Evolutsioon on lihvinud meie tajuorganeid täpselt nii palju, et suur osa meist suudaks vältida kiskjaid piisavalt kaua, saamaks liigi jätkamiseks parajal arvul järglasi. Millisena paistaks maailm meile juhul, kui meil oleks võimalik hoomata universumit sellisena, nagu see meie arvates praegu tegelikult on ja kui ruttu see meid hulluks ajaks?

Loodust on võimalik vaadata väga suurtel distantsidel, mis võib olla terve universum, või väga väikestel vahemaadel, mis on mikrouniversum. Suurusjärke on mõlemas suunas meeletul hulgal. Meie oleme ligikaudu ühe meetri pikkuste olevustena umbes seal keskel.

Selle skaala kaugemat otsa vaadates muutuvad järgmise põlvkonna gravitatsioonilainete eksperimendid, nagu LISA, lähitulevikus sedavõrd täpseks, et hakkavad nägema universumit praktiliselt nii kaugele, kui on valgus ja gravitatsioonilained võimelised üleüldse levima. Lisaks pole gravitatsioonilainetel erinevalt footonitest levikul suuri takistusi.

LISA võiks näha seeläbi tervet universumit korraga. Selliste andmete analüüs ja signaali mürast eristamine on meie järgmine suur väljakutse, et sellest andmemassiivist midagi üldse üles leida.

Teisele poole ehk mitmeid suurusjärke väiksemaks minnes jõuame mikromaailma. Sealsetest reeglitest saame teada kiirenditega kõrgetel energiatel eksperimente tehes. Oma olemuselt kujutavad need mikroskoope. Me enam-vähem teame, mis seal toimub – looduse neljast jõust saame uurida kiirenditega kolme.

Seda, mida me looduse kohta praeguseks teame, saame jagada mitmeks osaks. Kõik need, mis on meie ümber mingisuguses vormis ja millest saab moodustada struktuure, on fermionid. Osakesed, millel on poolarvuline spinn. Jõudusid kannavad teised osakesed nagu valgus või graviton, millel on täisarvuline spinn, näiteks 1 või 2.

Lisaks sellele on olemas ka kolmas täiesti omaette aineliik, mis avastati hiljuti – Higgsi boson. Tema omadused on kõigist muudest osakestest erinevad. Muu hulgas defineerib ta vaakumi, ta võib seda rikkuda ja anda sellele väärtuse. See väärtus saab tekitada füüsikalisi nähtusi seinast seina, vastavalt sellele, kuidas Higgsi bosonit või selle laadseid osakesi kasutatakse.

Kas me läheme seda teades hulluks? Ilmselt mitte. Meie probleem on see, et tõlgendame seda kõike oma inimlikust vaatenurgast. Looduse keel on matemaatika, kuid inimesed – vähemalt meist enamik – matemaatiliselt ei mõtle.

See on keeruline, ent see on teadmiste hankimise protsess. Inimesed on teinud seda aegade algusest saadik ja teevad ilmselt ka edaspidi.

Inimesed on üritanud juba alates Vana-Kreeka aegadest peale lahutada maailma selle algosadeks. Praeguseks teame, et ainult Democrituse aatomitest ei piisa ning tarvis on vähemalt 17 aineosakeste ja bosonite välja. Mis on neil maailmakäsitlustel ühist?

Vanad kreeklased üritasid teha teooriaid vastavalt oma teadmistele. Neile oli teada, et Maa on ümmargune ja ka enam-vähem selle läbimõõt. Loomulikult ei teadnud nad, millest loodus koosneb. Nad said selle üle vaid filosofeerida, kuid teaduslik meetod oli neil juba kasutusel ja nad mõtlesid neis kategooriates.

Ei aatomid ega väljad pole meie argikogemuste jaoks käegakatsutavalt hoomatavad. Kas peame leppima sellega, et reaalsust paremini kirjeldada üritades muutub see meist enamiku jaoks järjest eluvõõramaks? Kuidas peaksime sellisel juhul aru saama, kui meie kasutatavatel matemaatilistel mudelitel ja tööriistadel pole päris eluga enam mingit pistmist?

