Painovoima on uskomattoman heikko. Ajattele vain sitä: voit nostaa jalkasi maasta, huolimatta koko maan massasta, joka sen tarttuu. Miksi hän on niin heikko? Tuntematon. Ja selvittäminen voi viedä erittäin, erittäin suuren tieteellisen kokeen. James Beecham on Duke University -fyysikko, joka työskentelee ATLAS-ilmaisimen kanssa kuuluisassa Sveitsin Large Hadron Collider -laitteessa. Hän kuvasi äskettäin fysiikkakokemustaan Gizmodolle: uskomattoman suuri atomikiihdytin - Ultra-Hadron Collider -, joka sijaitsee aurinkokunnan ulkoreunalla.
Tällainen kokeilu voisi ratkaista suurimman osan fysiikan salaisuuksista heti, esimerkiksi paljastaa tumman aineen todellinen luonne tai todistaa mahdollisuuden aikamatkalle.
Ajateltu kokeilu: aurinkokunnan kokoinen törmäyslaite
Fyysikot ovat vakuuttuneita siitä, että he tietävät maailmankaikkeuden perusperiaatteet. Hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa voimien kanssa, joista neljä tunnetaan: sähkömagneettisuus; "Heikko" lujuus; "Vahva" lujuus; painovoima. Jokaisella joukolla on säännöt, jotka olemme löytäneet kokeiden kautta satojen vuosien ajan. Jotkut perustavanlaatuiset vuorovaikutukset ovat vahvempia, toiset heikompia.
Verrattuna kolmeen muuhun, "painovoima ei ole vain heikko, se on käytännössä merkityksetön", Beecham sanoo. Edelleen - ensimmäisestä henkilöstä.
Opiskelemme suurella hadronikokottajalla, jossa työskentelin, luonnon perussääntöjä työntämällä protoneja yhteen korkeilla energioilla. Tutkimme säännöt on kuvattu hiukkasten ja voimien terminologiassa, ja painovoima on ainoa neljästä tunnetusta voimasta, joihin emme edes kiinnitä huomiota laskettaessa korkeimman energian protonin törmäyksiä. Jos meillä on vahva vuorovaikutus voimalla 1, painovoimalla on voima 10-39. 39 nollaa desimaalin jälkeen. Eli ei ollenkaan.
Mainosvideo:
Tämä tieteen salaisuus on yksi ymmärrettävimmistä meille. Miksi vuorovaikutuksen voimat on rivitetty tällä tavalla? Miksi painovoima on niin heikko?
Luonto on mitä se on, riippumatta siitä, kuinka ihmiset kuvittelevat sen. Mutta kokeet ovat osoittaneet, että riittävän korkeilla energioilla sähkömagneettisuus ja heikko voima sulautuvat yhdeksi voimaksi. Vielä korkeammilla energioilla, tutkijoiden mukaan, vahva vuorovaikutus liittyy myös niihin. Mutta painovoima on erilainen. Tutkijat eivät tiedä yhdistyvätkö painovoima muiden voimien kanssa riittävän korkeilla energioilla.
"Painovoima on luonnon voima, mutta sen säännöt - sen taustalla oleva matematiikka, tarkin kuvaus - ovat jotenkin hyvin erilaisia kuin muut", Beecham sanoo. Ja hän jatkaa:
Painovoimaa kuvaa parhaiten Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, ja muut kolme voimaa, jotka kuvataan hiukkasfysiikan standardimallilla, perustuvat kvanttikenttäteoriaan. Ja vaikka yhtäläisyyksiä on, ne ovat erilaisia. Eli kun yritämme naiivasti ommella ne yhteen, saamme merkityksettömiä vastauksia.
Nykyisessä universumissamme nykyteknologiaa käyttämällä on "melkein mahdotonta löytää empiiristä vastausta tähän kysymykseen", Beecham sanoo. Miksi? "Emme pääse sellaisiin korkeisiin törmäysenergioihin, pääasiassa siksi, että emme pysty rakentamaan riittävän suurta törmäyslaitetta tähän." Hän sanoo, että jotkut teoreetikot uskovat, että jotain muuta (kuten muut hiukkaset tai ylimääräiset avaruusmitat, kuten jousiteoria ja sen laajennetut mallit ehdottavat) saattaa esiintyä kokeessa, jossa yhdistyvät painovoima muihin voimiin.
Mutta sitä varten tarvitsemme aurinkokunnan kokoista törmääjää.
Jopa 27 kilometrin ympyränmuotoinen suuri Hadron-kolarilaite, joka käyttää suprajohtavia magneetteja protonisäteiden kiihdyttämiseen ja törmäykseen valon nopeudessa 99,999999%, ei ole riittävän nopea vastaamaan näihin kysymyksiin. Hän voi vain selvittää, millainen maailmankaikkeus oli, kun se oli omenan kokoinen. Tutkijat voivat tarvita enemmän energiaa ja siksi suuremman törmäyslaitteen ymmärtääkseen omenaa pienemmän maailmankaikkeuden.
Kuinka paljon enemmän? Ehkä vahvat ja heikot ydinvoimat voitaisiin yhdistää Marsin ympärille rakennettuun törmäykseen. Mutta jotta lisätään painovoimaa tähän yhtälöön,”joidenkin karkeiden arvioiden mukaan tarvittaisiin törmäyslaite Neptunuksen kiertoradan ympäröimiseksi. Lisäksi jotkut tutkijat väittävät, että tämä arvio on hyvin karkea ja meidän on rakennettava isompi rengas. " Hyödyt olisivat valtavat - sellainen törmäyslaite pystyisi testaamaan Planckin asteikot, pienimmät asteikot, joita voimme tutkia, että kvantimekaniikka sallii. "Ymmärrämme kaiken painovoimasta, kvanttimekaniikasta ja samaan aikaan saisimme myös yhdistetyn sähköhionnan ja sähkökestävän voiman aivan kuten seuraa aikamatka, jousiteoria, tumma aine, pimeä energia, mittausongelma, monien universumien teoria. jne.
