Gravitácia je neuveriteľne slabá. Len o tom premýšľajte: nohu môžete zdvihnúť zo zeme, napriek celej hmote Zeme, ktorá ju uchopí. Prečo je tak slabá? Neznáme. A môže to trvať veľmi, veľmi veľký vedecký experiment. James Beecham je fyzikom Duke University, ktorý pracuje s detektorom ATLAS na slávnom Large Hadron Collider vo Švajčiarsku. Nedávno opísal svoj fyzikálny experiment pre Gizmodo: neuveriteľne veľký atómový urýchľovač - ultrad Hadronský urýchľovač - umiestnený na vonkajšom okraji slnečnej sústavy.
Takýto experiment by mohol okamžite vyriešiť väčšinu záhad fyziky, napríklad odhaliť skutočnú povahu temnej hmoty alebo dokázať možnosť cestovania v čase.
Myšlienkový experiment: kolízor veľkosti slnečnej sústavy
Fyzici sú presvedčení, že poznajú základné princípy vesmíru. Častice interagujú prostredníctvom síl, z ktorých sú známe štyri: elektromagnetizmus; Slabá sila; „Silná“sila; gravitácia. Každá sila má pravidlá, ktoré sme našli pomocou experimentov za stovky rokov. Niektoré základné interakcie sú silnejšie, iné slabšie.
V porovnaní s ostatnými tromi „gravitácia nie je len slabá, je prakticky zanedbateľná,“hovorí Beecham. Ďalej - od prvej osoby.
Na Veľkom Hadronovom zrážači, kde som pracoval, študujeme základné, základné pravidlá prírody tak, že spoločne tlačíme protóny pri vysokých energiách. Pravidlá, ktoré skúmame, sú opísané v terminológii častíc a síl a gravitácia je jediná zo štyroch známych síl, ktorým ani pri výpočte najvyšších energetických zrážok protónov nevenujeme pozornosť. Ak poskytneme silnú interakciu so silou 1, gravitácia bude mať silu 10-39. 39 núl za desatinnou čiarkou. To znamená, že vôbec nič.
Propagačné video:
Toto tajomstvo vedy je pre nás jedno z najrozumiteľnejších. Prečo sú sily interakcie usporiadané týmto spôsobom? Prečo je gravitácia taká slabá?
Príroda je to, čo to je, bez ohľadu na to, ako si to ľudia myslia. Pokusy však ukázali, že pri dostatočne vysokej energii sa elektromagnetizmus a slabá sila spoja do jednej sily. Vedci veria, že pri ešte vyššej energii sa k nim pripoja aj silné interakcie. Ale gravitácia je iná. Vedci nevedia, či sa gravitácia spojí so zvyškom síl pri dostatočne vysokej energii.
„Gravitácia je silou prírody, ale jej pravidlá - matematika, ktorá je jej základom, najpresnejší opis - sa nejako veľmi líšia od ostatných,“hovorí Beecham. A pokračuje:
Gravitácia je najlepšie opísaná Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity, zatiaľ čo ostatné tri sily, ktoré sú opísané v štandardnom modeli fyziky častíc, sú založené na teórii kvantového poľa. A hoci existujú podobnosti, sú odlišné. To znamená, že keď sa ich naivne snažíme zošívať, dostaneme nezmyselné odpovede.
V našom súčasnom vesmíre je pomocou súčasnej technológie „takmer nemožné nájsť empirickú odpoveď na túto otázku,“hovorí Beecham. Prečo? "Nemôžeme sa dostať k tak vysokej energii zrážky, predovšetkým preto, že nemôžeme postaviť kolizéra dosť veľký na to." Hovorí, že niektorí teoretici sa domnievajú, že existuje niečo iné (ako iné častice alebo extra priestorové dimenzie, ako to navrhuje teória strún a jeho rozšírené modely), ktoré by sa mohli objaviť v experimente, ktorý kombinuje gravitáciu s inými silami.
Na to však potrebujeme kolektor veľkosti veľkosti solárneho systému.
Dokonca ani 27-kilometrový kruhový Large Hadron Collider, ktorý používa supravodivé magnety na urýchlenie a zrážanie protónových lúčov pri 99,999999% rýchlosti svetla, nie je dosť rýchly na zodpovedanie týchto otázok. Dokáže len zistiť, aký bol vesmír, keď to bola veľkosť jablka. Vedci môžu potrebovať viac energie, a preto väčší nárazník, aby zmysel pre vesmír menší ako jablko.
Koľko ešte? Možno by sa silné a slabé jadrové sily mohli skombinovať s nárazníkom vybudovaným okolo Marsu. Ale aby som do tejto rovnice pridal gravitáciu, „podľa niektorých hrubých odhadov by bolo potrebné obkľúčiť Neptúnovu obežnú dráhu. Niektorí vedci navyše tvrdia, že tento odhad je veľmi hrubý a budeme musieť vybudovať väčší kruh. ““Výhody by boli obrovské - taký kolider by bol schopný testovať Planckove váhy, najmenšie škály, ktoré môžeme skúmať, čo umožňuje kvantová mechanika. "Chceli by sme pochopiť všetko o gravitácii, kvantovej mechanike a medzitým by sme tiež dostali kombinovanú elektroslabú a elektro-silnú silu, presne tak ako to nasledovalo cestovanie v čase, teória strún, temná hmota, temná energia, problém merania, teória viacerých vesmírov." atď.