Mikromaailmas kehtivad seadused on kvantseadused. Kui paneme hästi palju osakesi kokku, siis nende kvantomadused kustutavad üksteist ja saame klassikalise maailma seadused. See ajabki inimesi segadusse, et tegelikult pole klassikalist maailma üleüldse olemas, isegi kui me klassikaliselt mõtleme. On ainult kvantmaailm ja nende nähtuste summad.

Kuidas sellest mõelda? Tuleb teha eksperiment, välja selgitada, mis seal toimub ja lisada matemaatiline kirjeldus. Kui kõik on seejuures kooskõlaline, siis selline see maailm ilmselt on, isegi kui me seda enda silmaga ei näe.

Kui võtame ühe näitena Higgsi välja, mille olemasolu kinnitamisest möödub peagi kümme aastat, kuidas saavad teadlased tavaliselt aru, et meie arusaamises või maailmapildis on midagi sügavamat puudu või vajaka?

Takkajärgi on väga lihtne tark olla. Praegu saab vajadust Higgsi olemasolu järele põhjendada mitut moodi.

Toona läks seda tarvis standardmudeli kooskõlaliseks muutmiseks. Kiirendis avastatud nõrga jõu ülekandjatele Z- ja W-bosonile massi andmiseks oli vaja uut osakest – Higgsi bosonit. Ilma selleta oleks olnud tõenäosused üle ühe, teooria poleks omanud mingit sisulist mõtet ja olnud sellega algusest peale loll.

Standardmudelit ehitati 50–60 aastat ja lõpuks Higgsi boson avastati. Selle olemasolu võis enam-vähem aimata, sest vastasel korral oleks olnud midagi totaalselt-totaalselt valesti. Niimoodi see käib. Mida tähendab Higgs ise nüüd ülejäänud maailma ja füüsika jaoks, seda peame edasi uurima.

Aastal 2012 hingasid mitmed füüsikud selle avastamise järel kergendatult. Teised olid aga üllatunud, kui hõlpsalt ja ladusalt see läks. Mida see teadlaste jaoks tähendab, et Higgsi boson on vesiniku aatomi tuumast pelgalt 125 korda raskem ja milliseid probleeme see tulevikku vaadates valmistab?

Esiteks lükkas see avastus ümber terve rea erinevaid Higgsi bosoni alternatiivina mõeldud teooriaid. Sellega kinnitati, et spinniga 0 aine on päriselt olemas. Standardmudelis teeb see vähemalt ühte asja, andes teistele osakestele massi ja rikub sümmeetriat. Ent Higgsi bosonile sarnanevad osakesed võivad moodustada ka näiteks tumeaine, mis moodustab enamiku universumi massist.

Kuna Higgsi boson saab anda vaakumile energiat, universumi praeguse suuruse põhjendamiseks läheb küllaltki kindlalt tarvis väga suure välja väärtusega osakest – inflatoni – universumi alguses, ning universum paisub praegu kiirenevalt, on ka võimalik, et mingi Higgsile sarnane skalaarne väli praegu seda vaakumienergiat tekitab.

Kõige kummalisemaks osutus avastuse juures aga Higgsi bosoni mass. Kõik ootasid, et see on midagi muud. Tundub, nagu pole see 125,5 gigaelektronvolti juhuslik. See väärtus on täpselt selline, et meie universumi puhul pole teada, kas see on stabiilne või mitte, vaid on täpselt selle kriitilise piiri peal.

Mida see tähendab, kui universum pole kala ega liha? Kuna väljad levivad sama kiiresti kui valgus, siis eeldatavasti tuleb kõige halvema tegelikkuseks saades vähemalt surm valutu?

Lõpp oleks kindlasti valutu, kuna see tuleb nii kiiresti, et keegi sellest aru ei saa.

Kvantefektide tõttu võib vaakum tunnelleeruda meie vaakumist teise vaakumisse. Seal vaakumis saavad olla osakesed praegusest palju-palju suuremad, mis tähendab, et loodusseadused muutuvad. Universum lõpeb sellisel kujul eksisteerimast. Küsimus pole mitte inimeste hukus, vaid see muudaks ka seda, kas ja kuidas aine tekib ning mis kujul see üleüldse olemas on.

