Gravitace je neuvěřitelně slabá. Jen o tom přemýšlejte: nohu můžete zvednout ze země, navzdory celé hmotě Země, která ji popadne. Proč je tak slabá? Neznámý. A může to trvat velmi, velmi velký vědecký experiment, než to zjistíme. James Beecham je fyzik Duke University, který pracuje s detektorem ATLAS ve slavném Large Hadron Collider ve Švýcarsku. Nedávno popsal svůj fyzikální experiment pro Gizmodo: neuvěřitelně velký atomový urychlovač - Ultra-Hadron Collider - umístěný na vnějším okraji sluneční soustavy.
Takový experiment by mohl hned vyřešit většinu záhad fyziky, například odhalit skutečnou povahu temné hmoty nebo dokázat možnost cestování časem.
Myšlenkový experiment: kolider velikosti sluneční soustavy
Fyzici věří, že znají základní principy vesmíru. Částice interagují prostřednictvím sil, z nichž čtyři jsou známy: elektromagnetismus; "Slabá" síla; "Silná" síla; gravitace. Každá síla má pravidla, která jsme zjistili experimenty po stovky let. Některé základní interakce jsou silnější, jiné slabší.
Ve srovnání s ostatními třemi, „gravitace není jen slabá, je prakticky nevýznamná,“říká Beecham. Dále - od první osoby.
Ve velkém hadronovém srážce, kde jsem pracoval, studujeme základní, elementární pravidla přírody tlačením protonů při vysokých energiích. Pravidla, která zkoumáme, jsou popsána v terminologii částic a sil a gravitace je jediná ze čtyř známých sil, kterým ani při výpočtu nejvyšších energetických kolizí protonů nevěnujeme pozornost. Pokud poskytneme silnou interakci silou 1, gravitace bude mít sílu 10-39. 39 nul za desetinnou čárkou. To znamená, že vůbec nic.
Propagační video:
Toto tajemství vědy je pro nás jedním z nejrozumitelnějších. Proč jsou takto uspořádány síly interakce? Proč je gravitace tak slabá?
Příroda je to, co to je, bez ohledu na to, jak si to lidé představují. Experimenty však ukázaly, že při dostatečně vysokých energiích se elektromagnetismus a slabá síla spojí do jedné síly. Vědci věří, že při ještě vyšších energiích se k nim připojí také silné interakce. Ale gravitace je jiná. Vědci nevědí, jestli se gravitace spojí se zbytkem sil při dostatečně vysokých energiích.
„Gravitace je síla přírody, ale její pravidla - matematika, která je základem, nejpřesnější popis - se nějak liší od ostatních,“říká Beecham. A on pokračuje:
Gravitace je nejlépe popsána Einsteinovou obecnou teorií relativity a další tři síly, které jsou popsány standardním modelem fyziky částic, jsou založeny na teorii kvantového pole. A ačkoli existují podobnosti, liší se. To znamená, že když je naivně zkoušíme spojit, dostaneme nesmyslné odpovědi.
V našem současném vesmíru, s využitím naší současné technologie, „je téměř nemožné najít empirickou odpověď na tuto otázku,“říká Beecham. Proč? "Nemůžeme se dostat k takovým silám srážky, hlavně proto, že nemůžeme postavit srážce dostatečně velký, aby to udělal." Říká, že někteří teoretici se domnívají, že existuje něco jiného (jako jiné částice nebo extra prostorové dimenze, jak navrhuje teorie strun a její rozšířené modely), které by se mohly objevit v experimentu, který kombinuje gravitaci s jinými silami.
K tomu však potřebujeme kolizor velikosti sluneční soustavy.
Dokonce ani 27kilometrový kruhový velký Hadron Collider, který používá supravodivé magnety k urychlení a srážení protonových paprsků při 99,999999% rychlosti světla, není dostatečně rychlý, aby na tyto otázky odpověděl. Dokáže zjistit, jaký byl vesmír, když to byla velikost jablka. Vědci mohou potřebovat více energie, a proto většího srážce, aby měli smysl pro vesmír menší než jablko.
O kolik víc? Snad silné a slabé jaderné síly by se daly kombinovat s kolizí postavenými kolem Marsu. Abychom však k této rovnici přidali gravitaci, „podle některých hrubých odhadů by byl nutný kolizor, aby obklíčil Neptunovu oběžnou dráhu. Někteří vědci navíc tvrdí, že tento odhad je velmi hrubý a budeme muset vybudovat větší prsten. “Přínosy by byly obrovské - takový střižník by byl schopen testovat Planckovy váhy, nejmenší měřítka, které můžeme zkoumat, pokud to kvantová mechanika umožňuje. "Chápeme všechno o gravitaci, o kvantové mechanice a mezitím také získáme kombinovanou elektroslabou a elektroforetickou sílu, jako je tato, následovanou časovým cestování, teorií strun, temnou hmotou, temnou energií, problémem měření, teorií více vesmírů." atd.
