Гравитацията е невероятно слаба. Помислете само: можете да вдигнете крака си от земята, въпреки цялата маса на Земята, която го грабва. Защо е толкова слаба? Непознат. И може да е необходим много, много голям научен експеримент, за да се разбере. Джеймс Бийчъм е физик от университета Дюк, който работи с детектора ATLAS на известния голям адронен колайдер в Швейцария. Наскоро той описа своя експеримент по физика за Gizmodo: невероятно голям атомен ускорител - Ultra-Hadron Collider - разположен на външния ръб на Слънчевата система.
Такъв експеримент би могъл да разреши повечето мистерии на физиката веднага, например, да разкрие истинската природа на тъмната материя или да докаже възможността за пътуване във времето.
Мисловен експеримент: сблъсък с размер на слънчевата система
Физиците са уверени, че познават основните принципи на Вселената. Частиците взаимодействат чрез сили, от които са известни четири: електромагнетизъм; "Слаба" сила; "Силна" сила; земно притегляне. Всяка сила има правила, които сме открили чрез експерименти през стотици години. Някои основни взаимодействия са по-силни, други - по-слаби.
В сравнение с останалите три, "гравитацията не е просто слаба, тя е практически незначителна", казва Бийчъм. По-нататък - от първо лице.
В Големия адронен колайдер, където работех, изучаваме основните, елементарни правила на природата, като натискаме протони заедно при високи енергии. Правилата, които изследваме, са описани в терминологията на частиците и силите, а гравитацията е единствената от четирите известни сили, на които дори не обръщаме внимание при изчисляването на протонните сблъсъци с най-висока енергия. Ако дадем силно взаимодействие със сила 1, гравитацията ще има сила 10-39. 39 нули след десетичната запетая. Тоест, изобщо нищо.
Промоционално видео:
Тази мистерия на науката е една от най-неразбираемите за нас. Защо силите на взаимодействие са подредени по този начин? Защо гравитацията е толкова слаба?
Природата е такава, каквато е, без значение как хората си я представят. Но експериментите показаха, че при достатъчно високи енергии, електромагнетизмът и слабата сила се сливат заедно в една сила. При още по-високи енергии, смятат учените, силните взаимодействия също ще се присъединят към тях. Но гравитацията е различна. Учените не знаят дали гравитацията ще се комбинира с останалите сили при достатъчно високи енергии.
„Гравитацията е сила на природата, но нейните правила - математиката, която стои в основата й, най-точното описание - по някакъв начин са много различни от останалите“, казва Бийчъм. И той продължава:
Гравитацията се описва най-добре от общата теория на относителността на Айнщайн, а останалите три сили, които са описани от Стандартния модел на физиката на частиците, се основават на квантовата теория на полето. И въпреки че има прилики, те са различни. Тоест, когато наивно се опитваме да ги шием заедно, получаваме безсмислени отговори.
В нашата съвременна вселена, използвайки нашата съвременна технология, „почти невъзможно е да се намери емпиричен отговор на този въпрос“, казва Бийчъм. Защо? „Не можем да стигнем до толкова високи енергии на сблъсък, предимно защото не можем да изградим достатъчно голям, за да направи това.“Той казва, че някои теоретици смятат, че има нещо друго (като други частици или допълнителни пространствени измерения, както се предлага от теорията на струните и нейните разширени модели), което може да се появи в експеримент, който комбинира гравитацията с други сили.
Но за това ни е необходим коллайдер с размер на слънчевата система.
Дори 27-километровият кръгъл голям адров сблъсък, който използва свръхпроводящи магнити за ускоряване и сблъскване на протонните лъчи при 99,999999% от скоростта на светлината, не е достатъчно бърз, за да отговори на тези въпроси. Той може да разбере каква е била Вселената, когато е била с размерите на ябълка. Учените може да се нуждаят от повече енергия и следователно от по-голям сблъсък, за да осмислят вселена по-малка от ябълка.
