Andi Hektor, Kristjan Kannike
Kaks moodsa füüsika alusteooriat, kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria, on pidanud väärikat saja aasta juubelit. Nende loomisest saadik on füüsikud üritanud neid liita üheks ühendteooriaks ehk kvantgravitatsiooniteooriaks. Hoolimata juba peaaegu sajandi kestnud ponnistustest pole see õnnestunud. Viimastel kümnenditel on tekkinud uus lootus, et suudame ehk mõne kvantgravitatsiooninähtuse peatselt looduses ära mõõta.
20. sajandi esimene veerand oli meid ümbritseva füüsilise maailma mõistmisel suurte muutuste aeg. Ühel ajal muutus arusaamine nii mikro- kui ka makromaailma toimimisest. Uued füüsikateooriad – kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria – avasid uksed veidratesse matemaatilistesse maailmadesse, kus igapäevakogemusega on üsna vähe peale hakata. Relatiivsusteooria on oluline väga suurte ja raskete asjade korral, nagu tähed, galaktikad ja terve universum. Kvantmehaanika aga kirjeldab väga väikesi asju, nagu aatomid ja elementaarosakesed. Suurte asjade maailma piljardikuul käitub teisiti kui elektron, väikeste asjade seas jääb aga märkamatuks gravitatsioon.
Näib, et kvantmehaanika võiks olla meile lähem, kuna see kirjeldab aatomeid ja molekule, millest koosneme. Kvantmehaanikal põhineb keemia ja arvutitehnika. Ent mikromaailm on veidram, kui arvata võiks. Täpselt mõõdetavad suurused asenduvad tõenäosustega ja mõningaid füüsikalisi parameetreid saab korraga mõõta vaid lõpliku täpsusega. Me ei mõista siiani lõpuni, kuidas kvantmehaanika läheb üle meid ümbritsevaks klassikaliseks maailmaks: selle näide on tuntud Schrödingeri kassi paradoks.
Kvantmehaanika on oma sügavalt olemuselt lainenähtuste teooria. Austria füüsik Erwin Schrödinger, üks kvantmehaanika loojaid, võttis valgus- ja klassikaliste lainete kirjeldamisest tuntud lainevõrrandi ning üldistas seda. Ta näitas, et selline võrrand kirjeldab ülitäpselt näiteks vesiniku aatomi spektrijooni, mille kirjeldamisega tollased füüsikud hädas olid. Mõne aja pärast saadi aru, et neid laineid tuleb tõlgendada kui tõenäosusi. Ent kuidas täpselt peaks kvantmehaanika tõlkima makroskoopilise maailma keelde, kuidas viia mikromaailma tõenäosusi kokku suure maailma tõsikindlusega, on tänini arutlusteema.
Kui mikromaailma valitseja on kvantmehaanika, siis suurte asjade maailma valitseja on gravitatsiooniteooria. Tänapäevase gravitatsiooniteooria – üldrelatiivsusteooria – avaldas Albert Einstein aastal 1916. Einsteini järgi ei ole aeg ja ruum muutumatud, vaid gravitatsioon tähendab aegruumi kõverdumist. Gravitatsioon on palju-palju nõrgem näiteks elektromagnetismist: väike magnet tõstab üles nõela, mida ei suuda kinni hoida ka terve meie maakera raskusjõud. See muutub tugevaks alles väga suure ainehulga või väga tiheda aine korral.
Kuigi üldrelatiivsus kõigutas meie ettekujutusi muutumatust ruumist ja ajast, on see oma olemuselt teooria, mille juured on Newtoni klassikalises mehaanikas. Tähed käituvad relatiivsusteoorias pigem kui piljardikuulid, mitte kui elektronid. Kuid juba kvantmehaanika sündides hakati mõtlema, milline võiks olla kvantmehaaniline gravitatsiooniteooria ehk kvantgravitatsioon. Oleks ju kummaline, kui aatomid käituksid ükshaaval võetuna kvantmehaanika järgi, kuid suurel hulgal planeediks või täheks kokku kuhjatuna oleks nende gravitatsioon puhtalt klassikaline.
Kui osakesed suure energiaga kokku põrkavad, võivad nad kaduda ja tekkida uued osakesed. Seda kirjeldab kvantväljateooria. Maailm on täis võnkuvaid kvantvälju. Nende väljade ergastused on osakesed. Kvantväljateoorias vahendavad kõiki meile tuntud vastastikmõjusid mingid osakesed, näiteks elektri- ja magnetjõude vahendab valgusosake footon. Olgu gravitatsiooni kvantteooria milline tahes, enamasti on sel üks kindel ennustus: gravitatsiooniga on seotud omaette osake ehk graviton. Nagu valguslaines on koos väga palju ühesuguseid footoneid, on gravitatsioonilaines väga palju ühesuguseid gravitone.
Toimivat ühendteooriat, mis seoks üldrelatiivsus- ja kvantväljateooria, pole aga siiani olemas. On palju kandidaate, nagu stringiteooria, silmuskvantgravitatsioon ja teised. Kuid need teooriad kas ei anna selgeid ennustusi, mida kokku viia vaadeldava maailmaga, või ennustavad mõttetusi.