ARVAMUS | Jaan Kalda: Nobeli füüsikapreemia mustade aukude maaletoojaile

 (33)
Füüsik Jaan Kalda
Füüsik Jaan KaldaFoto: Priit Simson

Nobeli füüsikapreemiad on katnud läbi aegade väga laia teemadespektrit – vahetut praktilist kasu teenivatest avastustest (näiteks 2014 aastal valgusdioodide ja 2018 aastal laserpintsettide eest) abstraktsete ja pelka teadmishimu rahuldavate töödeni.

Kauge ja mõistatuslik on alati köitev ja seda ilmselt ka Nobeli preemia komitee jaoks: viimasest neljast Nobeli preemiast on tervelt kolm (2017, 2019, 2020) seotud kosmosega!

Midagi abstraktsemat ja igapäevaelust kaugemat kui mustad augud on raske leida. Mustad augud on asjad, mille mass on nii suur, et aeg ja ruum ise ei pea enam survele vastu: aegruum vajub kokku, august ei pääse välja isegi mitte valgus.

Mustade aukude olemasolu tuleneb Einsteini üldrelatiivusteooriast ja mustadele aukudele vastava väljavõrrandi lahendi leidis Karl Schwarzschild juba 1916. aastal, aga kuni Roger Penrose'i töödeni ei olnud selge, kas mustad augud ka reaalsuses saavad tekkida.

Probleem on mõneti sarnane sellega, mida kohtate, kui proovite süüa marineeritud šampinjone riisipulkadega: kui surute seent tugevalt kahe pulga vahele, siis see libiseb hoopis pulkade vahelt välja.

Või teine näide: üks teoreetiliselt ahvatlev moodus juhitava termotuuma reaktsiooni saamiseks on kerakujulise raske vesinikuga täidetud palli kokku surumine paljudest suundadest sihitud laserikiirte abil.

Paraku on see protsess ebastabiilne (toimib Rayleigh-Taylori ebastabiilsus) ja kera läheb ammu enne termotuuma reaktsiooni käivitumist lapikuks. Võib-olla juhtub gravitatsiooni mõjul kokkutõmbuva ainega samasugune asi ja musta augu asemel tekivad üksteise ümber tiirlevad kehad? See on küsimus, millele andis vastuse Roger Penrose: piisava algtihedusega aine tõmbub igal juhul kokku mustaks auguks ja auku kukkuvast ainest osa kiiratakse kukkumise käigus kiirgusena tagasi välja.

Seotud lood:

Tegemist oli matemaatiliselt väga keeruka ülesandega. Harilikult suudab inimene hästi ette kujutada asju tasandil ja juba kolmemõõtmeliste probleemidega kipub ta hätta jääma, sest joonised paberil ja arvutiekraanil on kahemõõtmelised. Penrose'i probleem oli aga neljamõõtmelise aegruumi kohta, mis lisaks kõigele on veel kõver ja mille võrrandid on mittelineaarsed.

Kui lineaarsete võrrandite korral kehtib superpositsiooni printsiip, mis tähendab, et võrrandi lahendeid võib liita ja lahendid käituvad ennustatavalt, siis mittelineaarses maailmas pole 2+2 enam 4, vaid võib sõltuvalt olukorrast olla mistahes arv ning selle tehte tulemuse kindlaks tegemine nõuab palju vaeva.

Penrose avaldas lahenduse 1965. aastal ajakirjas "Physical Review Letters". Lahendini jõudis ta tänu oma uudsetele matemaatilistele meetoditele, mille ta lõi koostöös Ezra Newmaniga 1962. aastal.

Huvitava ääremärkusena olgu öeldud, et kui tänapäeval leiab harva füüsikaalast artiklit, kus on viiteid alla kahekümne, siis Penrose'i 1965. aasta artiklis oli viidatud vaid seitsmele allikale (kui mitte arvestada sissejuhatuses kvasaritega seoses tehtud viiteid).

