Grawitacja jest niesamowicie słaba. Pomyśl tylko: możesz oderwać stopę od ziemi, pomimo całej masy ziemi, która ją chwyta. Dlaczego jest taka słaba? Nieznany. A to może wymagać bardzo, bardzo dużego eksperymentu naukowego. James Beecham jest fizykiem z Duke University, który pracuje z detektorem ATLAS w słynnym Wielkim Zderzaczu Hadronów w Szwajcarii. Niedawno opisał swój eksperyment fizyczny dla Gizmodo: niewiarygodnie dużego akceleratora atomowego - Zderzacza Ultra-Hadronów - zlokalizowanego na zewnętrznej krawędzi Układu Słonecznego.
Taki eksperyment mógłby od razu rozwiązać większość tajemnic fizyki, na przykład ujawnić prawdziwą naturę ciemnej materii lub udowodnić możliwość podróżowania w czasie.
Eksperyment myślowy: zderzacz wielkości Układu Słonecznego
Fizycy są przekonani, że znają podstawowe zasady wszechświata. Cząstki oddziałują poprzez siły, z których cztery są znane: elektromagnetyzm; „Słaba” siła; „Silna” siła; powaga. Każda siła rządzi się regułami, które odkryliśmy przez setki lat eksperymentów. Niektóre podstawowe interakcje są silniejsze, inne słabsze.
W porównaniu z pozostałymi trzema „grawitacja jest nie tylko słaba, jest praktycznie nieistotna” - mówi Beecham. Dalej - od pierwszej osoby.
W Wielkim Zderzaczu Hadronów, w którym pracowałem, badamy podstawowe, elementarne zasady natury, spychając razem protony przy wysokich energiach. Reguły, które badamy, są opisane w terminologii cząstek i sił, a grawitacja jest jedyną z czterech znanych sił, na którą nawet nie zwracamy uwagi podczas obliczania zderzeń protonów o najwyższej energii. Jeśli nadamy silnemu oddziaływaniu siłę 1, grawitacja będzie miała siłę 10-39. 39 zer po przecinku. To znaczy nic.
Film promocyjny:
Ta tajemnica nauki jest dla nas jedną z najbardziej niezrozumiałych. Dlaczego siły interakcji są ustawione w ten sposób? Dlaczego grawitacja jest tak słaba?
Natura jest tym, czym jest, bez względu na to, jak ludzie ją sobie wyobrażają. Jednak eksperymenty wykazały, że przy wystarczająco wysokich energiach elektromagnetyzm i słaba siła łączą się w jedną siłę. Naukowcy uważają, że przy jeszcze wyższych energiach dołączą do nich również silne interakcje. Ale grawitacja jest inna. Naukowcy nie wiedzą, czy grawitacja połączy się z resztą sił przy wystarczająco wysokich energiach.
„Grawitacja jest siłą natury, ale jej zasady - leżąca u jej podstaw matematyka, najdokładniejszy opis - w jakiś sposób bardzo różnią się od reszty” - mówi Beecham. I kontynuuje:
Grawitację najlepiej opisuje ogólna teoria względności Einsteina, a pozostałe trzy siły, które są opisane w modelu standardowym fizyki cząstek elementarnych, są oparte na kwantowej teorii pola. I chociaż istnieją podobieństwa, są różne. Oznacza to, że kiedy naiwnie próbujemy je zszyć, otrzymujemy bezsensowne odpowiedzi.
W naszym obecnym wszechświecie, korzystając z naszej obecnej technologii, „znalezienie empirycznej odpowiedzi na to pytanie jest prawie niemożliwe” - mówi Beecham. Czemu? „Nie możemy dostać się do tak wysokich energii zderzeń, głównie dlatego, że nie możemy zbudować zderzacza wystarczająco dużego, aby to zrobić”. Mówi, że niektórzy teoretycy uważają, że jest coś jeszcze (jak inne cząstki lub dodatkowe wymiary przestrzenne, jak sugeruje teoria strun i jej rozszerzone modele), co może pojawić się w eksperymencie łączącym grawitację z innymi siłami.
Ale do tego potrzebujemy zderzacza wielkości układu słonecznego.
Nawet 27-kilometrowy kołowy Wielki Zderzacz Hadronów, który wykorzystuje magnesy nadprzewodzące do przyspieszania i zderzania wiązek protonów z prędkością 99,9999999% prędkości światła, nie jest wystarczająco szybki, aby odpowiedzieć na te pytania. Może tylko dowiedzieć się, jak wyglądał wszechświat, gdy był wielkości jabłka. Naukowcy mogą potrzebować więcej energii, a tym samym większego zderzacza, aby nadać sens wszechświatowi mniejszemu od jabłka.
O ile więcej? Być może silne i słabe siły nuklearne można połączyć ze zderzaczem zbudowanym wokół Marsa. Ale aby dodać grawitację do tego równania, „według niektórych przybliżonych szacunków do okrążenia orbity Neptuna potrzebny byłby zderzacz. Co więcej, niektórzy naukowcy twierdzą, że to oszacowanie jest bardzo przybliżone i będziemy musieli zbudować większy pierścień”. Korzyści byłyby ogromne - taki zderzacz byłby w stanie przetestować skale Plancka, najmniejsze skale, na jakie możemy spojrzeć, na jakie pozwala mechanika kwantowa. „Zrozumielibyśmy wszystko, co dotyczy grawitacji, mechaniki kwantowej, a w międzyczasie otrzymalibyśmy również taką połączoną siłę elektrosłabą i elektro-silną, a następnie podróż w czasie, teorię strun, ciemną materię, ciemną energię, problem pomiaru, teorię wielu wszechświatów itp.
