Tyngdekraften er utrolig svak. Bare tenk på det: du kan løfte foten din fra bakken, til tross for hele jordmassen som griper den. Hvorfor er hun så svak? Ukjent. Og det kan ta et veldig, veldig stort vitenskapelig eksperiment å finne ut av. James Beecham er fysiker fra Duke University som jobber med ATLAS-detektoren ved den berømte Large Hadron Collider i Sveits. Han beskrev nylig sitt fysikkeksperiment for Gizmodo: en utrolig stor atomakselerator - Ultra-Hadron Collider - som ligger i ytterkanten av solsystemet.
Et slikt eksperiment kunne løse de fleste fysikkens mysterier med en gang, for eksempel avsløre mørk materies sanne natur eller bevise muligheten for tidsreiser.
Tankeeksperiment: en solfangerstørrelse
Fysikere er sikre på at de kjenner de grunnleggende prinsippene i universet. Partikler samvirker gjennom krefter, hvorav fire er kjent: elektromagnetisme; "Svak" styrke; "Sterk" styrke; tyngdekraften. Hver styrke har regler som vi har funnet gjennom eksperimenter gjennom hundrevis av år. Noen grunnleggende interaksjoner er sterkere, andre er svakere.
Sammenlignet med de tre andre, "tyngdekraften er ikke bare svak, den er praktisk talt ubetydelig," sier Beecham. Videre - fra første person.
På Large Hadron Collider, der jeg jobbet, studerer vi de grunnleggende, elementære naturreglene ved å skyve protoner sammen med høye energier. Reglene vi undersøker er beskrevet i partikkel- og kraftterminologi, og tyngdekraften er den eneste av de fire kjente kreftene som vi ikke engang tar hensyn til når vi beregner de høyeste energiprotonkollisjonene. Hvis vi gir en sterk interaksjon med en styrke på 1, vil tyngdekraften ha en styrke på 10-39. 39 nuller etter desimalet. Det vil si ingenting i det hele tatt.
Salgsfremmende video:
Dette vitenskapens mysterium er noe av det mest uforståelige for oss. Hvorfor er interaksjonskreftene stilt opp på denne måten? Hvorfor er tyngdekraften så svak?
Naturen er hva den er, uansett hvordan folk forestiller seg den. Men eksperimenter har vist at ved høye nok energier, elektromagnetisme og svak kraft smelter sammen til en kraft. Ved enda høyere energi, mener forskere, vil sterke interaksjoner også bli med dem. Men tyngdekraften er annerledes. Forskere vet ikke om tyngdekraften vil kombinere med resten av kreftene med høye nok energier.
"Tyngdekraften er en naturkraft, men dens regler - matematikken som ligger til grunn for den, den mest nøyaktige beskrivelsen - er på en måte veldig forskjellig fra resten," sier Beecham. Og han fortsetter:
Tyngdekraften beskrives best av Einsteins teori om generell relativitet, mens de tre andre kreftene som er beskrevet av standardmodellen for partikkelfysikk er basert på kvantefeltteori. Og selv om det er likheter, er de forskjellige. Det vil si at når vi naivt prøver å sy dem sammen, får vi meningsløse svar.
I vårt nåværende univers, bruker vår nåværende teknologi, "er det nesten umulig å finne et empirisk svar på dette spørsmålet," sier Beecham. Hvorfor? "Vi kan ikke komme til så høye kollisjonsenergier, først og fremst fordi vi ikke kan bygge en kollider stor nok til å gjøre dette." Han sier at noen teoretikere mener at det er noe annet (som andre partikler eller ekstra romlige dimensjoner, som antydet av strengteori og dens utvidede modeller) som kan vises i et eksperiment som kombinerer tyngdekraft med andre krefter.
Men for det trenger vi en solfangerstørrelse.
Selv den 27 kilometer lange sirkulære Large Hadron Collider, som bruker superledende magneter for å akselerere og kollidere protonstråler med 99.999999% av lysets hastighet, er ikke rask nok til å svare på disse spørsmålene. Han kan bare finne ut hvordan universet var, da det var på størrelse med et eple. Forskere kan trenge mer energi og derfor en større kollider for å gi mening om et univers som er mindre enn et eple.