Meie universum on vaid üks võimalikke ja neid saab olla teistsuguseid.

Järgmisele kümnendile vaadates, millised on mõned paljutõotavad suunad või teooriad, mis võiks suuta Higgsi veidrat massi seletada?

Loodusteadustes on vaja aru saada kriitilistest nähtustest. Praegu on üheks selliseks Higgsi mass. See vajab mingit sorti läbimurret või ideed. Teise võimalusena juhtub mingi ootamatu avastus, mille peale mõtlevad kõik, kui lollid nad ikka olid vmt.

Kuna tegu on loodusteadusega, peab see murrang juhtuma varem või hiljem. Võime teha kasvõi tumeaine kohta lõpmatul hulgal mudeleid, aga ühel hetkel peame nägema mingit päris signaali. See ei pruugi rääkida meile kogu tõde, aga vähemalt teame selle põhjal, kuhu suunas edasi minna.

Praegu käib puhas katsetamine igas suunas. Tumeaine võib olla nii suur osake, et tema lainepikkus on võrreldav galaktikaga, aga võib olla ka saja päikese massiga must auk ning kõik seal vahel. Massivahemik ulatub 60 suurusjärguni ehk signaal võib tulla igast eksperimendist.

Ilmselt teen ülekohut, kuid tänaval juhuslikel inimestel nööbist kinni võttes peaksid neist mitmed Suurt Tuumaosakeste Põrgutit (LHC) ühe-hiti-bändiks, kuigi lisaks Higgsi bosonile on leitud praeguseks muu hulgas umbes 60 uut liitosakest. Mida taolisest osakeste loomaaia laiendamisest kasu on ja mida te LHC puhul ise väärtustate?

See on klassikaline küsimus, millel on klassikaline vastus.

Esimene on teadmine loodusest. Alusteaduse puhul ei oska keegi kunagi alguses öelda, kus sellest tulevikus kasu tõuseb. Elektri avastamisel ei mõelnud keegi selle praeguste rakenduste peale. Kas LHC avastused on kasulikud ja rakendatavad või mitte, see selgub 50 aasta pärast.

Teine ja palju konkreetsem väärtus on tehnika, mida on tarvis selliste põrgutite tegemiseks. See nõuab uute tehnoloogiate ja riistade väljatöötamist. Eesti ühines Euroopa Tuumauuringute Keskusega lisaks Cerni eksperimentidele ligipääsu saamiseks ka selleks, et Eesti firmas saaksid osaleda kõrgtehnoloogilistes hangetes. Arendame sellega oma majandust teadusmahukas suunas. Õnneks leidub Eestis firmasid, mis suudavad neis hangetes osaleda ja võita.

Suurt Tuumaosakeste Põrgutit on viimastel aastatel täiendatud ja täiustatud, mis võimaldab põrgutada osakesi kõrgematel energiatel, kuid suur osa kättesaadavast energianivoost on praeguseks läbi kammitud. Mida loodavad teadlased edasiste otsingutega veel leida?

Teadusprogrammid on koostatud viisil, et uurida seda, mille olemasolust me teadlikud oleme, kuid mida pole veel avastatud, näiteks tumeainet. Kui tumeaine on olemas, peaksid tekkima kiirendis selged sellele viitavad signaalid. Otsitakse igasuguseid nähtusi, mis on standardmudelist väljaspool. Oma olemuselt on see tavaline eksperimentaalne teadus. Kui midagi uut avastatakse, leidub muidugi kindlasti mõni inimene, kes teatab, kuidas ta targana seda juba kõike ette nägi. Enamasti sellised ennustused siiski ei täitu.

Praegu suurendatakse LHC kiire tihedust pidevalt, et näha rohkem huvitavaid sündmusi. Nüüd on teinud Cern plaani uue kiirendi ehitamiseks, mille läbimõõt ulatub 100 kilomeetrini. See on asjade loomulik areng. Looduse tundma õppimiseks on vaja teha üha suuremaid eksperimente.

Ainult seminaride korraldamisest ja filosofeerimisest ei piisa ning see pole teaduslik lähenemine. Kõigis loodusteadustes, vahet pole, kas see on füüsika, keemia või arstiteadus, tuleb kogu informatsioon eksperimendist ja vaatlustest. Ilma selleta ennustusi teha ei saa.