Co? Podróż w czasie? Według Beechama uzyskalibyśmy tak szczegółowe zrozumienie wszechświata i tego, jak działa czasoprzestrzeń, że moglibyśmy wykorzystać naszą wiedzę jako podstawę przyszłych technologii manipulowania czasem.
„Jest możliwe, że siła grawitacji i inne siły natury łączą się przy niektórych niezwykle wysokich energiach, ale aby zbadać ten problem, będziemy musieli stworzyć zderzacz, taki jak LHC, okrążający zewnętrzne obszary Układu Słonecznego lub nawet więcej”.
Niestety, eksperyment myślowy Beechama nie jest obecnie możliwy:
„Technologia, siła ludzka i zasoby potrzebne do stworzenia zderzacza cząstek otaczającego zewnętrzne obszary Układu Słonecznego po prostu nie istnieją. Nawet gdybyśmy wzięli technologie istniejącego akceleratora i detektora w LHC, skala byłaby problemem w najbardziej praktycznym sensie: nie jest jasne, czy jest wystarczająco dużo materiału do stworzenia tego kolosa w Układzie Słonecznym, we wszystkich źródłach - Ziemi, Księżycu, planetach, asteroidach itp. …
Aby przyspieszyć protony do tak wysokich energii, nawet w LHC, używamy magnesów nadprzewodzących. Magnesy stają się nadprzewodnikami tylko wtedy, gdy są bardzo zimne. Można by pomyśleć, że przydałoby się to do stworzenia akceleratora cząstek w kosmosie. Kosmos jest bardzo zimny. Ale jeśli chodzi o nadprzewodnictwo, nie jest zbyt zimno. Przestrzeń kosmiczna ma temperaturę 2,7 kelvina, ale magnesy wymagają 1,9 kelvina. Blisko, ale nadal nie. W LHC temperatury te są osiągane przy użyciu ciekłego helu. Nie jest jasne, czy w pobliżu jest wystarczająco dużo ciekłego helu, aby schłodzić okrągły akcelerator wielkości Układu Słonecznego.
Przy tych energiach detektory muszą być ogromne. Będziesz musiał wyszkolić fizyków i zdobyć niezrozumiałą ilość mocy obliczeniowej. Będziesz potrzebował zaawansowanej robotyki, ochrony przed asteroidami, kometami i innymi odpadkami. A wszystko to nadal wymaga uruchomienia. Nie możesz wykorzystać energii Słońca, ponieważ maszyna otacza Słońce w odległości Neptuna. Urządzenie tej wielkości będzie wymagało przełomów energetycznych, które nie są możliwe w najbliższej przyszłości.
Taki eksperyment zmieniłby fizykę. W końcu takie eksperymenty pomagają fizykom zrozumieć, jak działają rzeczy, a taki akcelerator dostarczy przekonujących odpowiedzi na wiele pytań. Zmieni sposób myślenia ludzi. Zmieni to, co rozumiemy przez „zrozumienie”.
Gdybyśmy mieli zbudować zderzacz wokół zewnętrznej granicy Układu Słonecznego, wiedza, którą uzyskalibyśmy, dotyczy natury grawitacji, tego, jak połączyć mechanikę kwantową i ogólną teorię względności w jedno, o podróżach w czasie, o tym, co wydarzyło się w czasie Wielkiego Wybuchu. o tym, czy nasz Wszechświat może być tylko jednym z nieskończonej liczby wielu wszechświatów - tak wiele zmieniłoby nasze wyobrażenie o rzeczywistości, nasz stosunek do natury, ten język, rozumienie świata, ludzkości w ogóle, nasze miejsce we wszechświecie, że musieliśmy wymyśli nową koncepcję zrozumienia, aby to opisać.
Oczywiście nikt nie pracuje nad takim eksperymentem, chociaż CERN już opracowuje na papierze Future Circular Collider, którego tunel będzie miał 80-100 kilometrów długości. Jednak być może gdzieś we Wszechświecie pracuje nad takim projektem.
Byłoby fantastycznie, gdyby jakaś odległa cywilizacja gdzieś indziej we Wszechświecie już nad tym pracowała, a my przynajmniej mieliśmy okazję ją znaleźć i skontaktować się z nią, aby zapytać o wyniki nawet zwykłych fizycznych eksperymentów. Czy mają taką samą masę bozonu Higgsa? Czy znaleźli bozony X i Y, które pokazują zjednoczenie sił elektrosłabych i elektrosłabych? Czy dotarli do skali Plancka? Co to jest ciemna materia? Czy możemy cofnąć się w czasie?
Wszechświat będzie nadal działał według tych samych praw. Prawdziwe pytanie brzmi, czy ludzie kiedykolwiek będą w stanie zrozumieć te prawa.
Ilya Khel