Smagums ir neticami vājš. Vienkārši padomājiet par to: jūs varat pacelt kāju no zemes, neskatoties uz visu Zemes masu, kas to satver. Kāpēc viņa ir tik vāja? Nezināms. Un tas, iespējams, prasīs ļoti, ļoti apjomīgu zinātnisku eksperimentu. Džeimss Bekhems ir Djūka universitātes fiziķis, kurš strādā ar ATLAS detektoru slavenajā lielajā hadronu sadursmē Šveicē. Viņš nesen aprakstīja savu fizikas eksperimentu Gizmodo: neticami liels atomu paātrinātājs - Ultra-Hadron Collider -, kas atrodas Saules sistēmas ārējā malā.
Šāds eksperiments varētu uzreiz atrisināt lielāko daļu fizikas noslēpumu, piemēram, atklāt tumšās matērijas patieso dabu vai pierādīt laika ceļojuma iespēju.
Domas eksperiments: saules sistēmas lieluma sadursme
Fiziķi ir pārliecināti, ka zina Visuma pamatprincipus. Daļiņas mijiedarbojas caur spēkiem, no kuriem ir zināmi četri: elektromagnētisms; "Vāja" izturība; "Spēcīgs" spēks; smagums. Katram spēkam ir noteikumi, kurus simtiem gadu laikā esam atraduši eksperimentos. Dažas fundamentālas mijiedarbības ir spēcīgākas, citas - vājākas.
Salīdzinot ar pārējiem trim, "gravitācija nav tikai vāja, tā ir praktiski nenozīmīga," saka Beechams. Tālāk - no pirmās personas.
Lielajā hadronu sadursmē, kur es strādāju, mēs pētām dabas pamatnoteikumus, stumjot protonus kopā ar lielu enerģiju. Noteikumi, kurus mēs pētām, ir aprakstīti daļiņu un spēka terminoloģijā, un gravitācija ir vienīgais no četriem zināmajiem spēkiem, kuriem mēs pat nepievēršam uzmanību, aprēķinot protonu sadursmes ar visaugstāko enerģiju. Ja mēs nodrošinām spēcīgu mijiedarbību ar spēku 1, gravitācijai būs spēks 10-39. 39 nulles aiz komata. Tas ir, vispār nekas.
Reklāmas video:
Šis zinātnes noslēpums mums ir viens no nesaprotamākajiem. Kāpēc mijiedarbības spēki tiek sakārtoti šādā veidā? Kāpēc gravitācija ir tik vāja?
Daba ir tāda, kāda tā ir, neatkarīgi no tā, kā cilvēki to iedomājas. Bet eksperimenti parādīja, ka ar pietiekami augstu enerģiju elektromagnētisms un vājš spēks saplūst vienā spēkā. Pie augstākas enerģijas, zinātnieki uzskata, ka tām pievienosies arī spēcīga mijiedarbība. Bet smagums ir atšķirīgs. Zinātnieki nezina, vai gravitācija apvienosies ar pārējiem spēkiem ar pietiekami augstu enerģiju.
"Gravitācija ir dabas spēks, bet tās noteikumi - matemātika, kas ir tās pamatā, visprecīzākais apraksts - kaut kā ļoti atšķiras no pārējām," saka Beecham. Un viņš turpina:
Smagumu vislabāk raksturo Einšteina vispārējā relativitātes teorija, un pārējie trīs spēki, kas aprakstīti daļiņu fizikas standarta modelī, ir balstīti uz kvantu lauka teoriju. Un, lai arī ir līdzības, tās tomēr ir atšķirīgas. Tas ir, kad mēs naivi mēģinām tos sašūt, mēs saņemam bezjēdzīgas atbildes.
Pašreizējā Visumā, izmantojot mūsu pašreizējās tehnoloģijas, “gandrīz nav iespējams atrast empīrisku atbildi uz šo jautājumu,” saka Beechams. Kāpēc? "Mēs nevaram nonākt pie tik lielām sadursmes enerģijām, galvenokārt tāpēc, ka mēs nevaram izveidot pietiekami lielu sadursmi, lai to izdarītu." Viņš saka, ka daži teorētiķi uzskata, ka ir kaut kas cits (piemēram, citas daļiņas vai papildu telpiskās dimensijas, kā to ierosina stīgu teorija un tās paplašinātie modeļi), kas varētu parādīties eksperimentā, kurā gravitācija tiek apvienota ar citiem spēkiem.
Bet tam mums ir nepieciešams Saules sistēmas lieluma sadursme.
Pat 27 kilometru riņķveida lielais hadronu sadursme, kas izmanto supravadošus magnētus, lai paātrinātu un sadurstu protonu starus ar gaismas ātrumu 99,999999%, nav pietiekami ātrs, lai atbildētu uz šiem jautājumiem. Viņš var uzzināt tikai to, kāds bija Visums, kad tas bija ābola lielums. Zinātniekiem var būt nepieciešama vairāk enerģijas un tāpēc lielāks sadursme, lai saprastu visumu, kas ir mazāks par ābolu.
