A gravitáció hihetetlenül gyenge. Gondolj csak bele: emelheti le a lábát a földről, annak ellenére, hogy a Föld teljes tömege megragadja. Miért olyan gyenge? Ismeretlen. És nagyon-nagyon nagy tudományos kísérletre lehet szükség, hogy megtudja. James Beecham egy Duke Egyetem fizikusa, aki az ATLAS detektorral dolgozik a híres svájci Large Hadron ütközőn. Nemrég írta le a Gizmodo fizikai kísérletét: egy hihetetlenül nagy atomgyorsítót - az Ultra-Hadron ütközőt -, amely a Naprendszer külső peremén található.
Egy ilyen kísérlet megoldhatja a fizika legtöbb rejtélyét azonnal, például felfedheti a sötét anyag valódi természetét vagy bizonyítja az időutazás lehetőségét.
Gondolatkísérlet: egy Naprendszer méretű ütköző
A fizikusok biztosak abban, hogy ismerik a világegyetem alapelveit. A részecskék kölcsönhatásba lépnek erőkön keresztül, amelyek közül négy ismert: elektromágnesesség; "Gyenge" erő; "Erős" erő; gravitáció. Mindegyik erőnek vannak szabályai, amelyeket több száz éves kísérletek során találtunk meg. Néhány alapvető interakció erősebb, mások gyengébb.
A másik háromhoz képest "a gravitáció nem csak gyenge, gyakorlatilag jelentéktelen" - mondja Beecham. Tovább - az első személytől.
A nagy hadron ütközőn, ahol dolgoztam, a természet alapvető, alapvető szabályait tanulmányozzuk a protonok nagy energiák közötti összenyomásával. A vizsgált szabályokat a részecske és az erő terminológiája írja le, és a gravitáció a négy ismert erő közül az egyetlen, amelyre még nem is figyelünk, amikor a protonok legnagyobb energia ütközéseit kiszámoljuk. Ha erős kölcsönhatást adunk 1-es erővel, akkor a gravitáció erőssége 10-39. 39 nulla a tizedes pont után. Vagyis egyáltalán nem.
Promóciós videó:
A tudomány e rejtélye számunkra az egyik leginkább érthetetlen. Miért vannak az interakció erői ilyen módon felsorakoztatva? Miért olyan nehéz a gravitáció?
A természet olyan, amilyen az, függetlenül attól, hogy az emberek hogyan képzelik el. A kísérletek azonban kimutatták, hogy elég magas energiák esetén az elektromágnesesség és a gyenge erő egyesül egy erőbe. A tudósok szerint még magasabb energiáknál is erős interakciók kapcsolódnak hozzájuk. De a gravitáció más. A tudósok nem tudják, hogy a gravitáció elegendő energián keresztül kombinálódik-e a többi erővel.
"A gravitáció a természet erője, de annak szabályai - a mögöttes matematika, a legpontosabb leírás - valahogy nagyon különböznek a többi részétől" - mondja Beecham. És folytatja:
A gravitációt Einstein általános relativitáselmélete írja le legjobban, a másik három erő, amelyet a részecskefizika standard modellje ír le, kvantummező-elméletre épül. És bár vannak hasonlóságok, ezek eltérőek. Vagyis amikor naiv módon megpróbáljuk összevarrni őket, értelmetlen válaszokat kapunk.
A jelenlegi univerzumunkban, a jelenlegi technológiánkat használva, „szinte lehetetlen empirikus választ találni erre a kérdésre” - mondja Beecham. Miért? "Nem érhetünk el ilyen magas ütközési energiát, elsősorban azért, mert nem tudunk ehhez elég nagy ütközőt építeni." Azt mondja, hogy egyes teoretikusok úgy vélik, hogy van valami más (mint más részecskék vagy extra térbeli méretek, amint azt a húrelmélet és annak kibővített modelljei javasolják), ami megjelenhet egy olyan kísérletben, amely a gravitációt más erővel kombinálja.
De ehhez szükség van egy Naprendszer méretű ütközőre.
Még a 27 kilométeres kör alakú nagy hadron-ütköző, amely szupravezető mágneseket használ a protonnyalábok 99,999999% -os fénysebesség mellett történő gyorsításához és ütközéséhez, nem elég gyors ahhoz, hogy megválaszolja ezeket a kérdéseket. Csak akkor tudja megtudni, milyen volt az univerzum, amikor alma méretű volt. A tudósoknak több energiára van szükségük, és ezért nagyobb ütközőre van szükségük, hogy egy almánál kisebb univerzumot értelmezzenek.
Mennyivel többet? Talán az erős és gyenge nukleáris erők kombinálhatók egy ütközővel, amelyet a Mars körül építettek. De ahhoz, hogy hozzáadjuk a gravitációt ehhez az egyenlethez, „néhány durva becslés szerint ütközőre lenne szükség Neptunusz pályájának bekerítéséhez. Ezenkívül néhány tudós azt állítja, hogy ez a becslés nagyon durva, és nagyobb gyűrűt kell felépítenünk. A haszon hatalmas lenne - egy ilyen ütköző képes lenne tesztelni a Planck-skálákat, a legkisebb mérlegeket, amelyeket meg tudunk vizsgálni, és amelyet a kvantummechanika lehetővé tesz. „Mindent megértünk a gravitációról, a kvantummechanikáról, eközben ugyanúgy összekapcsoljuk az elektromos áramlást és az elektrosztatikus erőt is, amit időbeli utazás, húr elmélet, sötét anyag, sötét energia, mérési probléma, több univerzum elmélete követ. stb.
