Tyngdekraften er utroligt svag. Bare tænk over det: du kan løfte foden fra jorden på trods af hele jordens masse, der griber den. Hvorfor er hun så svag? Ukendt. Og det kan tage et meget, meget stort videnskabeligt eksperiment at finde ud af. James Beecham er fysiker fra Duke University, der arbejder med ATLAS-detektoren i den berømte Large Hadron Collider i Schweiz. Han beskrev for nylig sit fysikeksperiment for Gizmodo: en utroligt stor atomaccelerator - Ultra-Hadron Collider - placeret i ydersiden af solsystemet.
Et sådant eksperiment kunne løse de fleste fysiske mysterier med det samme, for eksempel afsløre den sande natur af mørkt stof eller bevise muligheden for tidsrejser.
Tankeeksperiment: en solcelleformat størrelse
Fysikere er sikre på, at de kender universets grundlæggende principper. Partikler interagerer gennem kræfter, hvoraf fire er kendt: elektromagnetisme; "Svag" styrke; "Stærk" styrke; tyngdekraft. Hver styrke har regler, som vi har fundet gennem eksperimenter gennem hundreder af år. Nogle grundlæggende interaktioner er stærkere, andre er svagere.
Sammenlignet med de andre tre, "tyngdekraften er ikke bare svag, den er praktisk talt ubetydelig," siger Beecham. Yderligere - fra den første person.
På Large Hadron Collider, hvor jeg arbejdede, studerer vi de grundlæggende, elementære naturregler ved at skubbe protoner sammen med høje energier. Reglerne, vi undersøger, er beskrevet i partikel- og kraftterminologi, og tyngdekraften er den eneste af de fire kendte kræfter, som vi ikke engang er opmærksomme på, når vi beregner de største energi-protonkollisioner. Hvis vi giver en stærk interaktion med en kraft på 1, vil tyngdekraften have en kraft på 10-39. 39 nuller efter decimalpunktet. Det vil sige intet overhovedet.
Salgsfremmende video:
Dette videnskabs mysterium er et af de mest uforståelige for os. Hvorfor er interaktionskræfterne oprettet på denne måde? Hvorfor er tyngdekraften så svag?
Naturen er, hvad den er, uanset hvordan folk forestiller sig den. Men eksperimenter har vist, at ved høje nok energier, elektromagnetisme og svag kraft smelter sammen til en kraft. Ved endnu højere energier, mener forskere, vil stærke interaktioner også slutte sig til dem. Men tyngdekraften er anderledes. Forskere ved ikke, om tyngdekraften vil kombinere med resten af kræfterne ved høje nok energier.
"Tyngdekraften er en naturkraft, men dens regler - matematikken, der ligger til grund for den, den mest nøjagtige beskrivelse - er på en eller anden måde meget forskellig fra resten," siger Beecham. Og han fortsætter:
Tyngdekraften beskrives bedst af Einsteins generelle relativitetsteori, og de andre tre kræfter, der er beskrevet af standardmodellen for partikelfysik, er baseret på kvantefeltteori. Og selv om der er ligheder, er de forskellige. Det vil sige, at når vi naivt prøver at sy dem sammen, får vi meningsløse svar.
I vores nuværende univers, ved hjælp af vores nuværende teknologi, "er det næsten umuligt at finde et empirisk svar på dette spørgsmål," siger Beecham. Hvorfor? "Vi kan ikke komme til så høje kollisionsenergier, primært fordi vi ikke kan opbygge en collider, der er stor nok til at gøre dette." Han siger, at nogle teoretikere mener, at der er noget andet (som andre partikler eller ekstra rumlige dimensioner, som antydet af strengteori og dets udvidede modeller), der kan optræde i et eksperiment, der kombinerer tyngdekraft med andre kræfter.
Men til det har vi brug for en solcelleformat størrelse.
Selv den 27 kilometer lange cirkulære Large Hadron Collider, der bruger superledende magneter til at accelerere og kollidere protonstråler med 99.999999% lysets hastighed, er ikke hurtig nok til at besvare disse spørgsmål. Han kan kun finde ud af, hvordan universet var, da det var på størrelse med et æble. Forskere har muligvis brug for mere energi og derfor en større collider for at give mening om et univers, der er mindre end et æble.
