2001 m. gegužę Giovanni Amelino-Camelia patyliukais pradėjo revoliuciją. Vos aštuonių puslapių straipsnis, paskelbtas žurnale Physics Letters B, revoliucijos pradžią priminė nedaug, bet tai buvo mokslinis dinamitas.

   Einšteino specialioji reliatyvumo teorija, aprašanti erdvės ir laiko elgseną ir sujungianti juos į vieną bendrą "erdvę-laiką" iš kartos į kartą buvo perduodama kaip abejonių nekeliantis faktas. Ją remia gausūs eksperimentiniai faktai. Bet Amelino-Camelia sako, kad Einšteinas pasakė ne visą tiesą.

   Toks teginys yra labai kontraversiškas, bet per laiką, praėjusį nuo straipsnio paskelbimo, Amelino-Camelia yra vis tikresnis dėl jo teisingumo. Ir teorija, ir eksperimentas pateikia nuorodų, kad Einšteino teoriją reikia peržiūrėti. Taip mano ne jis vienas. Kiti fizikai irgi išsirengė į kryžiaus žygį prieš specialiąją reliatyvumo teoriją. "Specialiosios reliatyvumo teorijos religija mirė", skelbia Amelino-Camelia.

Giovanni Amelino-Camelia

   Romos universitete "La Sapienca" jis tiria kvantinę gravitaciją - teoriją, bandančią apjungti į vientisą Visatos aprašymą reliatyvumą ir kvantų teoriją. Šioje srityje dirbantys mokslininkai pradėjo reikšti tam tikrą nepasitenkinimą reliatyvumo teorija jau senokai - šią teoriją labai sunku suderinti su kvantų fizika. Ypač erzinantis eksperimentinis faktas yra kosminiai spinduliai, užregistruoti Japonijoje, kurie turi tokią didelę energiją, kad specialioji reliatyvumo teorija tvirtina, kad jų išvis negali būti. Būtent šie kosminiai spinduliai ir privertė Amelino-Camelia suabejoti specialiojo reliatyvumo dogma.

   Kelias buvo kupinas rizikos, bet eidamas juo jis sukūrė naują reliatyvumo teorijos rūšį. Ji ne tik leidžia suvienyti fizikos dėsnius, bet ir neprieštarauja visiems žinomiems stebėjimams.

   Teorija prasideda nuo vienos vienintelės idėjos: egzistuoja tam tikras mastelis, pradedant nuo kurio erdvės ir laiko nebegalima aprašyti įprastinėmis klasikinės fizikos taisyklėmis ir reikia imtis kvantų teorijos. Šis perėjimas žymi ribą, ties kuria keičiasi žaidimo taisyklės ir kurią galima išreikšti tam tikra energija ar tam tikru ilgiu. Fizikams ilgis ir energija yra susieti tarpusavyje: pavyzdžiui, fotono energija priklausys nuo jo šviesos bangos ilgio.

   Kol kas nieko ypatingo lyg ir nėra, bet ši iš pažiūros nekalta idėja tiesiogiai prieštarauja specialiajai reliatyvumo teorijai. Pasižiūrėkime, pavyzdžiui, į slenkstinį ilgį. Anot Einšteino teorijos, ko nors ilgis priklausys nuo to, kas jį matuoja. Jeigu jūs nejudate ir matuojate pralekiančios artimu šviesos greičiui greičiu dalelės ilgį, pamatysite, kad jis yra gerokai trumpesnis nei būtų tuo atveju, kai dalelė vos vos slinktų. Tai yra vadinama Lorenzo suspaudimu ir priklauso nuo to, kaip stebėtojas juda objekto atžvilgiu.

   Prieštaravimas išryškėja, jeigu įsivaizduosime dalelę, kuri yra kiek ilgesnė nei slenkstinis ilgis. Pasak Einšteino, vienaip judą stebėtojai dalelę matys sutrauktą mažiau slenkstinio ilgio, o kiti, kurie judės kitaip, tvirtins, kad dalelės ilgis vis dar yra didesnis nei slenkstinis. Kuomet stebėtojai nutars aprašyti dalelės elgseną, jų atsakymai bus skirtingi, nes vieni naudos klasikinę erdvę-laiką, o kiti jau pasitelks kvantinę teorijos versiją. Kitaip tariant, skirtingiems žmonėms fizikos dėsniai bus skirtingi. Jeigu norime tinkamai aprašyti Visatą, to paprasčiausiai negali būti.