Колко още? Може би силните и слабите ядрени сили биха могли да се комбинират с коли, построен около Марс. Но за да добавите гравитация към това уравнение, „според някои груби оценки, ще е необходим сблъсък, който да заобиколи орбитата на Нептун. Освен това някои учени твърдят, че тази оценка е много груба и ще трябва да изградим по-голям пръстен. Ползите биха били огромни - такъв сблъсък би могъл да тества везните на Планк - най-малките мащаби, които можем да разгледаме в тази квантова механика. „Ние бихме разбрали всичко за гравитацията, за квантовата механика и междувременно бихме получили и комбинирана електроенергия и електросилна сила точно така, последвана от пътуване във времето, теория на струните, тъмна материя, тъмна енергия, проблем с измерването, теория за множеството вселени и т.н.
Какво? Пътуване във времето? Според Бийчъм бихме получили толкова подробно разбиране на Вселената и как работи пространството-времето, че евентуално бихме могли да поставим знанията си в основата на бъдещите технологии за манипулиране на времето.
"Възможно е силата на гравитацията и други сили на природата да се комбинират при някои изключително високи енергии, но за да проучим този въпрос, ще трябва да създадем коллайдер като LHC, обграждащ външните достижения на Слънчевата система или дори повече."
За съжаление, мисловният експеримент на Beecham в момента не е осъществим:
„Технологията, човешката сила и ресурсите за създаване на сблъсък на частици, който обгражда външните достижения на Слънчевата система, просто не съществуват. Дори да вземем технологиите на съществуващия ускорител и детектор в LHC, мащабът би бил проблем в най-практичния смисъл: не е ясно дали има достатъчно материал за създаване на този колос в Слънчевата система, при всички източници - Земята, Луната, планети, астероиди и т.н. …
И за да ускорим протоните до толкова високи енергии, дори при LHC, използваме свръхпроводящи магнити. Магнитите стават свръхпроводници, само ако ги направите много студени. Човек би си помислил, че това би било полезно за създаване на ускорител на частици в космоса. Космосът е много студен. Но за свръхпроводност не е много студено. Външното пространство има температура 2,7 келвина, но за магнити се изисква 1,9 келвина. Затворете, но все пак не. При LHC тези температури се постигат с помощта на течен хелий. Не е ясно дали навсякъде наблизо има достатъчно течен хелий, който да охлади круговия ускорител с размерите на Слънчевата система.
При тези енергии детекторите трябва да са огромни. Ще трябва да обучавате физици и да придобивате неразбираема сума на изчислителна сила. Ще ви трябва модерна роботика, защита от астероиди, комети и други отломки. И всичко това все още трябва да се придвижи. Не можете да използвате енергията на Слънцето, защото машината обгражда Слънцето на разстояние от Нептун. Устройство с такъв размер ще изисква пробив на енергия, което не е възможно в близко бъдеще.
Такъв експеримент би променил физиката. В края на краищата подобни експерименти помагат на физиците да разберат как работят нещата и такъв ускорител ще даде убедителни отговори на много въпроси. Това ще промени начина, по който хората мислят. Ще промени какво имаме предвид под „разбиране“.
Ако бяхме изграждали коллайдер около външната граница на Слънчевата система, знанието, което ще придобием е за природата на гравитацията, как да комбинираме квантовата механика и общата относителност в едно, за пътуването във времето, за това, което се случи по времето на Големия взрив, за това дали нашата Вселена може да бъде само един от безкрайния брой множество вселени - толкова много би променило представата ни за реалността, отношението ни към природата, този език на нея, разбирането на света, човечеството като цяло, нашето място във Вселената, че трябваше да би измислил нова концепция за разбиране, която да я опише.
Очевидно никой човек не работи върху подобен експеримент, въпреки че CERN вече разработва на хартия бъдещия кръгъл колайдер, тунелът на който ще бъде дълъг 80-100 километра. Възможно е обаче някъде във Вселената да работи по такъв проект.
Би било фантастично, ако някаква далечна цивилизация някъде другаде във Вселената вече работеше върху това и ние имахме поне възможността да я намерим и да се свържем с нея, за да попитаме за резултатите от дори обикновени физически експерименти. Имат ли еднаква маса от бозона на Хигс? Намериха ли X и Y бозони, които демонстрират обединението на електрослабите и електросилните сили? Стигнаха ли до скалата на Планк? Какво е тъмна материя? Можем ли да се върнем назад във времето?
Вселената ще продължи да работи според същите закони. Истинският въпрос е дали хората някога ще могат да разберат тези закони.
Иля Кел
