Gravitatea este incredibil de slabă. Gândiți-vă doar la asta: puteți ridica piciorul de pe sol, în ciuda întregii mase a Pământului care îl apucă. De ce este atât de slabă? Necunoscut. Și s-ar putea să fie nevoie de un experiment științific foarte mare. James Beecham este un fizician al Universității Duke, care lucrează cu detectorul ATLAS la celebrul mare colider de Hadron din Elveția. El a descris recent experimentul său de fizică pentru Gizmodo: un accelerator atomic incredibil de mare - Ultra-Hadron Collider - situat la marginea exterioară a sistemului solar.
Un astfel de experiment ar putea rezolva imediat majoritatea misterelor fizicii, de exemplu, să dezvăluie adevărata natură a materiei întunecate sau să demonstreze posibilitatea călătoriei în timp.
Experimentul gândirii: un colizor de dimensiuni ale sistemului solar
Fizicienii sunt siguri că cunosc principiile de bază ale universului. Particulele interacționează prin forțe, dintre care patru sunt cunoscute: electromagnetismul; Puterea „slabă”; Puterea „puternică”; gravitatie. Fiecare forță are reguli pe care le-am găsit prin experimente de-a lungul a sute de ani. Unele interacțiuni fundamentale sunt mai puternice, altele sunt mai slabe.
Comparativ cu celelalte trei, "gravitatea nu este doar slabă, ci este practic nesemnificativă", spune Beecham. Mai departe - de la prima persoană.
La Large Hadron Collider, unde am lucrat, studiem regulile elementare, elementare ale naturii, prin împingerea protonilor împreună cu energii mari. Regulile pe care le investigăm sunt descrise în terminologia de particule și forțe, iar gravitația este singura dintre cele patru forțe cunoscute la care nici măcar nu suntem atenți atunci când calculăm coliziunile cu protoni cu cea mai mare energie. Dacă dăm o interacțiune puternică cu o forță de 1, gravitația va avea o forță de 10-39. 39 de zerouri după punctul zecimal. Adică, nimic deloc.
Video promotional:
Acest mister al științei este unul dintre cele mai de neînțeles pentru noi. De ce forțele de interacțiune sunt aliniate în acest fel? De ce este atât de slabă gravitația?
Natura este ceea ce este, indiferent cum își imaginează oamenii. Experimentele au arătat însă că la energii suficient de mari, electromagnetismul și forța slabă se îmbină într-o singură forță. La energii și mai mari, cred oamenii de știință, interacțiuni puternice le vor fi alături. Dar gravitația este diferită. Oamenii de știință nu știu dacă gravitația se va combina cu restul forțelor cu energii suficient de mari.
„Gravitatea este o forță a naturii, dar regulile ei - matematica care stă la baza ei, descrierea cea mai exactă - sunt cumva foarte diferite de restul”, spune Beecham. Și continuă:
Gravitatea este cea mai bine descrisă de teoria generală a relativității a lui Einstein, iar celelalte trei forțe descrise de Modelul standard al fizicii particulelor se bazează pe teoria câmpului cuantic. Și deși există asemănări, acestea sunt diferite. Adică, când încercăm naiv să le coase împreună, obținem răspunsuri lipsite de sens.
În universul nostru actual, folosind tehnologia noastră actuală, „este aproape imposibil să găsim un răspuns empiric la această întrebare”, spune Beecham. De ce? "Nu putem ajunge la astfel de energii de coliziune ridicate, în primul rând pentru că nu putem construi un colizor suficient de mare pentru a face acest lucru." El spune că unii teoreticieni consideră că există altceva (precum alte particule sau dimensiuni spațiale suplimentare, așa cum sugerează teoria coardelor și modelele extinse) care ar putea apărea într-un experiment care combină gravitația cu alte forțe.
Dar pentru asta avem nevoie de un colizor cu dimensiunea sistemului solar.
Nici măcar colectorul de Hadron, circular de 27 de kilometri, care folosește magneți superconductori pentru accelerarea și coliziunea fasciculelor de protoni la 99,999999% din viteza luminii, nu este suficient de rapid pentru a răspunde la aceste întrebări. El poate afla doar cum era universul când avea dimensiunea unui măr. Oamenii de știință pot avea nevoie de mai multă energie și, prin urmare, de un colector mai mare pentru a da un sens mai mic decât un măr.
