui välja vastastikmõjul ainega on teatud spetsiifiline kuju, sõltub selle osakeste efektiivne (näiv) mass ümbritseva aine tihedusest.

Muutuva massiga osakesed? Sel on eksootiline kõla, kuid tegelikult pole muutuvas massis füüsikutele midagi tundmatut. Osakese inertse massi suurus näitab, kui raske on muuta tema kiirust. Kui osake ei ole vaakumis, vaid mingis keskkonnas, on ta sellega vastastikmõjus ja tema kiiruse muutmiseks tuleb mõjutada ka keskkonda. Näib, nagu oleks osake raskem.

Osakestefüüsikas on see efekt tuntud Higgsi mehhanismist, kus muidu massita aineosakesed saavad massi konstantses Higgsi väljas liikudes. Midagi taolist toimub ka kameeleonvälja korral, ainult keskkonnaks on siin tavaline aine.

Tihedas aines, näiteks Maa sisemuses või atmosfääris, on kameeleonosakesed rasked. Viies jõud võib olla sama tugev kui gravitatsioon, ent kui selle mõjuraadius on väiksem kui millimeeter (vt "Mass ja mõjuraadius"), on seda maapealsetes eksperimentides raske avastada. Kosmoses, kus vaakum on parem kui seda suudetakse teha laboris, on kameeleonosakesed kerged ja viienda jõu mõjuraadius 10 kuni 10 000 astronoomilist ühikut (aü = Maa keskmine kaugus päikesest, umbes 150 miljonit kilomeetrit). Kerge konstantse tugevusega kameeleonväli saab seal mängida tumeda energia rolli.

Tihedast keskkonnast hõredasse üleminekul on piirkond, kus kameeleonvälja mass järsult muutub. Maakeral ja teistel planeetidel on selleks õhuke kest, mille paksus on umbes üks kümnemiljondik Maa raadiusest. Kuigi viienda jõu mõjuraadius on kosmoses piisavalt suur, et ühelt planeedilt teisele ulatuda, on planeetidevaheline viies jõud võrreldes nendevahelise gravitatsioonijõuga tühine. Gravitatsioonis osaleb terve planeedi mass, viiendas jõus aga vaid õhuke kest. Seetõttu pole võimalikku kameeleonvälja mõju planeetide liikumisele näha.

Päikesel tekkivaid uusi skalaarseid osakesi otsib CERN-i aksioniteleskoop. Midagi leitud pole. Tavaliste skalaarosakeste jaoks tähendab see tugevaid piire nende vastastikmõjule ainega. Kameeleonosakeste korral aga paneb piiri nende tekkimisele jällegi mass: Päikese sees on kameeleonosakesed rasked ja neid tekib väga vähe.

STEP ja SEE

Kuna kameeleonväli on kosmoses kerge, on seda lootus leida lähituleviku tehiskaaslase-eksperimentides, mis on mõeldud üldrelatiivsusteooriast kõrvalekaldumiste otsimiseks. Tehiskaaslase õigete mõõtmete korral õhukest üleminekukihti ei teki ja ka tehiskaaslase sees on väli sama kerge kui väljas vaakumis.

Tehiskaaslase mõõtmed on palju väiksemad kui kameeleonvälja mõjuraadius avakosmoses: tema sees kameeleonväli praktiliselt ei muutu ja käitub nagu tavaline massitu väli. Kehade vahel mõjub raskusjõule lisaks kameeleonväljaga seotud viies jõud. Kui kameeleonväli on olemas, võib kavandatav SEE (Satellite Energy Exchance - tehiskaaslase energiavahetus) tehiskaaslane tänu lisajõule mõõta katsekehade vahel raskusjõust kaks või kolm korda tugevamat külgetõmmet.

Viies jõud võib endast märku anda ka ekvivalentsusprintsiibi rikkumisena. Füüsikatunnist teame, et õhust tühjaks pumbatud klaastorus kukuvad raudkuul ja udusulg sama kiiresti ühest otsast teise - keha inertne mass, millega ta "paneb vastu" oma kiiruse muutumisele, ja sama keha raske mass, millele mõjub raskusjõud, on üksteisega võrdsed. Seetõttu mõjub erineva koostisega kehadele gravitatsiooniväljas täpselt sama kiirendus. See erinevalt defineeritud masside samaväärsuse ehk ekvivalentsuse printsiip on Einsteini üldrelatiivsusteooria peamiseks aluseks. Eksperimentaalselt on printsiipi kontrollitud täpsusega 10^-12. Mingeid kõrvalekaldeid pole leitud.