Praegu Oxfordi ülikoolis töötav Roger Penrose pidi ootama tunnustust 55 aastat, aga ta on kindlasti selle kuhjaga ära teeninud. Tema enimtsiteeritud artikkel polegi mitte tänavuse preemia toonud töö, vaid hoopis 1955. aastal, 24-aasta vanuselt kirjutatud puhtmatemaatiline uurimus "Pöördmaatriksite üldistus" ("A generalized inverse for matrices").

Oma teadustöös on ta olnud väga mitmekülgne. Muuhulgas mõtles ta välja kvaasikristallide omaduse mõistmiseks Penrose'i parketi, mille eest on talle omistatud ka patent (https://patents.google.com/patent/US4133152A/en). Märkigem, et kvaasikristallide eest anti Nobeli keemiapreemia Dan Shechtmanile.

Füüsikas ei maksa ka kõige ilusam teooria mitte midagi, kui see pole kooskõlas tegelikkusega ning sestap käivad teooria ja eksperiment käsikäes. Niisiis oli igati loogiline jagada preemiat mustade aukude vaatlejatega.

Ühte väga ilusat mustade aukude kaudset vaatlust on juba Nobeli preemiaga tunnustatud - 2017. aasta auhind anti mustade aukude kokkupõrkel tekkinud gravitatsioonilainete vaatluse eest eksperimentaalseadme LIGO võtmemeeskonnale.

Küsimus, kes oli tänavu selle preemia kõige rohkem ära teeninud, pole lihtne, kandidaate oli palju - nii nagu ka tänapäevaks otseselt või kaudselt vaadeldud musti auke. Mustade aukude vaatlusega seotud artikleid, millele on kogunenud üle tuhande viitamise, on samuti päris mitu ja igal sellisel artiklil on harilikult tosinkonna jagu autoreid.

Nobeli komitee otsustas anda preemia meile kõige lähedasema väga suure augu eest, mis on Linnutee galaktika keskmeks. See valik on mõistetav nii emotsionaalselt kui ka põhjendatav ratsionaalselt. Nimelt on Linnutee kese meie eest hästi varjatud gaasipilvedega, millest läbi näha on väga raske. Selleks, et mõõta Linnutee keskmes asuva augu omadusi, oli vaja rakendada tänapäevast vaatlustehnikat, mis töötas oma võimete piiril ning töötada seejuures välja ja rakendada uudseid andmeteaduse meetodeid.

Reinhardt Genzel on 2010. aastal prestiižses ajakirjas "Reviews of Modern Physics" ilmunud Linnutee keskmes olevale mustale augule ja seda ümbritsevale tähtede klastrile pühendatud kolme-mehe ülevaateartikli esimene autor. Samuti on ta kaasautor 2002. ja 2009. aastal ajakirjades "Nature" ja "Astrophysical Journal" ilmunud võtmeuurimustele. Kui Genzel sai oma kaalukaimad uurimistulemused Max Plancki Instituudis Saksamaal, siis Andrea Ghez tegi seda California ülikoolis Los Angeleses, andes peamise panuse 2008. ja 2005. aastal ajakirjas "Astrophysical Journal" ilmunud murrangulistesse artiklitesse. Andrea Ghez on läbi aegade neljas naissoost Nobeli füüsikapreemia laureaat.

Asjaolu, et pool tänavusest Nobeli preemiast anti andmeteaduse meetodite arendamise eest, on märgiline ja on arvata, et tulevikus antakse selliseid preemiaid üha sagedamini välja.

Tänapäeva infoühiskond toodab infomürasse peidetud andmeid üha kiirenevas tempos ja terade sõkaldest eraldamine muutub järjest raskemaks. Seetõttu kasvab andmeteaduse roll teaduses, majanduses ja ühiskonnas veelgi.

Eestis on võimalik bakalaureuse tasemel õppida füüsikalist andmeteadust Tallinna tehnikaülikooli rakendusfüüsika õppekavas, kus tervenisti veerand õppemahust on pühendatud andmeteadusele; Tartu ülikool pakub eraldi andmeteadusele pühendatud magistri õppekava. .