Co? Cestování v čase? Podle Beechama bychom získali takové podrobné pochopení vesmíru a toho, jak funguje časoprostor, abychom mohli naše znalosti vložit do základu budoucích technologií pro manipulaci s časem.
"Je možné, že gravitační síla a další přírodní síly se spojí při některých extrémně vysokých energiích, ale abychom mohli tento problém prozkoumat, musíme vytvořit srážku jako LHC, obklopující vnější dosah sluneční soustavy nebo ještě více."
Beechamův myšlenkový experiment bohužel v tuto chvíli není proveditelný:
„Technologie, lidská síla a zdroje pro vytvoření srážky částic, které obklopují vnější dosahy sluneční soustavy, prostě neexistují. I když bychom vzali technologie stávajícího urychlovače a detektoru na LHC, měřítko by bylo problémem v nejpraktičtějším smyslu: není jasné, zda je dostatek materiálu k vytvoření tohoto kolosu ve sluneční soustavě, na všech zdrojích - Země, Měsíc, planety, asteroidy atd. …
A pro urychlení protonů na tak vysoké energie, dokonce i na LHC, používáme supravodivé magnety. Magnety se stávají supravodiči, pouze pokud je velmi chladíte. Člověk by si myslel, že by to bylo užitečné pro vytvoření urychlovače částic ve vesmíru. Vesmír je velmi chladný. Ale pro supravodivost to není příliš chladno. Vnější prostor má teplotu 2,7 kelvinů, ale magnety vyžadují 1,9 kelvinů. Blízko, ale stále ne. Při LHC se těchto teplot dosahuje kapalným heliem. Není jasné, zda je kdekoli v okolí dostatek kapalného helia na ochlazení kruhového urychlovače velikosti sluneční soustavy.
Při těchto energiích musí být detektory obrovské. Budete muset trénovat fyziky a získat nepochopitelné množství výpočetního výkonu. Budete potřebovat pokročilou robotiku, ochranu před asteroidy, komety a dalšími troskami. A to vše ještě musí být uvedeno do pohybu. Nemůžete použít energii Slunce, protože stroj obklopuje Slunce ve vzdálenosti od Neptunu. Zařízení této velikosti bude vyžadovat průlomy energie, které nejsou v blízké budoucnosti proveditelné.
Takový experiment by změnil fyziku. Nakonec takové experimenty pomáhají fyzikům pochopit, jak věci fungují, a takový urychlovač poskytne přesvědčivé odpovědi na mnoho otázek. Změní to způsob, jakým si lidé myslí. Změní to, co máme na mysli „pochopením“.
Pokud bychom stavěli srážce kolem vnější hranice sluneční soustavy, znalosti, které bychom získali, jsou o povaze gravitace, jak spojit kvantovou mechaniku a obecnou relativitu do jedné, o cestování času, o tom, co se stalo v době Velkého třesku, o tom, zda náš vesmír může být jen jedním z nekonečného počtu rozmanitých vesmírů - tolik by změnilo naši představu o realitě, náš postoj k přírodě, tento jazyk toho, porozumění světu, lidstvo obecně, naše místo ve vesmíru, že jsme museli by vymyslel nový koncept porozumění, který by to popsal.
Je zřejmé, že na takovém experimentu žádný člověk nepracuje, ačkoli CERN již na papíře vyvíjí budoucí okružní srážky, jejichž tunel bude dlouhý 80 až 100 kilometrů. Možná však někde ve vesmíru pracuje na takovém projektu.
Bylo by fantastické, kdyby na tom už nějaká vzdálená civilizace někde ve vesmíru pracovala a my jsme měli alespoň příležitost ji najít a kontaktovat, abychom se zeptali na výsledky i obyčejných fyzických experimentů. Mají stejnou hmotnost jako Higgsův boson? Našli bosony X a Y, které demonstrují sjednocení elektroslabých a elektricky silných sil? Dostali se na Planckovu stupnici? Co je temná hmota? Můžeme se vrátit v čase?
Vesmír bude i nadále fungovat podle stejných zákonů. Skutečnou otázkou je, zda lidé budou někdy schopni těmto zákonům porozumět.
Ilya Khel