Gravitacija je neverjetno šibka. Samo pomislite: nogo lahko dvignete od tal, kljub celotni masi Zemlje, ki jo zgrabi. Zakaj je tako šibka? Neznano. In morda bo potreben zelo, zelo velik znanstveni poskus. James Beecham je fizik z univerze Duke, ki sodeluje z detektorjem ATLAS na slovitem velikem hadronskem trkalniku v Švici. Pred kratkim je opisal svoj fizikalni eksperiment za Gizmodo: neverjetno velik atomski pospeševalnik - Ultra-hadronski trkalnik -, ki se nahaja na zunanjem robu sončnega sistema.
Tak poskus bi lahko takoj rešil večino fizik fizike, na primer razkril resnično naravo temne snovi ali dokazal možnost potovanja v času.
Miselni eksperiment: trkalnik velikosti solarnega sistema
Fiziki so prepričani, da poznajo osnovna načela vesolja. Delci delujejo med silami, od tega so znane štiri: elektromagnetizem; "Šibka" moč; "Močna" moč; gravitacija. Vsaka sila ima pravila, ki smo jih skozi eksperimente našli v več sto letih. Nekatere temeljne interakcije so močnejše, nekatere šibkejše.
V primerjavi z ostalimi tremi "gravitacija ni le šibka, je praktično nepomembna," pravi Beecham. Nadalje - od prve osebe.
Na Velikem hadronskem trkalniku, kjer sem delal, preučujemo osnovna, osnovna pravila narave s potiskanjem protonov skupaj pri visoki energiji. Pravila, ki jih raziskujemo, so opisana v terminologiji delcev in sil, gravitacija pa je edina od štirih znanih sil, na katere sploh ne bomo pozorni pri izračunu najvišjih energijskih trkov protonov. Če si privoščimo močno interakcijo s silo 1, bo imela gravitacija silo 10-39. 39 ničel za decimalno vejico. Se pravi, sploh nič.
Promocijski video:
Ta skrivnost znanosti je ena najbolj nerazumljivih za nas. Zakaj so sile medsebojnega delovanja postrojene na ta način? Zakaj je gravitacija tako šibka?
Narava je takšna, kot je, ne glede na to, kako si jo ljudje predstavljajo. Toda poskusi so pokazali, da se pri dovolj visokih energijah elektromagnetizem in šibka sila združita v eno silo. Znanstveniki verjamejo, da se ob še višjih energijah pridružijo tudi močne interakcije. A gravitacija je drugačna. Znanstveniki ne vedo, ali se bo gravitacija združila s preostalimi silami pri dovolj visokih energijah.
"Gravitacija je sila narave, vendar so njena pravila - matematika, na kateri temelji, najbolj natančen opis - nekako zelo različna od ostalih," pravi Beecham. In nadaljuje:
Gravitacijo najbolje opiše Einsteinova splošna teorija relativnosti, ostale tri sile, ki jih opisuje standardni model fizike delcev, pa temeljijo na kvantni teoriji polja. In čeprav obstajajo podobnosti, so različne. Se pravi, ko jih naivno poskušamo zašiti, dobimo nesmiselne odgovore.
V našem današnjem vesolju z uporabo naše trenutne tehnologije "skoraj ni mogoče najti empiričnega odgovora na to vprašanje," pravi Beecham. Zakaj? "Ne moremo priti do tako visokih energij trka, predvsem zato, ker ne moremo sestaviti trčnega trkalca, ki bi bil dovolj velik za to." Pravi, da nekateri teoretiki verjamejo, da se lahko v eksperimentu, ki kombinira gravitacijo z drugimi silami, pojavi še nekaj drugega (kot drugi delci ali dodatne prostorske dimenzije, kot to predlaga teorija strun in njegovi razširjeni modeli).
Toda za to potrebujemo trkalnik velikosti solarnega sistema.
Tudi 27-kilometrski krožni veliki hadronski trkalnik, ki uporablja superprevodne magnete za pospeševanje in trčenje protonskih žarkov pri 99,999999% hitrosti svetlobe, ni dovolj hiter, da bi odgovoril na ta vprašanja. Lahko ugotovi, kakšno je bilo vesolje, ko je bilo veliko jabolko. Znanstveniki morda potrebujejo več energije in zato večji trkalnik, da bi imeli vesolje manjše od jabolka.
