Tyngdekraften är oerhört svag. Tänk bara på det: du kan lyfta foten från marken, trots hela jordmassan som tar den. Varför är hon så svag? Okänd. Och det kan ta ett mycket, mycket stort vetenskapligt experiment att ta reda på. James Beecham är en fysiker från Duke University som arbetar med ATLAS-detektorn på den berömda Large Hadron Collider i Schweiz. Han beskrev nyligen sitt fysiksexperiment för Gizmodo: en otroligt stor atomaccelerator - Ultra-Hadron Collider - belägen vid solsystemets ytterkant.
Ett sådant experiment skulle kunna lösa de flesta av fysikens mysterier direkt, till exempel avslöja den verkliga naturen hos mörk materia eller bevisa möjligheten till tidsresor.
Tankeexperiment: en solcykelstorlekstorlek
Fysiker är säkra på att de känner till universums grundprinciper. Partiklar interagerar genom krafter, varav fyra är kända: elektromagnetism; "Svag" styrka; "Stark" styrka; allvar. Varje styrka har regler som vi har hittat genom experiment under hundratals år. Vissa grundläggande interaktioner är starkare, andra är svagare.
Jämfört med de tre andra, "tyngdkraften är inte bara svag, den är praktiskt taget obetydlig", säger Beecham. Vidare - från den första personen.
På Large Hadron Collider, där jag arbetade, studerar vi de grundläggande, elementära naturreglerna genom att pressa samman protoner med höga energier. Reglerna som vi undersöker beskrivs i partikel- och kraftterminologi, och tyngdkraften är den enda av de fyra kända krafterna som vi inte ens tar upp när vi beräknar de högsta energikollisionerna i protoner. Om vi ger en stark interaktion med en kraft på 1, kommer tyngdkraften att ha en kraft av 10-39. 39 nollor efter decimalpunkten. Det är ingenting alls.
Kampanjvideo:
Detta vetenskapliga mysterium är ett av de mest obegripliga för oss. Varför står interaktionskrafterna upp på detta sätt? Varför är tyngdkraften så svag?
Naturen är vad den är, oavsett hur människor föreställer den. Men experiment har visat att vid tillräckligt höga energier smälter elektromagnetism och svag kraft samman till en kraft. Vid ännu högre energier, tror forskarna, kommer starka interaktioner också att gå med dem. Men gravitationen är annorlunda. Forskare vet inte om gravitationen kommer att kombinera med resten av krafterna med tillräckligt höga energier.
"Tyngdkraften är en naturkraft, men dess regler - matematiken som ligger till grund för den, den mest exakta beskrivningen - är på något sätt mycket annorlunda än resten," säger Beecham. Och han fortsätter:
Gravitet beskrivs bäst av Einsteins allmänna relativitetsteori, och de andra tre krafterna som beskrivs av standardmodellen för partikelfysik är baserade på kvantfältteori. Och även om det finns likheter, är de olika. Det vill säga när vi naivt försöker sy dem tillsammans får vi meningslösa svar.
I vårt nuvarande universum, med vår nuvarande teknik, "är det nästan omöjligt att hitta ett empiriskt svar på denna fråga," säger Beecham. Varför? "Vi kan inte komma till så höga kollisionenergier, främst för att vi inte kan bygga en collider som är tillräckligt stor för att göra detta." Han säger att vissa teoretiker tror att det finns något annat (som andra partiklar eller extra rumsliga dimensioner, som föreslogs av strängteori och dess utökade modeller) som kan förekomma i ett experiment som kombinerar tyngdkraft med andra krafter.
Men för det behöver vi en solenergistorlekstorlek.
Till och med den 27 kilometer långa cirkulära Large Hadron Collider, som använder superledande magneter för att påskynda och kollidera protonstrålar med 99.999999% av ljusets hastighet, är inte tillräckligt snabb för att svara på dessa frågor. Han kan bara ta reda på hur universum var när det var storleken på ett äpple. Forskare kan behöva mer energi och därför en större kollider för att känna till ett universum som är mindre än ett äpple.
