Kas teave on mateeria viies vorm? Teadlased on kuuskümmend aastat näinud vaeva tumeaine tuvastamisega. Tumeaine kohta on hulgaliselt teooriaid, kuid neist mitte ükski pole tõestatud. Teadusuudiste portaal Big Think vahendab, kuidas massi-energia-teabe samaväärsuse printsiip kombineerib mitmeid teooriaid ja pakub tumeaine teooriale välja alternatiivi, vahendab Karol Kallas.
Tumeaine "avastamine"
Universumi mateeria maht on võimalik välja arvutada tähtede liikumise vahendusel. 1920. aastatel üritasid füüsikud seda teha ja põrkusid kokku teooria ning mõõtmistulemuste lahknevusega ja järeldasid, et universumis peab olema rohkem ainet kui seda on võimalik tuvastada. Kuidas see on võimalik?
1933. aastal juurdles Šveitsi astronoom Fritz Zwicky Kooma täheklastrit vaadeldes, et mis seda koos hoiab? Nimetatud klastris ei ole piisavalt massi, mis hoiaks ära galaktikate laiali lendamise. Zwicky pakkus välja, et neid seob omavahel mingi tume aine. Kuid kuna tal polnud sellisele teooriale pakkuda mingit tõestusmaterjali, jäeti sellised mõtted peatselt kõrvale.
1968. aastal tegi astronoom Vera Rubin samalaadse avastuse. Uurides Lõuna-Arizona mägedes asuvas Kitt Peaki observatooriumis Andromeeda galaktikat sattus ta vastakuti millegagi, mis ajas ta segadusse. Rubini huvi objektiks oli Andromeda pöördekõver (rotation curve), ehk kiirus, millega tähed ümber keskme keerlevad ja ta avastas, et viidatud galaktika välimise ääre tähed liikusid sama kiirusega kui seespool asuvad taevakehad, mis käib Newtoni (liikumis)seaduste vastu. See tähendas, et galaktikas on rohkem mateeriat kui seda on võimalik tuvastada. Tema perfokaartide näite peetakse esimeseks tumeaine olemasolule viitavateks andmeteks.
1970. uuriti suurt hulka teisigi galaktikaid. Igal juhtumil vaadeldi sarnast fenomeni. Täna arvatakse, et tumeaine moodustab universumist kuni 27 protsenti. "Normaalne", ehk barüonaine – aine, mida meil on võimalik tuvastada – moodustab ainult viis protsenti. Tumeenergia, mida me samuti tuvastada ei suuda, moodustab universumist väidetavalt kuni 68 protsenti.
Tumeenergia on Hubble'i seaduse (punanihke seaduse), ehk määra, millega universum paisub, taga. Tumeaine seevastu mõjutab, kuidas "normaalne" aine koondub. See stabiliseerib galaktikaklastreid. See mõjutab samuti galaktikate kuju, nende pöördekõveraid ja kuidas tähed nende sees liiguvad. Tumeaine mõjutab isegi seda, kuidas galaktikad üksteisele mõju avaldavad.
Peamised tumeainet kirjeldavad teooriad
Tumeaine teooria välja mõtlemise ajast 1970. aastatel pole teadlastel õnnestunud leida sellele ühtegi tõestust. Üks teooria, mis sellist puudust põhjendab väidab, et see on kõik seotud maailmaruumi objektidesse, mida kutsutakse MACHOdeks (Massive Compact Halo Objects; massiivsed kompaktsed haloobjektid). Selliste objektide seas on mustad augud, supermassiivsed mustad augud, pruunid kääbused ja neutrontähed.
Teine teooria väidab, et tumeaine koosneb teatud tüüpi mitte-barüoonilisest mateeriast, mida kutsutakse WIMPSiks (Weakly Interacting Massive Particles; üksteist nõrgalt mõjutavad massiivsed osakesed). Barüonaine on aine, mis koosneb barüonidest, nagu näiteks prootonitest ja neutronitest ja kõigest, mille need moodustavad, mis omakorda on ükskõik mis, millel on aatomituum. Elektronid, neutriinod, müonid ja tau osakesed ei ole barüonid, vaid osakeste klass, mida kutsutakse leptoniteks. Isegi kui (hüpoteetilisel) WIMPSil on prootonist sada korda suurem mass, jääks nende suhe tavalise mateeriaga siiski nõrgaks, mis teeks nende tuvastamise keeruliseks.
Siis on olemas veel eelpool mainitud neutriinod. Näiteks Maad läbib püsivalt Päikesest lähtuv neutriinode voog, mida inimesed ei taju. Nendele keskendub järgmine tumeaine teooria, mis väidab, et tumeaine koosneb neutraalsetest neutriinodest, mis suhestuvad normaalse ainega gravitatsiooni kaudu. Selles teoorias on veel lisaks kaks teoreetilist osakeste kandidaati: neutraalne aksion (neutral axion) ja laenguta fotiino (uncharged photino).
Üks teoreetiline füüsik on välja pakkunud veelgi radikaalsema idee: on igati võimalik, et tumeainet pole üldse olemas. Ühendkuningriigi Portsmouthi Ülikooli professor Melvin Vopson on välja pakkunud hüpoteesi, mida ta kutsub massi-energia-teabe samaväärsuseks (mass-energy-information equivalence). See hüpotees leiab, et universumi peamiseks ehitusplokiks on teave ja sellel on mass. See oleks galaktikates puudu olev (seni vaatlematu) mass, millega kaoks ära vajadus tumeaine hüpoteesi järele.