Kui avastus on kirjeldatud ja kinnitatud, saab muidugi elulooraamatus kirjutada, kuidas näiteks Einstein oli geniaalne ja keegi teine mitte. Tegelikult see niimoodi muidugi polnud. Ta oli küll väga hea teadlane, kellel oli asjadest oma nägemus, kuid lõpuks seletas ta ikkagi olemasolevaid eksperimentaalseid fakte. Edasi liikumiseks on meil vaja nii teoreetikuid kui ka eksperimentaalfüüsikuid.

Mõnikord on millegi mitte-leidmine peaaegu sama oluline kui millegi leidmine. Millise harvendustöö on korraldanud muu hulgas LHC kogutud andmed osakestefüüsikute avaldatud teaduskirjanduses? Kui suur osa avaldatud ideedest on nende valguses väärtusetud või vajaks tõsist täiendamist?

Kõik alternatiivid Higgsi bosonile, näiteks technicolori-teooria. See on klass teooriaid, mis sarnaneb oma olemuselt hadronite füüsikale. Need teooriad võiks olla seeläbi mängust väljas, aga pole, sest inimesed on nutikad.

Oma teooriat täiustatakse mingite elementidega ja öeldakse, et Higgsi boson on tegelikult osa sellest teooriast, kuigi neid ajendas teooriat looma eeldus, et Higgsi bosonit pole üldse olemas. Nad ehitavad järjest uusi matemaatilisi mudeleid. Need võivad osutuda tõeks või ka mitte. Ent kui matemaatika on olemas, ei saa seda lihtsalt täielikult ära kaotada.

Kindlasti ei ole aga nii, et mingi matemaatilise ilu või loogika pealt saab öelda, kuidas loodus välja nägema peab. Loodust ei huvita inimeste ilumeel karvavõrdki. Midagi on need andmed seega muutnud, mõned teooriad on muutunud populaarsemaks ja teised tahapoole vajunud.

Isegi kui mõnede inimeste käitumine meenutab seetõttu planeetide liikumise selgitamiseks üha uute epitsüklite lisamist, mida harrastati keskajal?

Niimoodi tehaksegi, kuni saadakse ühel hetkel aru, et tegelikult on olemas üks ja väga lihtne seletus.

Kui kergesti osakeste füüsikud oma lemmikideedest loobuvad?

Väga halvasti. Kui oled terve elu töötanud supersümmeetria kallal ja eksperimendist tulevad andmed, mis seda ei toeta, ütlevad nad, et loodus on valesti ehitatud. Inimene seab end sellega jumala koha peale. Selles osas on füüsikud ja kirikutegelased koos kõigi teiste inimestega samasugused.

Viimasel paaril kümnendil on mitmete eksperimentide tulemused lahknenud osakeste füüsika standardmudeli ennustatust. Taoliste artiklite lõppu sai kopeerida tuimalt lõigu, kuidas füüsikud seda ootavadki, sest see võib kujutada esimest juhtlõnga, jõudmaks jälile mingile uuele ja paremale teooriale. Kas või millisele eksperimendile teie selles osas panustaksite?

Kui tuleb mingi anomaalia, mis ei lähe kooskõlla ennustusega, siis loomulikult kirjutame kohe selle selgitamiseks teadusartikleid. Minu arvates aga selliseid maailmapilti muuta tõotavaid kõrvalekaldeid osakestefüüsikas tegelikult praegu ei ole.

Näiteks müüoni anomaalne magnetiline moment, mida pole 20 aastat suudetud hästi seletada, pole leidnud ei kinnitust ega ümberlükkamist. Ilmselt tulevad õige pea võrearvutused, mis näitavad, kuidas varasemad arvutused polnud täpsed. Praeguseks on selliseid arvutusi juba kaks, mille kohaselt mingit anomaaliat polegi.

Ka ühes LHC eksperimendis LHCb on nähtud kahte tugevalt teineteisega vastuolus olevat anomaaliat. Nende omadused on väga-väga kindlad, misläbi peaks neid nähtusi olema näha ka igal pool mujal, kuid seda pole juhtunud.