Hvor meget mere? Måske kan stærke og svage atomstyrker kombineres med en collider, der er bygget omkring Mars. Men for at tilføje tyngdekraften til denne ligning, “ifølge nogle grove skøn, ville en collider kræves for at omslutte Neptuns bane. Desuden hævder nogle forskere, at dette skøn er meget groft, og at vi bliver nødt til at bygge en større ring. Fordelene ville være enorme - en sådan collider ville være i stand til at teste Planck-skalaerne, de mindste skalaer, som vi kan undersøge, som kvantemekanikken tillader.”Vi ville forstå alt om tyngdekraft, om kvantemekanik, og i mellemtiden ville vi også få en kombineret elektro-sænke og elektro-stærk kraft som sådan, efterfulgt af tidsrejser, strengteori, mørk materie, mørk energi, måleproblemet, teorien om flere universer etc.
Hvad? Tidsrejser? Ifølge Beecham ville vi få en så detaljeret forståelse af universet og hvordan rumtid fungerer, at vi muligvis kunne lægge vores viden til grund for fremtidige teknologier til manipulering af tid.
"Det er muligt, at tyngdekraften og andre kræfter i naturen kombineres ved nogle ekstremt høje energier, men for at undersøge dette spørgsmål bliver vi nødt til at skabe en kollider som LHC, der omkranser det ydre rækkevidde af solsystemet eller endnu mere."
Desværre er Beechams tankeeksperiment ikke muligt på dette tidspunkt:
”Teknologien, menneskets styrke og ressourcer til at skabe en partikelcollider, der omkranser solsystemets ydre rækkevidde, findes simpelthen ikke. Selv hvis vi tog teknologierne til den eksisterende accelerator og detektor på LHC, ville skalaen være et problem i den mest praktiske forstand: det er ikke klart, om der er nok materiale til at skabe denne kolossus i solsystemet, på alle kilder - Jorden, Månen, planeter, asteroider osv. …
Og for at accelerere protoner til så høje energier, selv ved LHC, bruger vi superledende magneter. Magneter bliver kun superledere, hvis du gør dem meget kolde. Man skulle tro, at dette ville være nyttigt til at skabe en partikelaccelerator i rummet. Kosmos er meget koldt. Men for superledelse er det ikke meget koldt. Det ydre rum har en temperatur på 2,7 Kelvin, men magneter kræver 1,9 Kelvin. Tæt, men stadig ikke. Ved LHC opnås disse temperaturer ved hjælp af flydende helium. Det er uklart, om der er nok flydende helium overalt i nærheden til at afkøle en cirkulær accelerator på størrelse med solsystemet.
Ved disse energier skal detektorerne være enorme. Du bliver nødt til at uddanne fysikere og erhverve en uforståelig mængde computerkraft. Du har brug for avanceret robotik, beskyttelse mod asteroider, kometer og andet affald. Og alt dette skal stadig sættes i gang. Du kan ikke bruge solens energi, fordi maskinen omgiver solen i en afstand af Neptun. En enhed af denne størrelse vil kræve energigennembrud, der ikke er gennemførlige i den nærmeste fremtid.
Et sådant eksperiment ville ændre fysik. Når alt kommer til alt hjælper sådanne eksperimenter fysikere med at forstå, hvordan tingene fungerer, og en sådan accelerator vil give overbevisende svar på mange spørgsmål. Det vil ændre den måde, folk tænker på. Vil ændre, hvad vi mener med "forståelse".
Hvis vi bygger en collider omkring solsystemets ydre grænse, handler den viden, vi ville tilegne os, om tyngdekraften, om hvordan man kombinerer kvantemekanik og generel relativitet i en, om tidsrejser, om hvad der skete på Big Bang tid, om hvorvidt vores univers kun kan være et af et uendeligt antal flere universer - ville ændre vores idé om virkelighed, vores holdning til naturen, dette sprog om det, forståelse af verden, menneskeheden generelt, vores plads i universet så meget, at vi måtte ville opfinde et nyt forståelseskoncept for at beskrive det.
Det er klart, at ingen arbejder på et sådant eksperiment, selvom CERN allerede er ved at udvikle fremtiden Circular Collider, hvis tunnel er 80-100 kilometer lang. Dog arbejder måske et sted i Universet med et sådant projekt.
Det ville være fantastisk, hvis en fjern civilisation et andet sted i Universet allerede arbejdede på dette, og vi havde i det mindste muligheden for at finde og kontakte hende for at spørge om resultaterne af endda almindelige fysiske eksperimenter. Har de den samme masse af Higgs boson? Fandt de X- og Y-bosoner, der demonstrerer foreningen af elektro-strøm og elektrostrong kræfter? Kom de til Planck-skalaen? Hvad er mørkt stof? Kan vi bevæge os tilbage i tiden?
Universet vil fortsætte med at fungere i henhold til de samme love. Det virkelige spørgsmål er, om mennesker nogensinde vil være i stand til at forstå disse love.
Ilya Khel