Ekvivalentsusprintsiip kehtib ainult gravitatsiooni jaoks. Näiteks magnetväljas kukuks raudkuul palju kiiremini kui udusulg. Samuti pole alust eeldada, et kameeleonvälja viies jõud on kõigi ainete vahel ühetugevune. Kergete elementide aatomituumades on prootonite ja neutronite suhe suurem kui rasketes, Mendelejevi tabeli lõpust pärit elementide tuumades. Berüllium on kergmetall; tema peamise isotoobi tuumas on 4 prootonit ja 5 neutronit, mille arvude suhe on 0,8. Raskmetall iriidiumi aatomituuma prootonite arv on 77, neutronite arv 115 ja nende suhe 0,67. Kui näiteks prootonite vaheline viies jõud osutuks veidi nõrgemaks kui neutronite vaheline, tõmbaksid berülliumist katsekehad üksteist nõrgemini külge kui iriidiumkehad.

USA/Euroopa kavandatud ühiseksperiment STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle - ekvivalentsusprintsiibi test tehiskaaslasel) töötab just sel põhimõttel. Maa tehiskaaslases plaanitakse mõõta testmasside omavahelist kiirendust, mis neil tekib orbiidil vabalt langedes. Nii tehniline keerukus kui täpsus on mõistagi võrratult suuremad kui ekvivalentsusprintsiibi maapealsetes kontrollkatsetes: STEP suudab mõõta raske ja gravitatsioonilise massi erinevust täpsusega kuni 10^-18. Kui kameeleonväli on olemas, on lootust seda selles katses leida.

Kameeleon ja valgus

Uut füüsikat ei pea tingimata otsima miljardeid eurosid maksvate kiirenditega. PVLAS-eksperiment (itaalia Polarizzazione del Vuoto con LASer - vaakumi polariseerimine laseriga) Itaalia Rahvuslikus Tuumafüüsika Instituudis Padovas püüab leida uute osakeste mõju valgusele.

Laserikiirel lastakse vaakumkambris palju kordi edasi-tagasi läbi tugeva magnetvälja peegelduda. Magnetväli ei tohiks valgust esimeses lähenduses kuidagi mõjutada: valgusosakesed footonid ei "tunne" üksteist, sest neil pole elektrilaengut. Kui aga footonid võivad muutuda kameeleonosakesteks ja need omakorda footoniteks, saab magnetväli valgusele mõju avaldada. Tugeva magnetväljaga vaakum käitub kui kaksikmurdev kristall: magnetväljaga paralleelselt polariseeritud valguse ja magnetväljaga risti polariseeritud valguse kiirused on veidi erinevad. Sellega seotud efektid on lineaarselt polariseeritud valguse polarisatsioonitasandi pöördumine ja ringpolariseeritud valguse muutumine elliptiliselt polariseerituks.

PVLAS-eksperimendi esimeses järgus leiti, et nii 2,3-teslane kui 5,5 T magnetväli pöörab valguse polarisatsioonitasandit ja muudab ringpolarisatsiooni elliptiliseks. Järgnes rida teooriaartikleid, kus eksperimendiandmeid üritati seletada küll aksionite, küll tavalisest palju väiksema laenguga osakeste, ka kameeleonvälja kaudu.

Paraku ei toonud esimene pääsuke, nagu täppiseksperimentide korral tihti juhtub, kevadet: PVLAS-i teises järgus leidis kinnitust vaid polarisatsiooni elliptiliseks muutumine 5,5 T magnetväljas. Arvutuste järgi langeb sellega ära võimalus, et magnetväli mõjub valgusele aksionite või üliväikese elektrilaenguga osakeste kaudu, sest need ennustavad erinevalt kameeleonväljast peale elliptilisuse ka polarisatsioonitasandi pöördumist.

Kui elliptilise polarisatsiooni teke leiab uutes eksperimentides kinnitust, saab vaakumkambris oleva ülihõreda gaasi tihedust muutes kindlaks teha, kas magnetvälja mõju valgusele vahendab ikka kameeleon. Sarnases Q&A (QED & Axion - kvantelektrodünaamika ja aksion) eksperimendis, kus jääkgaasi oli vaakumis rohkem kui PVLAS-is, magnetvälja mõju valgusele ei leitud. Sel aastal toimuvas BMV (prantsuse Biréfringence Magnétique du Vide - vaakumi magnetiline kaksikmurdumine) eksperimendis on vaakum umbes sama hea kui PVLAS-is, magnetväli aga tugevam. Kui kameeleonväli on olemas, peab seal elliptilisus järelikult olema mitu korda suurem. See on kameeleonväljale otsustavaks testiks.

Casimiri jõud

Maa peal on kameeleonvälja viies jõud imeväikese ulatusega. Kuid säärast jõudu mõõtvad eksperimendid on juba olemas. Hollandi füüsiku Hendrik Casimiri järgi nime saanud külgetõmbejõud esineb üksteisega lähestikku olevate kehade vahel. Seegi jõud on seotud vaakumi energiaga, kuid on sõltumatu sellest, kas kameeleonväli on olemas või mitte.

Casimiri jõu eksperimentides mõõdetakse, kuidas jõud kahe metallplaadi vahel sõltub nende omavahelisest kaugusest. Praegu käivad Casimiri jõu eksperimendid pole piisavalt tundlikud, et tumeda energiaga seotud kameeleonvälja leida. Uute eksperimentide tundlikkust loodetakse aga tugevasti suurendada. Et kameeleonväljaga seotud viies jõud peaks kaugusest sõltuma Casimiri jõust täiesti erinevalt, on suur võimalus kameeleonväli, kui see on olemas, seal leida.