Taas pole selle anomaalia olemasolu aastaid lõplikult kinnitanud ega ümber lükanud. Teades, et tegu on väga keeruka eksperimendiga, võib olla seal probleeme näiteks elektronide tuvastamisega. Need on kiirendi jaoks halvad osakesed, sest sarnanevad valgusosakestele. Ennustan, et uued andmed lükkavad varasemad tulemused ümber.

Viimane näide on W-bosoni väidetavalt veider mass, mis oli puhtalt ameeriklaste mainekorraldus-show. See oli jabur.

Miks mitte esitleda neid suurte saavutustena? Teadlased saavad tähelepanu, ülikoolid ja teadusasutused pildile ning ajakirjanikud saavad rõõmustada, et nende lugusid ka loetakse. Kuigi võiksime muidugi viisakusest mainida, kui need tähelepanuväärsed anomaaliad kaovad...

Meie ühiskond muutub. Üks nõudmine teadlasele on, et ta selgitaks ühiskonnale oma tööd. See ei ole põhimõtteliselt vale, aga see hõlmab ülikoolidesse propagandistide värbamist, kes treivad sisult valesid propagandistlikke pressiteateid ja tekitavad sõud. Toimub totaalne ülemüümine. Minu isiklik arvamus on, et see teeb teadusele pigem kahju kui kasu.

On üldteada, et teadlased saavad raha maksumaksjate käest. Samuti on üldteada, et maksumaksja tahab teada, mida tema rahaga tehakse. Sama kehtib kultuuri, hariduse ja kõige muu kohta. Ent kui eesmärk on järjest rohkem ja kõike, tulevad tagasilöögid.

Praegu on selline hetk, kus on meie terve ühiskond ideologiseeritud, k.a loodusteadused. Vaadata võib kasvõi seda, mis toimub majanduses, energeetikas ja mujal. See on viimase 20 aasta, energeetikas isegi 40–50 aasta jooksul tehtud suurte rumaluste kuhjumise tulemus. Seda üritatakse varjata propagandaga ja olukorra lahendamiseks keegi midagi ei tee.

Tuumaenergia näide on eriti markantne. Kui õpetamegi koolilastele, et süsinik on mürk ja tahame teha süsinikuvaba majandust, pole meil peale tuumaenergia ühtegi teist lahendust. Energeetika jääb muidu igal juhul sõltuvaks sellest, kes müüb fossiilkütuseid.

Hakata nüüd vaheldumisi rääkima, kuidas nafta on paha ja süsi hea, gaas on hea, süsi on paha, nagu sakslased viimastel aastatel teinud on, see on idiootsus. Kas Saudi-Araabia on võrreldes Venemaaga tore riik, keda toetama peaksime? Euroopa pole teinud midagi, et muutuda energeetiliselt sõltumatuks. Viimase aasta jooksul pole alanud ühegi uue tuumaelektrijaama ehitus.

Mida see täpsemalt kasvõi teie eriala puhul tähendab?

Kuna osakeste füüsika on teadusena nii kaugel eesliinil, siis meie oleme sellega vähem kokku puutunud. Mõnedes teistes teadusharudes on aga need inimesed ise aktsepteerinud seda, et bluffimine on osa elust ja mida räigemalt blufid, seda nähtavam sa oled. Sellega mängivad kõik kaasa.

Kui tuua taas näitena tumeaine, viitavad Itaalia teadlased ühe võimalusena, et on näinud tumeainele viitavat signaali hooajaliselt juba aastaid. Mõned teised võimalikud selgitused välistada võimaldav eksperiment algas Austraalias alles hiljuti. Kuidas mõjub teaduse tervisele see, kui maailmal jagub kohati raha vaid ühe teatud tüüpi suurekspermendi rajamiseks?

Siinkohal on oluline töökultuur. Suurtel eksperimentidel peab olema juba algusest peale väga hästi kokku lepitud reeglistik. Kuna näiteks LHC-sarnaseid kiirendeid on maailmas vaid üks, ei tohi olla tulemuste objektiivsuses kahtlust. Meil pole bluffimiseks ruumi.