Mitä? Aikamatka? Beechamin mukaan saamme niin yksityiskohtaisen käsityksen maailmankaikkeudesta ja siitä, kuinka avaruus-aika toimii, että voisimme mahdollisesti laittaa tietomme tulevien tekniikoiden perustaan ajan manipuloimiseksi.
"On mahdollista, että painovoima ja muut luonnonvoimat yhdistyvät joissakin erittäin suurissa energioissa, mutta tämän kysymyksen tutkimiseksi meidän on luotava LHC: n kaltainen törmäyslaite, joka ympäröi aurinkokunnan ulkoratoja tai jopa enemmän."
Valitettavasti Beechamin ajatuskokeilu ei ole tällä hetkellä toteutettavissa:
”Teknologiaa, inhimillisiä voimavaroja ja resursseja aurinkojärjestelmän ulkokehän ympäröivän hiukkaskolarittajan luomiseksi ei yksinkertaisesti ole. Vaikka ottaisimmekin LHC: n nykyisen kiihdyttimen ja ilmaisimen tekniikat, mittakaava olisi ongelma käytännöllisimmässä merkityksessä: ei ole selvää, onko riittävästi materiaalia tämän kolosumin luomiseksi aurinkokunnassa kaikissa lähteissä - Maassa, Kuussa, planeetoissa, asteroideissa jne. …
Ja kiihdyttääkseen protoneja niin suuriin energioihin, jopa LHC: ssä, käytämme suprajohtavia magneetteja. Magneeteista tulee suprajohteita vain, jos teet niistä erittäin kylmiä. Voitaisiin ajatella, että tämä olisi hyödyllistä hiukkaskiihdyttimen luomiseksi avaruuteen. Kosmos on hyvin kylmä. Mutta suprajohtavuudessa se ei ole kovin kylmä. Ulkotilan lämpötila on 2,7 kelviniä, mutta magneetit vaativat 1,9 kelviniä. Sulje, mutta silti ei. LHC: ssa nämä lämpötilat saavutetaan käyttämällä nestemäistä heliumia. On epäselvää, onko lähistöllä riittävästi nestemäistä heliumia aurinkojärjestelmän kokoisen pyöreän kiihdyttimen jäähdyttämiseksi.
Näillä energioilla ilmaisimien on oltava valtavia. Joudut kouluttamaan fyysikoita ja hankkimaan käsittämättömän määrän laskentatehoa. Tarvitset edistyksellistä robotiikkaa, suojaa asteroideilta, komeetat ja muut roskat. Ja tämä kaikki on vielä aloitettava. Auringon energiaa ei voi käyttää, koska kone ympäröi aurinkoa Neptunuksen etäisyydellä. Tämän koon laite vaatii energian läpimurtoja, jotka eivät ole toteutettavissa lähitulevaisuudessa.
Tällainen koe muuttaisi fysiikkaa. Loppujen lopuksi sellaiset kokeilut auttavat fyysikkoja ymmärtämään asioiden toimintaa, ja tällainen kiihdytin antaa vakuuttavia vastauksia moniin kysymyksiin. Se muuttaa ihmisten ajattelutapaa. Muuttaa mitä tarkoitamme "ymmärtämisellä".
Jos meidän rakennettaisiin yhteentörmäyslaite aurinkokunnan ulkorajan ympärille, hankkimamme tieto koskee painovoiman luonnetta, kuinka yhdistää kvantimekaniikka ja yleinen suhteellisuussuhde yhdeksi, ajamatka, siitä, mitä tapahtui Ison räjähdyksen aikaan., siitä, voiko universumimme olla vain yksi äärettömästä määrästä useita maailmankaikkeuksia - niin paljon muutettaisiin ajatustamme todellisuudesta, asenteemme luontoon, tämän kielen kanssa, ymmärrystä maailmasta, ihmiskunnasta yleensä, paikastamme maailmankaikkeudessa, mitä meidän piti keksisi uuden käsityksen ymmärtämisestä sen kuvaamiseksi.
Kukaan ei selvästikään työskentele tällaisen kokeen parissa, vaikka CERN kehittää jo paperilla Future Circular Collideria, jonka tunnelin pituus on 80–100 kilometriä. Ehkä jossain maailmankaikkeudessa työskentelee kuitenkin tällaisen projektin parissa.
Olisi fantastista, jos jokin kaukainen sivilisaatio jossain muualla maailmankaikkeudessa jo työskentelisi tämän parissa, ja meillä oli ainakin mahdollisuus löytää hänet ja ottaa hänet yhteyttä kysyäksesi jopa tavallisten fyysisten kokeiden tuloksista. Onko heillä sama massa Higgsin bosonia? Löysivätkö he X- ja Y-bosoneja, jotka osoittavat sähköhuopa- ja sähkövahvojen yhdistymisen? Pääsivätkö he Planckin asteikolle? Mikä on tumma aine? Voimmeko siirtyä ajassa taaksepäin?
Universumi toimii edelleen samojen lakien mukaisesti. Todellinen kysymys on, kykenevätkö ihmiset koskaan ymmärtämään näitä lakeja.
Ilja Khel