   Yra dar viena problema: kokioje atskaitos sistemoje reikia apibrėžti patį slenkstinį ilgį? Jeigu vienas asmuo sakys: "Jis yra toks.", tai, pagal specialiąją reliatyvumo teoriją, stebėtojams, esantiems judančiose koordinačių sistemose, ilgis bus kitoks.

   Amelinio-Camelia pasiūlė išspręsti šią problemą įvesdamas slenkstinį ilgį ar energiją, kurie yra "invariantiški" - tokie pat visiems stebėtojams. Tik šitaip visi stebėtojai gali sutarti, ar dalelės energija ir ilgis viršija slenkstį, ar ne.

Konstantų derinys

   Kur yra tas slenkstis? Fizikams akivaizdžiausia yra skalė, sudaryta derinant fundamentaliąsias reliatyvumo ir kvantų teorijos konstantas: Plancko konstantą h, gravitacinę konstantą G ir šviesos greitį c. Vienaip jas suderinę gausite ilgį - Plancko ilgį. Suderinkite kitaip ir konstantos duos jums Plancko energiją. Šitaip gausime skalę, kurioje natūralu laukti reliatyvumo ir kvantų teorijos susiliejimo.

   Amelino-Camelia straipsnyje Physics Letters B (vol 510, p. 255) buvo parodyta, kad ši koncepcija veda prie naujos teorijos, kuri tenkina visus kvantų gravitacijos teorijos reikalavimus. Jis pavadino ją "dviguba specialiąja reliatyvumo teorija" (DSR). Jei Einšteino teorija turėjo vieną neperžengiamą ribą - jokios masę turinčios dalelės negali įgreitėti virš šviesos greičio - Amelino-Camelia teorijoje tokios ribos yra dvi: šviesos greitis ir nauja neperžengiama slenkstinė energija arba ilgis.

   Kai tik šis straipsnis pasirodė, pora kitų mokslininkų suvokė, kad Amelino-Camelia gali padėti išspręsti ir jų nagrinėjamus uždavinius. Joao Magueijo, teoretikas, dirbantis Londono Imperial College stengėsi suformuluoti Visatos evoliucijos paaiškinimą. Jis pasiūlė alternatyvą "infliacijai" - idėjai, kad iškart po Didžiojo sprogimo Visata labai sparčiai plėtėsi. Bet Margueijo teorijai reikėjo, kad šviesos greitis būtų kintamas, o tai tiesiogiai prieštaravo Einšteino teorijai. Jis pasiūlė hipotezę, kad nuo pat Didžiojo sprogimo šviesos greitis vis mažėjo.

   Margueijo pripažįsta, kad, nors tokia prielaida ir paaiškino daug kitaip nesuprantamų astronominių stebėjimų, pats kintantis šviesos greitis buvo niekuo nepagrįstas. Laimei, Amelino-Camelia DSR teorija leido išspręsti šį prieštaravimą.

Joao Margueijo

   Įvedus slenkstinę energiją gaunama keista išvada: DSR teorijoje šviesos greitis priklauso nuo fotonų energijos. Ankstyvosios Visatos dalelės turėjo labai dideles energijas, todėl tipiškas šviesos greitis buvo kiek didesnis, nei stebime šiandienos eksperimentuose.

   Būtent to ir ieškojo Margueijo. Amelino-Camelia idėjos sužavėjo ir jo kolegą, dirbantį tame pat pastate. Lee Smolin praleido 10 metų kurdamas "kilpinės kvantinės gravitacijos" teoriją, kurioje erdvės-laiko audinį sudaro mažyčiai paketai, arba kvantai, surišti į kažką panašaus į putas. Teorija darėsi vis vientisesnė, bet Smolin vis dar turėjo problemų: kai kurių skaičiavimų rezultatai prieštaravo specialiąjai reliatyvumo teorijai.