Informatsiooniteooria
Idee, et teave on universumi peamine ehitusplokk, pole uus. Claude Elwood Shannon kujundas 20. sajandi keskel välja klassikalise informatsiooniteooria, tänu millele peetakse teda "digitaalajastu isaks". Shannon oli matemaatik ja insener, kes on teadusringkondades üpris hästi tuntud, kuid väljaspool neid mitte nii väga. 1940. aastal leidis ta, et Boole'i algebra ühtib täiuslikult telefonide ümberlülitusskeemidega. Peatselt ta tõestas, et matemaatikat saab kasutada elektrisüsteemide kujundamiseks.
Shannoni võttis tööle Belli Laboratoorium eesmärgiga, et ta mõtleks välja, kuidas traadisüsteemi kaudu edastada informatsiooni. Ta kirjutas omamoodi piibli, kuidas kasutada matemaatikat suhtlemissüsteemide rajamiseks, millega ta lõi aluse digitaalajastule. Shannon oli ka esimene, kes hakkas ühte teabeühikut nimetama bitiks.
Teine informatsiooniteooria täht, samuti avalikkusele suhteliselt tundmatu, oli John Archibald Wheeler. Wheeler osales Manhattani projektis; koos Niels Bohriga arendas ta välja "s-maatriksi" (scattering matrix; hajuv maatriks) ja aitas Albert Einsteinil luua füüsika ühendteooriat. Oma elu lõpuaastatel kuulutas ta, et "kõik on teave" ja hakkas uurima kvantmehaanika ja informatsiooniteooria vahelisi seoseid.
Tema oli ka teadlane, kes vermis väljendi "see tekib ivakesest/bitist" (ingliskeelne sõnamäng, "it from bit" tähendab "see [aine] tekib bitist" ja "see tekib ivakesest"), ehk iga universumis olev osake emaneerub (voolab välja, kiirgub, saab oma olemise) sellesse suletud teabest. 1989. aastal Santa Fe Instituudis töötades leidis Wheeler, et kõik, alates algosakestest kuni aegruumi struktuuri endani "… pälvib oma otstarbe, tähenduse, kogu oma eksistentsi … süsteemi poolt esile kutsutud jah või ei küsimuste vastustest (from the apparatus-elicited answers to yes-or-no questions), ehk kahendvalikutest, bittidest".
Osalt Einstein, osalt Landauer
Vopson astub viidatud arusaamise juurest sammu edasi. Ta leiab, et informatsioon (teave) pole mitte ainult universumi olemuslik osa, vaid sellel on ka mass. Oma väite tõestuseks ühendab ta erirelatiivsusteooria Landaueri printsiibiga. Viimane on saanud nime Rolf Landaueri järele, kes 1961. aastal ennustas, et kui kustutada üks bitt teavet, eraldub sellest pisut soojust hulgal, mille ta välja arvutas. Landaueri sõnul tõestab see, et teave on midagi rohkem kui ainult matemaatiline ühik. Teave on seotud energiaga. Peale aastate jooksul tehtud hulka katseid, on Landaueri printsiip jäänud kehtima.
Vopson leiab, et "ta [Landauer] esmalt tuvastas seose termodünaamika ja teabe vahel postuleerides, et arvutusprotsessi loogiline (tagasi)pöördumatus eeldab/tähendab ka füüsikalist pöördumatust". See osutab Vopsoni sõnul, et teave on füüsikaline suurus ja näitab informatsiooniteooria ning termodünaamika vahelist seost.
Vopsoni teooria kohaselt on teabel, kui see kord on loodud, "lõplik ja mõõdetav mass". Tänaseni kehtib see ainult digitaalsete süsteemide kohta, kuid sama hästi võib see kehtida ka analoog- ja bioloogiliste süsteemide osas ning isegi kvant- või relativistlikult liikuvate süsteemide kohta. "Relatiivsus ja kvantmehaanika on massi-energia-teabe samaväärsuse printsiibi uuringute võimalikud tulevikusuunad," leiab ta.
Teadusajakirjas AIP Advances avaldatud uuringus esitab Vopson oma hüpoteesi matemaatilise aluse. "Ma olen esimene, kes pakub välja mehhanismi, kuidas teave omandab massi ja formuleerin selle jõulise põhimõtte ning samuti pakun välja võimaliku eksperimendi, millega seda tõestada," kirjutab Vopson oma teadustöös.
Mateeria viies olek
Digitaalse teabe massi mõõtmiseks tuleb alustada tühja andmetalletajaga. Järgmisena tuleb äärmiselt tundliku aparatuuriga mõõta selle kaal. Seejärel tuleb andetalletaja täita teabega ja uuesti selle kaalu hinnata. Viidatud katse murekoht on sellest, et sellist "ultratäpset massi mõõtmise vahendit", mida uuringus kirjeldatakse, pole veel olemas. Selliseks seadmeks võib olla interferomeeter, või midagi LIGO sarnast. Elik võib-olla ultratundlik kaalumismasin, midagi Kibble'i kaalu sarnast.
Selleks, et eksperiment ellu viia, läheb vaja päris suurt ja kallist rajatist. Kui selline kord õnnestub ehitada ja Vopsoni eeldused tõeks osutuvad, siis tähendab see aine viienda oleku avastamist.
Mis on Vopsoni teoorials pistmist tumeainega? "M Paul Gough üllitas 2008. aastal teadusartikli, milles ta arvutas välja … bittide arvu, millest peaks koosnema nähtav universum, et see kaaluks üles puuduva tumeaine. Tuleb välja, et minu eeldused, kui palju universumis on bitte, on tema eeldustega väga lähedased."
Toimetas Karol Kallas