Universumi saatus

Kuigi tumedat energiat on universumis kolm korda rohkem kui tavalist ja tumedat ainet kokku, paisub universum siiani üsnagi aeglaselt. Paisumist pidurdab galaktikate gravitatsiooniline külgetõmme. Ent universumi paisudes aine keskmine tihedus kahaneb, sest seda ei tule kusagilt juurde. Kosmoloogiline konstant jääb aga samaks. Lõpuks ei jõua aine üha kiirenevat paisumist üldse tagasi hoida. Kõige kaugemalt tulevad raadiolained, mida me kosmilise taustkiirgusena näeme, on pärit ajast 400 000 aastat pärast Suurt Pauku. Kiirgus on teel olnud umbes 13 miljardit aastat ja nõnda näeme me ligi 13 miljardi valgusaasta kaugusele. Kuid kiirenevalt paisuvas universumis ei jõua valgus paisumisele järele. Meie silmaring kahaneb pidevalt ja 100 miljardi aasta pärast pole näha muud kui paari lähemat galaktikaparve. Silmapiirilt kaovad ka need. Viimaks rebitakse üksteise järel tükkideks galaktikaparved, galaktikad, tähed, planeedid ja aatomid, millest nad koosnevad. Analoogselt Suurele Paugule nimetatakse seda võimalust Suureks Rebenemiseks (inglise Big Rip).

Kõike seda juhul, kui tume energia on tõepoolest muutumatu ja igavene kosmoloogiline konstant. Kui tume energia on seotud skalaarväljaga, sõltub universumi tulevik sellest, kuidas väli ajas muutub. Skalaarvälja väärtus läheneb oma potentsiaali miinimumile, nii nagu mäeküljel veerev kivike jõuab lõpuks nõkku.

Kui välja väärtus muutub miljardite aastate jooksul nulliks, saavutab aine jälle ülekaalu, aga ei suuda enam paisumist pidurdada. Paisumine aeglustub, kuid kestab edasi. Kui välja energia on lõpuks positiivne, kestab kiirenev paisumine edasi ning viib Suure Rebenemiseni. Kui aga miinimumis on skalaarvälja energia negatiivne, hakkab tume energia tõukejõu asemel viimaks tekitama külgetõmbejõudu. Kui see on küllalt suur, võib universum jälle kokku tõmbuda ja lõpetada Suure Kriginaga (inglise Big Crunch).

*

Kameeleonvälja idee on teravmeelne võimalus peita tumeda energiana esinevat skalaarvälja maapealsete eksperimentaatorite eest. Teisalt ennustab see uusi eripäraseid efekte, mille järgi teda on uutes katsetes hea otsida. Kui kameeleonväli peaks tõepoolest leitama, on see kaudne kinnitus stringiteooriale. Tema lähem uurimine võib öelda mõndagi universumi kauge tuleviku kohta ja aidata kindlaks teha, kas kiirenev paisumine jätkub lõputult.

Mass ja mõjuraadius

Aineosakesed ei mõju üksteisele otse, vaid teiste, jõudu ülekandvate osakeste kaudu. Näiteks arvatakse, et gravitatsiooni kannavad üle gravitonid.

Gravitatsiooniväli kahaneb pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Kui kosmoselaev lendab planeedist kaks korda kaugemale, väheneb tolle külgetõmbejõud neli korda. Gravitatsiooniväli nõrgeneb kauguse suurenedes kiiresti, kuid päris ära ei kao kunagi: tema mõjuraadius on lõpmatu. Ka kaks teineteisest väga kaugel olevat keha tunnevad üksteise külgetõmmet. Väli käitub nõnda tänu sellele, et gravitonidel pole massi.

Näiteks "nõrk" vastastikmõju on tegelikult 10²³ korda tugevam gravitatsioonist, kuid seda vahendavatel osakestel - Z- ja W- bosonitel - on küllaltki suur mass. Tänu sellele kahaneb nõrk vastastikmõju kauguse kasvades palju kiiremini, eksponentsiaalselt. Juba 10^-18 m kaugusel nõrgalt vastastikmõjustuvast osakesest on nõrk väli praktiliselt null.

LOE VEEL

PVLAS-eksperiment - http://www.ts.infn.it/physics/experiments/pvlas/

CERN-i aksioniteleskoop - http://cast.web.cern.ch/CAST/.

KRISTJAN KANNIKE (1978) on lõpetanud Kohila Gümnaasiumi. Õppinud keemiat Tallinna Tehnikaülikoolis ja füüsikat Tartu Ülikoolis. Füüsikamagister (2005). Tartu Ülikooli doktorant. Täiendanud end Helsingi Ülikoolis ja CERN-is. Tööalane tegevus: CERN-i CMS eksperiment ja BalticGrid projekt.

1