Mit? Időutazás? Beecham szerint olyan részletes megértést kapnánk az univerzumról és a tér-idő működéséről, hogy tudásunkat a jövő manipulálására szolgáló jövőbeli technológiák alapjába tehetjük.
"Lehetséges, hogy a gravitációs erő és a többi természeti erő egyesül néhány rendkívül magas energián, de ennek a kérdésnek a kivizsgálásához létre kell hoznunk egy ütközőt, mint például az LHC, amely körülveszi a Naprendszer külső határait, vagy még ennél is többet."
Sajnos Beecham gondolatkísérlete jelenleg nem megvalósítható:
„A Naprendszer külső részeit körülvevő részecske-ütköző létrehozásához szükséges technológia, az emberi erő és az erőforrások egyszerűen nem léteznek. Még ha az LHC-ben a meglévő gyorsító és detektor technológiáit is figyelembe vesszük, a méretarány a legpraktikusabb értelemben probléma lenne: nem világos, hogy van-e elegendő anyag ahhoz, hogy ezt a koloszt létrehozza a Naprendszerben, minden forrásnál - a Földön, a Holdon, a bolygókon, az aszteroidákig stb. …
És az ilyen nagy energiájú protonok gyorsításához, még az LHC-n is, szupravezető mágnest használunk. A mágnesek csak akkor válnak szupravezetõkké, ha nagyon hidegvé teszik azokat. Azt gondolhatnánk, hogy ez hasznos lehet egy részecskegyorsító létrehozásában az űrben. A kozmosz nagyon hideg. De a szupravezető képesség szempontjából nem túl hideg. A világűr hőmérséklete 2,7 Kelvin, de a mágnesek 1,9 Kelvin hőmérsékletet igényelnek. Bezár, de még mindig nem. Az LHC-nál ezeket a hőmérsékleteket folyékony héliummal érik el. Nem világos, hogy a közelben van-e elegendő mennyiségű folyékony hélium a Naprendszer méretű kör alakú gyorsító hűtéséhez.
Ezen energiák mellett az érzékelőknek hatalmasnak kell lenniük. Fizikusokat kell felkészítenie, és érthetetlen mennyiségű számítógépes teljesítményt kell szereznie. Szüksége lesz fejlett robotikára, védelemre az aszteroidák, üstökösök és egyéb törmelékek ellen. És mindezt még mozgásba kell hozni. Nem használhatja a Nap energiáját, mert a gép körülveszi a Napot Neptunusz távolságra. Az ilyen méretű eszköz energia áttöréseket igényel, amelyek a közeljövőben nem valósíthatók meg.
Egy ilyen kísérlet megváltoztatná a fizikát. Végül is az ilyen kísérletek segítenek a fizikusoknak megérteni, hogyan működnek a dolgok, és egy ilyen gyorsító meggyőző válaszokat fog adni sok kérdésre. Ez megváltoztatja az emberek gondolkodásmódját. Megváltoztatja azt, amit a "megértés" alatt értünk.
Ha egy ütközőt építenénk a Naprendszer külső határa körül, akkor a megszerzett tudás a gravitáció természetéről szól, hogyan lehet a kvantummechanikát és az általános relativitást összekapcsolni egybe, az időutazásról, arról, hogy mi történt a Nagyrobbanás idején., arról, hogy a mi világegyetemünk csak egy végtelen számú univerzum lehet-e - annyira megváltoztatnánk a valóságról alkotott elképzelésünket, a természet iránti attitűdünket, ennek nyelvét, a világ, az emberiség általános megértését, az univerzumban betöltött helyünket, kitalál egy új megértési koncepciót annak leírására.
Nyilvánvaló, hogy senki sem dolgozik ilyen kísérleten, bár a CERN már papíron kidolgozza a Future Circular Collidert, amelynek alagútja 80–100 kilométer hosszú lesz. De talán valahol az Univerzumban dolgozik egy ilyen projekten.
Fantasztikus lenne, ha valami távoli civilizáció valahol az univerzum más részén dolgozna ezen, és legalább volt alkalmunk megtalálni és kapcsolatba lépni vele, hogy megkérdezzük még a szokásos fizikai kísérletek eredményeit. Ugyanaz a Higg-bozon tömegük? Találtak olyan X- és Y-bozont, amely bizonyítja az elektromos csillapítás és az elektrosztrófa erő egyesülését? Elérték a Planck skálát? Mi a sötét anyag? Vissza tudunk mozogni az időben?
Az univerzum továbbra is ugyanazon törvények szerint fog működni. A valódi kérdés az, hogy az emberek képesek-e megérteni ezeket a törvényeket.
Ilya Khel