Cik vēl? Varbūt spēcīgos un vājos kodolieročus varētu apvienot ar ap Marsu uzceltu sadursmi. Bet, lai šim vienādojumam pievienotu smagumu, “pēc dažām aptuvenām aplēsēm Neptūna orbītas apņemšanai būtu nepieciešams sadursme. Turklāt daži zinātnieki apgalvo, ka šī aplēse ir ļoti aptuvena, un mums būs jāveido lielāks loks. Ieguvumi būtu milzīgi - šāds sadursme spēs pārbaudīt Planck skalas, mazākās skalas, kuras mēs varam izpētīt, ja to atļauj kvantu mehānika. “Mēs saprastu visu par gravitāciju, par kvantu mehāniku, un pa to laiku mēs tāpat iegūtu kombinētu elektropreces un elektriski spēcīgu spēku, kam seko laika ceļojums, virkņu teorija, tumšā matērija, tumšā enerģija, mērījumu problēma, vairāku universu teorija. utt.
Kas? Ceļošana laikā? Pēc Bēčama teiktā, mēs iegūtu tik detalizētu izpratni par Visumu un to, kā darbojas laiks-laiks, ka mēs, iespējams, varētu likt savas zināšanas nākotnes tehnoloģiju pamatā manipulēšanai ar laiku.
"Iespējams, ka gravitācijas spēks un citi dabas spēki apvienojas ar dažām ārkārtīgi lielām enerģijām, taču, lai izpētītu šo jautājumu, mums būs jāizveido tāds sadursme kā LHC, kas apņem Saules sistēmas ārējās robežas vai pat vairāk."
Diemžēl Beecham domu eksperiments šobrīd nav realizējams:
“Tehnoloģija, cilvēku spēks un resursi, lai izveidotu daļiņu sadursmi, kas apņem Saules sistēmas ārējās robežas, vienkārši nepastāv. Pat ja mēs LHC izmantotu esošā paātrinātāja un detektora tehnoloģijas, mērogs būtu problēma vispraktiskākajā nozīmē: nav skaidrs, vai ir pietiekami daudz materiālu, lai izveidotu šo kolosu Saules sistēmā, pie visiem avotiem - Zemes, Mēness, planētām, asteroīdiem utt. …
Un, lai paātrinātu protonus tik lielām enerģijām, pat LHC, mēs izmantojam supravadošos magnētus. Magnēti kļūst par supravadītājiem tikai tad, ja tos padarīsiet ļoti aukstus. Varētu domāt, ka tas būtu noderīgi, lai kosmosā izveidotu daļiņu paātrinātāju. Kosmosā ir ļoti auksts. Bet attiecībā uz supravadītspēju tas nav ļoti auksts. Kosmosa temperatūra ir 2,7 kelvini, bet magnētiem nepieciešama 1,9 kelvini. Aizveries, bet tomēr nē. LHC šīs temperatūras tiek sasniegtas, izmantojot šķidru hēliju. Nav skaidrs, vai tuvumā ir pietiekami daudz hēlija, lai atdzesētu Saules sistēmas izmēra riņķveida paātrinātāju.
Pie šīm enerģijām detektoriem jābūt milzīgiem. Jums būs jāapmāca fiziķi un jāapgūst neizprotams skaitļošanas jaudas apjoms. Jums būs nepieciešama uzlabota robotika, aizsardzība pret asteroīdiem, komētām un citiem gružiem. Un tas viss joprojām ir jāuzsāk. Jūs nevarat izmantot Saules enerģiju, jo mašīna ieskauj Sauli no Neptūna attāluma. Šāda izmēra ierīcei būs nepieciešami enerģijas pārrāvumi, kas tuvākajā nākotnē nav iespējami.
Šāds eksperiments mainītu fiziku. Galu galā šādi eksperimenti palīdz fiziķiem saprast, kā lietas darbojas, un šāds paātrinātājs sniegs pārliecinošas atbildes uz daudziem jautājumiem. Tas mainīs cilvēku domāšanas veidu. Mainīs to, ko mēs domājam ar "izpratni".
Ja mēs uzbūvētu sadursmi ap Saules sistēmas ārējo robežu, zināšanas, kuras mēs iegūsim, ir par gravitācijas dabu, par to, kā apvienot kvantu mehāniku un vispārējo relativitāti vienā, par laika braucieniem, par to, kas notika Lielā sprādziena laikā, par to, vai mūsu Visums var būt tikai viens no bezgalīga skaita daudzu Visumu kopskaitā - tik daudz kas mainītu mūsu ideju par realitāti, attieksmi pret dabu, šo valodu par to, izpratni par pasauli, cilvēci kopumā, mūsu vietu Visumā, kas mums bija izgudrotu jaunu izpratnes jēdzienu, lai to aprakstītu.
Acīmredzot neviens no cilvēkiem nestrādā pie šāda eksperimenta, kaut arī CERN jau uz papīra izstrādā Future Circular Collider, kura tunelis būs 80–100 kilometru garš. Tomēr, iespējams, kaut kur Visumā strādā pie šāda projekta.
Būtu fantastiski, ja kaut kāda attāla civilizācija kaut kur citur Visumā jau strādātu pie šī, un mums bija vismaz iespēja viņu atrast un sazināties ar viņu, lai pajautātu pat parastu fizisko eksperimentu rezultātiem. Vai viņiem ir tāda pati Higsa boza masa? Vai viņi atrada X un Y bozonus, kas demonstrē elektrisko signālu un elektrostrong spēku apvienošanos? Vai viņi nokļuva Planka mērogā? Kas ir tumšā matērija? Vai mēs varam virzīties atpakaļ laikā?
Visums turpinās darboties saskaņā ar tiem pašiem likumiem. Patiesais jautājums ir, vai cilvēki kādreiz spēs izprast šos likumus.
Iļja Khel