Hvor mye mer? Kanskje sterke og svake atomkrefter kan kombineres med en kollider som er bygget rundt Mars. Men for å legge tyngdekraften til denne ligningen, “i følge noen grove estimater, vil det være nødvendig med en kollider for å omkretse Neptuns bane. Dessuten hevder noen forskere at dette estimatet er veldig grovt, og at vi må bygge en større ring. " Fordelene ville være enorme - en slik kollider ville kunne teste Planck-skalaene, de minste skalaene vi kan se nærmere på som kvantemekanikken tillater. "Vi ville forstå alt om tyngdekraft, om kvantemekanikk, og i mellomtiden også få en kombinert elektrok og elektrostrengskraft akkurat slik, etterfulgt av tidsreiser, strengteori, mørk materie, mørk energi, måleproblemet, teorien om flere universer etc.
Hva? Tidsreiser? I følge Beecham ville vi få en så detaljert forståelse av universet og hvordan romtid fungerer at vi muligens kan legge kunnskapen vår i grunnlaget for fremtidige teknologier for å manipulere tid.
"Det er mulig at tyngdekraften og andre krefter i naturen kombineres ved ekstremt høye energier, men for å undersøke dette problemet må vi lage en kollider som LHC, og omkranser de ytre delene av solsystemet eller enda mer."
Dessverre er Beechams tankeeksperiment ikke mulig på nåværende tidspunkt:
“Teknologien, menneskets styrke og ressurser for å lage en partikkelbårenhet som omkranser de ytre delene av solsystemet, eksisterer rett og slett ikke. Selv om vi tok teknologiene til den eksisterende gasspedalen og detektoren på LHC, ville omfanget være et problem i mest praktisk forstand: det er ikke klart om det er nok materiale til å lage denne kolossen i solsystemet, til alle kilder - Jorden, Månen, planeter, asteroider, etc. …
Og for å akselerere protoner til så høye energier, selv ved LHC, bruker vi superledende magneter. Magneter blir superledere bare hvis du gjør dem veldig kalde. Man skulle tro at dette ville være nyttig for å lage en partikkelakselerator i rommet. Kosmos er veldig kaldt. Men for superledelse er det ikke veldig kaldt. Det ytre rommet har en temperatur på 2,7 Kelvin, men magneter krever 1,9 Kelvin. Tett, men likevel ikke. Ved LHC oppnås disse temperaturene ved bruk av flytende helium. Det er uklart om det er nok flytende helium hvor som helst i nærheten til å avkjøle en sirkulær akselerator på størrelse med solsystemet.
Ved disse energiene må detektorene være enorme. Du må trene fysikere og skaffe deg en uforståelig datamaskinekraft. Du trenger avansert robotikk, beskyttelse mot asteroider, kometer og annet rusk. Og alt dette må fortsatt settes i gang. Du kan ikke bruke solens energi, fordi maskinen omgir sola på avstand fra Neptun. En enhet av denne størrelsen vil kreve energigjennomslag som ikke er gjennomførbare i nær fremtid.
Et slikt eksperiment ville endre fysikk. Tross alt hjelper slike eksperimenter fysikere til å forstå hvordan ting fungerer, og en slik akselerator vil gi overbevisende svar på mange spørsmål. Det vil endre måten folk tenker. Vil endre hva vi mener med "forståelse."
Hvis vi bygde en kollider rundt solsystemets ytre grense, handler kunnskapen vi skulle tilegne oss om tyngdekraften, hvordan man kan kombinere kvantemekanikk og generell relativitet i en, om tidsreiser, om hva som skjedde på tidspunktet for Big Bang, om hvorvidt universet vårt bare kan være et av et uendelig antall flere universer - så mye ville endre ideen vår om virkeligheten, vår holdning til naturen, dette språket av det, forståelsen av verden, menneskeheten generelt, vår plass i universet, at vi måtte ville oppfinne et nytt forståelsesbegrep for å beskrive det.
Det er klart, ingen jobber med et slikt eksperiment, selv om CERN allerede er i ferd med å utvikle Future Circular Collider på papir, hvis tunnel vil være 80-100 kilometer lang. Imidlertid jobber et sted i universet med et slikt prosjekt.
Det ville være fantastisk hvis en fjern sivilisasjon et annet sted i Universitetet allerede hadde arbeidet med dette, og vi hadde i det minste muligheten til å finne og kontakte henne for å spørre om resultatene av til og med vanlige fysiske eksperimenter. Har de samme masse Higgs-bosonet? Fant de X- og Y-bosoner som demonstrerer samlingen av elektro-svake og elektrostrengkrefter? Kom de til Planck-skalaen? Hva er mørk materie? Kan vi flytte tilbake i tid?
Universet vil fortsette å operere i henhold til de samme lovene. Det virkelige spørsmålet er om mennesker noen gang vil være i stand til å forstå disse lovene.
Ilya Khel