Pakeistas požiūris

   Smolin šovė į galvą, kad atsakymas gal slypi tame, kad Plancko ilgis visiems stebėtojams atrodo toks pat, bet jis prisipažįsta, kad nesugebėjo perrašyti reliatyvumo teorijos, kuri tenkintų tokią prielaidą. Būtent Margueijo įtikino, kad tai yra įmanoma padaryti. Smolin ir Margueijo veikiai susikūrė savo DSR teoriją (Physical Review Letters, vol. 88, p. 190403). Šiuo metu Margueijo, Smolin ir Amelino-Camelia kartu dirba šioje revoliucinėje srityje.

   Ką ši nauja teorija pasakoja apie mūsų Visatą? Pagrindinis Einšteino teorijos principas - invariantiškas greitis - išlieka. Bet Einšteinas galėjo žinoti tik apie eksperimentus, kuriuose šviesos bangos ilgis buvo didelis, o energija maža. Todėl greičio invariantas, kurį Einšteinas vadino "šviesos greičiu" DSR teorijoje atitinka tik mažos energijos šviesos kvantų greitį. Didesnės energijos kvantai gali judėti kiek greičiau. Ir, jei specialioje reliatyvumo teorijoje skirtingiems stebėtojams objektai atrodys judą skirtingais greičiais, DSR teorijoje bet kas, kas juda lėčiau už invariantinį greitį atrodys lyg keistų savo judėjimo greitį.

   Taigi, specialioji reliatyvumo teorija leidžia šviesos greičiu judantiems fotonams atrodyti skirtingos spalvos, kai juos stebi įvairūs stebėtojai, o DSR eina kiek toliau. Skirtingos spalvos čia judės skirtingais greičiais. Taip bus dėl to, kad skirtingos spalvos atitiks skirtingoms energijoms, o DSR teorijoje tai paveiks šviesos greitį.

   Vien šie faktai gali pakeisti įprastinę kosmologiją. Apie 20 metų kosmologai kūrė infliacinį Visatos istorijos modelį. Jis buvo pasiūlytas tam, kad būtų galima paaiškinti, kodėl temperatūra ir tankis Visatoje yra tokie vienalyčiai. Kai šviesos greitis yra baigtinis, dalelės ir spinduliuotė gali išsklisti po Visatos dydžio erdvę tik iki tam tikros ribos, taigi neaišku, kaip buvo pasiektas dabar stebimas santykinis homogeniškumas? Jeigu prieš staigų plėtimąsi viskas buvo fiziniame kontakte, tas homogeniškumas nekeltų problemų.

   Nors infliacija paaiškina kai kuriuos Visatos istorijos bruožus, bet ji paaiškina ne viską. DSR, savo ruožtu, paaiškina viską, ką padaro infliacija, ir dar truputį daugiau. DSR teorijoje, didelės ankstyvosios Visatos dalelių energijos reiškia, kad tuomet šviesa sklido greičiau nei dabar. Tos Visatos dalys, tarp kurių šiandien nėra jokio ryšio, tada galėjo bendrauti tarpusavyje, nes šviesa dar sklido pakankamai greitai.

   DSR taip pat numato greitėjantį mūsų Visatos plėtimąsi, kurio nepaaiškina infliacijos teorija. Fizikai dažnai priskiria šį pagreitį "tamsiajai energijai", bet niekas tiksliai negali pasakyti, kas tai yra. Yra pasiūlyta nemažai įvairių mechanizmų. Vienas jų siūlo tamsiąją energiją įsivaizduoti manant, kad tai yra ekvivalentiška kiek išlinkusiai, o ne plokščiai erdvei; joje atsiranda elastinės įtampos, verčiančios Visatą plėstis į išorę.

   Laura Mersini, Mar Bastero-Gil ir Panagiota Kanti iš Pizos neseniai parodė, kad pakeitus Einšteino sąryšį E=mc² gaunasi būtent tokia, kreiva erdvė. Kitaip tariant, DSR įvedami pakeitimai leidžia paaiškinti ir "tamsiąją energiją".

   Galbūt svarbiausia yra tai, kad DSR leidžia paaiškinti kitaip nesuprantamus kosminių spindulių tyrimus, atliktus Japonijoje. Jau apie 10 metų mokslininkai, dirbantys Tokijo universitete stebi kosminius spindulius, apie kuriuos specialioji reliatyvumo teorija sako, jog jų negali būti.