Koliko več? Morda bi močne in šibke jedrske sile lahko kombinirali s trkalnikom, zgrajenim okoli Marsa. Toda če dodamo gravitaciji tej enačbi, "bi po nekaterih grobih ocenah za obkrožitev Neptunove orbite potreboval trkalnik. Poleg tega nekateri znanstveniki trdijo, da je ta ocena zelo groba in morali bomo zgraditi večji obroč. " Koristi bi bile ogromne - tak trkalnik bi lahko preizkusil lestvice Planck, kar omogoča najmanjša lestvica, ki jo lahko pogledamo v to kvantno mehaniko. "Razumeli bi vse o gravitaciji, o kvantni mehaniki, vmes pa bi dobili tudi kombinirano elektroteko in elektro-močno silo, ki ji sledijo potovanje časa, teorija strun, temna snov, temna energija, problem merjenja, teorija več univerzumov itd.
Kaj? Potovanje skozi čas? Po Beechamu bi dobili tako podrobno razumevanje vesolja in tega, kako deluje vesolje in čas, da bi svoje znanje morda postavili v osnovo prihodnjih tehnologij za manipuliranje s časom.
"Mogoče je, da se sila gravitacije in druge sile narave združijo pri izredno visokih energijah, toda za preučitev tega vprašanja bomo morali ustvariti trkalnik, kot je LHC, obdati zunanje dosege osončja ali celo več."
Žal Beechamov miselni eksperiment trenutno ni izvedljiv:
„Tehnologija, človeška moč in viri za ustvarjanje trkalca delcev, ki obdaja zunanje dosege sončnega sistema, preprosto ne obstajajo. Tudi če bi vzeli tehnologije obstoječega pospeševalnika in detektorja na LHC, bi tehtnica predstavljala težavo v najbolj praktičnem smislu: ni jasno, ali je na voljo dovolj materiala, da lahko ta kolobar ustvari v osončju, na vseh virih - na Zemlji, Luni, planetih, asteroidih itd. …
In za pospeševanje protonov do tako visokih energij, tudi pri LHC, uporabljamo superprevodne magnete. Magneti postanejo superprevodniki le, če jih naredite zelo hladne. Človek bi si mislil, da bi bilo to koristno za ustvarjanje pospeševalca delcev v vesolju. V kozmosu je zelo hladno. Toda za superprevodnost ni zelo hladno. Zunanji prostor ima temperaturo 2,7 Kelvina, vendar magneti potrebujejo 1,9 Kelvina. Zapri, a še vedno ne. Pri LHC se te temperature dosežejo s pomočjo tekočega helija. Ni jasno, ali je kjerkoli v bližini dovolj tekočega helija, da lahko krožni pospeševalnik ohladi velikost sončnega sistema.
Pri teh energijah morajo biti detektorji ogromni. Usposobiti boste fizike in pridobiti nerazumljivo količino računalniške moči. Potrebovali boste napredno robotiko, zaščito pred asteroidi, kometi in drugimi naplavinami. In vse to je še treba sprožiti. Ne morete uporabiti Sončeve energije, ker stroj obdaja Sonce na razdalji Neptuna. Naprava take velikosti bo zahtevala energetske preboje, ki v bližnji prihodnosti niso izvedljivi.
Tak poskus bi spremenil fiziko. Navsezadnje takšni poskusi fizikom pomagajo razumeti, kako stvari delujejo, in takšen pospeševalnik bo zagotovil prepričljive odgovore na številna vprašanja. Spremenilo bo način razmišljanja ljudi. Spremenilo bo to, kar mislimo z "razumevanjem".
Če bi gradili trkalnik okoli zunanje meje osončja, bi znanje, ki ga bomo pridobili, temeljilo na naravi gravitacije, o tem, kako združiti kvantno mehaniko in splošno relativnost v eno, o časovnem potovanju, o tem, kaj se je zgodilo v času velikega poka, o tem, ali je lahko naše Vesolje le eno od neskončnega števila več vesoljev - spremenilo bi našo predstavo o resničnosti, naš odnos do narave, ta njen jezik, razumevanje sveta, človeštva na splošno, naše mesto v vesolju toliko, da smo morali bi izumil nov koncept razumevanja, ki bi ga opisal.
Očitno nihče ne dela takega poskusa, čeprav CERN že na papirju razvija Future Circular Collider, katerega predor bo dolg 80-100 kilometrov. Vendar pa morda nekje v vesolju dela takšen projekt.
Bilo bi fantastično, če bi kakšna oddaljena civilizacija nekje drugje v Vesolju že delala na tem in smo imeli vsaj priložnost, da jo poiščemo in kontaktiramo, da bi povprašali o rezultatih celo običajnih fizičnih eksperimentov. Imajo enako maso Higgsovega bozona? Ali so našli X in Y bozone, ki dokazujejo poenotenje elektroboba in elektroostrenih sil? So prišli do Planckove lestvice? Kaj je temna snov? Ali se lahko premaknemo nazaj v čas?
Vesolje bo še naprej delovalo po istih zakonih. Pravo vprašanje je, ali bodo ljudje kdaj lahko razumeli te zakone.
Ilya Khel