Hur mycket mer? Kanske starka och svaga kärnkrafter kan kombineras med en kollider som byggdes runt Mars. Men för att lägga till tyngdkraften till denna ekvation, "enligt vissa grova uppskattningar, skulle en kollider krävas för att omsluta Neptuns bana. Dessutom hävdar vissa forskare att denna uppskattning är mycket grov och att vi kommer att behöva bygga en större ring. " Fördelarna skulle vara enorma - en sådan collider skulle kunna testa Planck-skalorna, de minsta vågarna vi kan undersöka som kvantmekaniken tillåter.”Vi skulle förstå allt om tyngdkraften, om kvantmekanik och under tiden skulle vi också få en kombinerad elektrovåg och elektrostrongskraft precis så, följt av tidsresor, strängteori, mörk materia, mörk energi, mätproblemet, teorin om flera universum etc.
Vad? Tidsresa? Enligt Beecham skulle vi få en så detaljerad förståelse av universum och hur rymdtid fungerar att vi möjligen kan lägga vår kunskap i grunden för framtida tekniker för att manipulera tid.
"Det är möjligt att tyngdkraften och andra krafter i naturen kombineras vid vissa extremt höga energier, men för att undersöka denna fråga kommer vi att behöva skapa en kollider som LHC, som omsluter solsystemets yttre räckvidd eller ännu mer."
Tyvärr är Beechams tankeexperiment inte genomförbart just nu:
”Tekniken, mänsklig styrka och resurser för att skapa en partikelkolliderare som omger solsystemets yttre räckvidd existerar helt enkelt inte. Även om vi tog tekniken för den befintliga gaspedalen och detektorn vid LHC, skulle skalan vara ett problem i den mest praktiska meningen: det är inte klart om det finns tillräckligt med material för att skapa denna koloss i solsystemet, vid alla källor - Jorden, månen, planeter, asteroider, etc. …
Och för att påskynda protoner till så höga energier, även vid LHC, använder vi superledande magneter. Magneter blir superledare endast om du gör dem väldigt kalla. Man skulle kunna tro att detta skulle vara användbart för att skapa en partikelaccelerator i rymden. Kosmos är väldigt kallt. Men för superledningen är det inte särskilt kallt. Det yttre rymden har en temperatur på 2,7 Kelvin, men magneter kräver 1,9 Kelvin. Nära, men ändå inte. Vid LHC uppnås dessa temperaturer med flytande helium. Det är oklart om det finns tillräckligt med flytande helium någonstans i närheten för att kyla en cirkulär accelerator på solsystemets storlek.
Vid dessa energier måste detektorerna vara enorma. Du måste utbilda fysiker och förvärva en obegriplig mängd datorkraft. Du behöver avancerad robotik, skydd mot asteroider, kometer och annat skräp. Och allt detta måste fortfarande sättas i drift. Du kan inte använda solens energi eftersom maskinen omger solen på ett avstånd från Neptun. En enhet av denna storlek kommer att kräva genombrott i energi som inte är möjliga inom en snar framtid.
Ett sådant experiment skulle förändra fysiken. Trots allt hjälper sådana experiment fysiker att förstå hur saker fungerar, och en sådan accelerator kommer att ge övertygande svar på många frågor. Det kommer att förändra hur människor tänker. Kommer att förändra vad vi menar med "förståelse".
Om vi byggde en collider runt solsystemets yttergräns, handlar kunskapen som vi skulle förvärva om tyngdkraften, hur man kombinerar kvantmekanik och allmän relativitet i en, om tidsresor, om vad som hände vid tidpunkten för Big Bang, om huruvida vårt universum bara kan vara ett av ett oändligt antal flera universum - skulle förändra vår uppfattning om verkligheten, vår inställning till naturen, detta språk, vår världsförståelse, mänskligheten i allmänhet, vår plats i universum så mycket att vi var tvungna att skulle uppfinna ett nytt förståelsebegrepp för att beskriva det.
Uppenbarligen är det ingen som arbetar med ett sådant experiment, även om CERN redan på papper utvecklar Future Circular Collider, vars tunnel är 80-100 kilometer lång. Men kanske någonstans i universum arbetar med ett sådant projekt.
Det skulle vara fantastiskt om någon avlägsen civilisation någon annanstans i universum redan arbetade med detta, och vi hade åtminstone möjligheten att hitta och kontakta henne för att fråga om resultaten av till och med vanliga fysiska experiment. Har de samma massa som Higgs boson? Hittade de X- och Y-bosoner som demonstrerar föreningen av elektrovågs- och elektrostrongkrafter? Kom de till Planck-skalan? Vad är mörk materia? Kan vi gå tillbaka i tiden?
Universum kommer att fortsätta arbeta enligt samma lagar. Den verkliga frågan är om människor någonsin kommer att kunna förstå dessa lagar.
Ilya Khel