Nimetatud Itaalia eksperimendiga on olnud jama algusest peale. Nad ei anna välja oma andmeid ja seeläbi pole nende väited kontrollitavad ega usaldusväärsed. Sarnaselt polnud seda ameeriklaste W-bosoni massi mõõtmine kümme aastat pärast kiirendi sulgemist. Selliseid asju ei tohiks tegelikult teha.

LHC pole muidugi patust prii. Näiteks ümbritses paar aastat tagasi väga suur haip võimalikku uut massiivset osakest. See oli 90 protsendi ulatuses LHC enda poolt tekitatud mull. Enne jõule tehti huvitavate tulemuste sildi all seminar, kus seda 750-gigaelektronvoldise massiga osakest mainiti. Terve maailm läks seepeale hulluks, jõulu ajal töötasid kõik füüsikud ja nuputasid, mis see olla võiks. Tegelikult oli tegu lihtsalt andmetefluktuatsiooni, juhusliku kõrvalekaldega.

Eksperimendi liikmena tean ma, et enamik sellistest juhtumitest ei jõua mitte kunagi avalikkuseni. Inimesed teavad tegelikult, et kui natukene oodata, kipuvad need kõrvalekalded kaduma. Loodusteaduslik töökultuur peab olema usaldusväärne ja see ei tohi end valesti müüa.

Kuidas Eesti osakeste füüsikud ennast müüvad või õigemini, millega nad silma paistavad, et nad ei pea ise oma kintsu näitama?

Kes see ikka enda saba kergitab? Uusi asju on vaja teha. Oleme leiutanud mõned uut sorti teooriad. Kas need on head või halvad, seda me ise ei tea. Praegu on üldse selline olukord, et põhivooteooriad pole leidnud kinnitust ja sinna mittekuuluvaid teooriaid võib välja mõelda igaüks.

Aastaid tegutsesid osakeste füüsikas ja teoreetilises füüsikas laiemalt gurud, kes ütlesid, kuidas asjad olla võiks. Nüüd on need gurud vaikinud. Näib, et inimesed suudavad siiski oma vigadest õppida ja lõpuks tunnistada, et loodust ei saa välja mõelda, vaid uurida.

Iga meie avaldatava artikli alus on mõni uus eksperimentaalne tulemus. Kui neid saab sada, siis on olnud sada uut tulemust. Probleem on selles, kuidas nende olulisust üksteisest eristada. Seda saab lahendada uue kiirendi, vaatluse, eksperimendiga.

Need võivad asuda ka kosmoses, nagu kavandatav gravitatsioonilainete eksperiment. Gravitatsioonilainete avastamine tõi meile terve uue jõu, mida uuringutes kasutada saame. Seda mitte ainult gravitatsiooni, vaid ka ükskõik mille muu uurimiseks, millel on energia ja mass. Võrreldes viie aasta taguse ajaga on iga nähtuse juures kohustuslik mõelda, kuidas saab uurida seda gravitatsioonilainetega.

Muu hulgas sobivad need varajases universumis toimunud sümmeetria rikkumiste uurimiseks. See on oluline, kuna sümmeetria rikkumine on just üks selline asi, mida Higgs teeb. Õnneks on Eesti Euroopa Kosmoseagentuuri liige ja KBFI teadlased osalevad LISA missioonis. See eksperiment on maailmamuutev.

Seega ei peaks praegu keskkoolis õppiv ja osakestefüüsikuks tahta saadev noor kartma, et ta tõmbab oma unistusi realiseerima hakates sellega samasuguse lotopileti, nagu müüvad neid nurgapealsed kioskid?

Alati võib halvasti minna. Ajaloos on teada perioode, kus pole juhtunud midagi suurt mitusada aastat. Praegu pole aga meie mängumaa ainult üks eksperiment, vaid terve universum – kõige suuremast skaalast kõige väiksema skaalani. On väga ebatõenäoline, et kuskilt mitte midagi ei tule.

Iseasi, kas need andmed annavad meile infot selle kohta, kuidas on universumis aine jaotunud, kuidas moodustuvad galaktikad, toimub suuremate galaktiliste struktuuri teke või annavad need meile uut teadmist hoopis osakeste füüsika fundamentaalsemate osade kohta.

Teadlaskond teatas Higgsi bosoni olemasolu kinnitamisest 4. juulil 2012.