Cât mai mult? Probabil că forțele nucleare puternice și slabe ar putea fi combinate cu un ciocan construit în jurul Marte. Dar pentru a adăuga gravitație la această ecuație, „conform unor estimări grosolane, un colidar ar trebui să încercuiască orbita lui Neptun. Mai mult, unii oameni de știință susțin că această estimare este foarte aspră și va trebui să construim un inel mai mare . Beneficiile ar fi enorme - un astfel de ciocan ar fi capabil să testeze scalele Planck, cele mai mici scale pe care le putem analiza pe care le permite mecanica cuantică. „Am înțelege totul despre gravitație, despre mecanica cuantică și, între timp, am obține, de asemenea, o forță combinată electroweak și electro-puternică exact așa, urmată de deplasarea în timp, teoria șirurilor, materia întunecată, energia întunecată, problema măsurării, teoria universurilor multiple etc.
Ce? Calatorie in timp? Potrivit lui Beecham, am obține o înțelegere atât de detaliată a universului și a modului în care funcționează spațiul-timp, încât am putea pune cunoștințele noastre la baza tehnologiilor viitoare pentru manipularea timpului.
"Este posibil ca forța gravitației și alte forțe ale naturii să se combine cu anumite energii extrem de mari, dar pentru a investiga această problemă va trebui să creăm un colizor precum LHC, care să încercuiască extinderile exterioare ale sistemului solar sau chiar mai mult."
Din păcate, experimentul gândit al lui Beecham nu este posibil în acest moment:
„Tehnologia, forța umană și resursele pentru a crea un colizor de particule care înconjoară limitele exterioare ale sistemului solar pur și simplu nu există. Chiar dacă am lua tehnologiile acceleratorului și detectorului existent la LHC, scara ar fi o problemă în sensul cel mai practic: nu este clar dacă există suficient material pentru a crea acest colos în sistemul solar, la toate sursele - Pământul, Luna, planetele, asteroizii etc. …
Și pentru a accelera protonii la energii atât de mari, chiar și la LHC, folosim magneți supraconductori. Magneții devin superconductori doar dacă îi faceți foarte rece. S-ar crede că acest lucru ar fi util pentru crearea unui accelerator de particule în spațiu. Cosmosul este foarte rece. Dar pentru superconductivitate, nu este foarte frig. Spațiul exterior are o temperatură de 2,7 Kelvin, dar magneții necesită 1,9 Kelvin. Aproape, dar încă nu. La LHC, aceste temperaturi sunt obținute folosind heliu lichid. Nu este clar dacă există suficient heliu lichid oriunde în apropiere pentru a răci un accelerator circular, dimensiunea sistemului solar.
La aceste energii, detectoarele trebuie să fie imense. Va trebui să instruiți fizicieni și să dobândești o cantitate de neînțeles de putere de calcul. Veți avea nevoie de robotică avansată, protecție de asteroizi, comete și alte resturi. Și toate acestea trebuie să fie puse în mișcare. Nu puteți folosi energia Soarelui, deoarece mașina înconjoară Soarele la o distanță de Neptun. Un dispozitiv de această dimensiune va necesita descoperiri energetice care nu sunt realizabile în viitorul apropiat.
Un astfel de experiment ar schimba fizica. La urma urmei, astfel de experimente îi ajută pe fizicieni să înțeleagă cum funcționează lucrurile și un astfel de accelerator va oferi răspunsuri convingătoare la multe întrebări. Acesta va schimba modul în care oamenii gândesc. Va schimba ceea ce înseamnă noi prin „înțelegere”.
Dacă am construi un colizor în jurul graniței exterioare a sistemului solar, cunoștințele pe care le-am obține este despre natura gravitației, despre cum să combinăm mecanica cuantică și relativitatea generală într-una, despre călătoria în timp, despre ceea ce s-a întâmplat în momentul Big Bang-ului, despre faptul că Universul nostru poate fi doar unul dintr-un număr infinit de universuri multiple - ne-ar schimba ideea de realitate, atitudinea noastră față de natură, acest limbaj al acesteia, înțelegerea lumii, umanitatea în general, locul nostru în univers atât de mult încât a trebuit să ar inventa un nou concept de înțelegere pentru a-l descrie.
Evident, nimeni nu lucrează la un astfel de experiment, deși CERN dezvoltă deja pe hârtie Viitorul ciocan circular, al cărui tunel va avea o lungime de 80-100 de kilometri. Cu toate acestea, poate undeva în Univers lucrează la un astfel de proiect.
Ar fi fantastic dacă o civilizație îndepărtată din altă parte a Universului ar lucra deja la acest lucru și am avut cel puțin ocazia să o găsim și să o contactăm pentru a întreba despre rezultatele unor experimente fizice obișnuite. Au aceeași masă a bosonului Higgs? Au găsit bosoni X și Y care demonstrează unificarea forțelor electroweak și electrostrong? Au ajuns la scara Planck? Ce este materia întunecată? Ne putem muta înapoi în timp?
Universul va continua să funcționeze conform acelorași legi. Adevărata întrebare este dacă oamenii vor putea vreodată să înțeleagă aceste legi.
Ilya Khel