Čo? Cestovanie v čase? Podľa Beechama by sme získali také podrobné pochopenie vesmíru a toho, ako funguje časopriestor, že by sme mohli dať naše znalosti do základu budúcich technológií pre manipuláciu s časom.
„Je možné, že gravitačná sila a ďalšie prírodné sily sa kombinujú pri niektorých extrémne vysokých energiách, ale aby sme mohli túto otázku preskúmať, musíme si vytvoriť kolizér, ako je LHC, obklopujúci vonkajšie dosahy slnečnej sústavy alebo ešte viac.“
Bohužiaľ, experiment Beechamovho myslenia nie je v tejto chvíli uskutočniteľný:
„Technológia, ľudská sila a zdroje na vytvorenie zrážača častíc, ktorý obklopuje vonkajšie dosahy slnečnej sústavy, jednoducho neexistujú. Aj keby sme si vzali technológie existujúceho urýchľovača a detektora na LHC, mierka by bola problémom v najpraktickejšom zmysle: nie je jasné, či je dostatok materiálu na vytvorenie tohto kolosu v slnečnej sústave, na všetkých zdrojoch - na Zemi, Mesiac, planétach, asteroidoch atď. …
A na urýchlenie protónov k takýmto vysokým energiám, dokonca aj na LHC, používame supravodivé magnety. Magnety sa stávajú supravodičmi, iba ak sú veľmi chladné. Človek by si myslel, že by to bolo užitočné na vytvorenie urýchľovača častíc vo vesmíre. Vesmír je veľmi chladný. Ale pre supravodivosť to nie je príliš chladno. Vonkajší priestor má teplotu 2,7 Kelvina, ale magnety vyžadujú 1,9 Kelvina. Zatvorte, ale stále nie. Pri LHC sa tieto teploty dosahujú pomocou kvapalného hélia. Nie je jasné, či je kdekoľvek v okolí dostatok tekutého hélia na ochladenie kruhového urýchľovača veľkosti slnečnej sústavy.
Pri týchto energiách musia byť detektory obrovské. Budete musieť trénovať fyzikov a získať nepochopiteľné množstvo výpočtového výkonu. Budete potrebovať pokročilú robotiku, ochranu pred asteroidmi, kométami a inými troskami. A to všetko ešte treba uviesť do pohybu. Energiu Slnka nemôžete využívať, pretože zariadenie obklopuje Slnko vo vzdialenosti od Neptúna. Zariadenie tejto veľkosti bude vyžadovať prielomy v oblasti energie, ktoré nie sú v blízkej budúcnosti možné.
Takýto experiment by zmenil fyziku. Takéto experimenty napokon pomáhajú fyzikom pochopiť, ako veci fungujú, a takýto urýchľovač poskytne presvedčivé odpovede na mnoho otázok. Zmení to spôsob, akým si ľudia myslia. Zmení to tým, čo myslíme „porozumením“.
Keby sme stavali zrážku okolo vonkajšej hranice slnečnej sústavy, vedomosti, ktoré by sme získali, sú o povahe gravitácie, o tom, ako spojiť kvantovú mechaniku a všeobecnú relativitu do jedného, o cestovaní v čase, o tom, čo sa stalo v čase Veľkého tresku., o tom, či náš vesmír môže byť iba jedným z nekonečného množstva rozmanitých vesmírov - by zmenilo našu predstavu o realite, náš prístup k prírode, tento jazyk toho, porozumenie svetu, ľudskosti všeobecne, naše miesto vo vesmíre natoľko, že sme museli by vymyslel nový koncept porozumenia, ktorý by ho opísal.
Je zrejmé, že na takom experimente nikto nepracuje, hoci CERN už na papieri vyvíja budúci okružný nárazník, ktorého tunel bude mať dĺžku 80 - 100 kilometrov. Možno však niekde vo vesmíre pracuje na takomto projekte.
Bolo by fantastické, keby na tom už nejaká vzdialená civilizácia niekde vo vesmíre pracovala a my sme mali aspoň príležitosť ju nájsť a kontaktovať, aby sme sa spýtali na výsledky dokonca aj bežných fyzických experimentov. Majú rovnakú hmotnosť ako Higgsov bozón? Našli bozóny X a Y, ktoré preukazujú zjednotenie elektroslabých a elektricky silných síl? Dostali sa k Planckovej stupnici? Čo je temná hmota? Môžeme sa vrátiť v čase?
Vesmír bude naďalej fungovať podľa rovnakých zákonov. Skutočnou otázkou je, či ľudia budú niekedy schopní porozumieť týmto zákonom.
Ilja Khel