   Kosminiai spinduliai yra dalelės, atsiradusios galinguose įvykiuose, pavyzdžiui, sprogus supernovoms. Tos dalelės milžinišku greičiu skrieja kosmine erdve. Jei jų energija yra pakankamai didelė, reliatyvumo teorija sako, kad bet kuris dūžis su mažos energijos fotonais ves prie jų sunaikinimo. Iki to laiko, kol kosminiai spinduliai pasieks Žemėje pastatytus detektorius, juose nebegali būti dalelių, kurių energijos didesnės nei 5 1019 eV. Tai yra vadinama Greisen-Zatsepin-Kuzmin riba. Bet per pastarąjį dešimtmetį japonų mokslininkai iš Akeno laboratorijos ne kartą stebėjo kosminius spindulius, pažeidžiančius GZK ribą ir specialiąją reliatyvumo teoriją.

Ribą galima pakelti

   DSR tai nesukelia jokių problemų: ši teorija pakeičia energijas, prie kurių dalelės atsiranda arba suyra. Amelino-Camelia parodė, kad egzistuoja visa eilė DSR teorijų, leidžiančių išspręsti kosminių spindulių galvosūkį, nors iki šiol ir nėra aišku, kuri iš teorijų tam tinka geriausiai.

   Bet čia ir slypi DSR Achilo kulnas - ši teorija neduoda teigiamo įrodymo. DSR tegali tvirtinti, kad ši teorija neprieštarauja rezultatams, kurie atsiranda tiriant kosminius spindulius.

   Kai kurie žmonės mano, kad to nepakanka. John Ellis, teoretikas iš CERN Ženevoje nemano, kad dėl kosminius spindulius tiriant gautų rezultatų peržiūrėti Einšteino teorijos nebūtina. Kosmologas ir Nobelio laureatas iš Harvardo universiteto Sheldon Glashow sutinka su juo: jis nemato jokių faktų, verčiančių jį manyti, kad reiktų keisti specialiąją reliatyvumo teoriją.

   DSR šalininkai patys sutinka su tuo, kad kosminių spindulių eksperimentai gali būti interpretuojami nevienareikšmiai. GZK ribą viršija tik nedaug spindulių, todėl daug fizikų mano, kad šias anomalijas galima aiškinti neteisinga eksperimentų interpretacija.

   Viską lems eksperimentai. Bet daugelis eksperimentų, kuriuose gali pasireikšti DSR, turi būti atlikti su tokia skyra, kokią šiandien yra neįmanoma pasiekti. Pavyzdžiui, skirtumas tarp maksimalaus Visatoje įmanomo greičio ir šviesos greičio yra labai mažas ir jo nepavyks užfiksuoti su jokiu iš šiandien turimų prietaisų. Tas skirtumas kiek išauga tik tuomet, kai dalelių energija yra labai didelė.

   Skirtumai tarp specialiosios reliatyvumo teorijos ir DSR pradės reikštis apie Plancko ilgį: 10-35 m. tai yra tik 10-20 protono skersmens dalis. Tokių ilgių ir juos atitinkančių energijų neįmanoma pasiekti net ir galingiausiuose šiandieniniuose greitintuvuose.

   Galbūt daugiau eksperimentinių rezultatų atsiras 2006 m., kai bus paleistas NASA Gama spindulių teleskopas GLAST, galėsiantis registruoti iš tolimų galaktikų atskriejančius labai didelės energijos gama spindulius. Be to iki to meto jau pradės veikti ir kosminius spindulius tirsianti nauja Pierre Auger vardo observatorija Argentinoje.

   DSR teorijai tėra vos pora metų, todėl galima tikėtis, kad atsiras ir kitų pasiūlymų eksperimentams. Fizikai gali bet kuriuo metu sugalvoti būdą, kaip pakankamai tiksliai įvertinti teorijos teisingumą. Magueijo įsitikinęs, kad DSR greitai pradės naudoti daug fizikų. Jeigu jie pasirodys esą teisūs, Einšteino valdymui ateis galas. Kuomet XX a. fizikos rūmas pradės trupėti jūsų akyse, nesakykite, kad niekas jūsų dėl to neperspėjo.