Graviti sangat lemah. Fikirkanlah: anda boleh mengangkat kaki anda dari tanah, walaupun seluruh jisim Bumi merebutnya. Mengapa dia begitu lemah? Tidak diketahui. Dan mungkin memerlukan eksperimen saintifik yang sangat besar untuk mengetahuinya. James Beecham adalah seorang ahli fizik Universiti Duke yang bekerja dengan pengesan ATLAS di Large Hadron Collider yang terkenal di Switzerland. Dia baru-baru ini menggambarkan eksperimen fiziknya untuk Gizmodo: pemecut atom yang sangat besar - Ultra-Hadron Collider - yang terletak di pinggir luar sistem suria.
Eksperimen seperti itu dapat menyelesaikan sebahagian besar misteri fizik dengan segera, misalnya, mengungkap hakikat sebenar bahan gelap atau membuktikan kemungkinan perjalanan waktu.
Percubaan pemikiran: collider bersaiz sistem suria
Ahli fizik yakin mereka mengetahui prinsip asas alam semesta. Zarah berinteraksi melalui daya, di antaranya empat diketahui: elektromagnetisme; Kekuatan "Lemah"; Kekuatan "kuat"; graviti. Setiap kekuatan mempunyai peraturan yang kami temui melalui eksperimen selama beratus-ratus tahun. Beberapa interaksi asas lebih kuat, ada yang lemah.
Berbanding dengan tiga yang lain, "graviti tidak hanya lemah, praktikalnya tidak signifikan," kata Beecham. Lebih jauh - dari orang pertama.
Di Large Hadron Collider, tempat saya bekerja, kami mempelajari asas-asas asas alam dengan menyatukan proton pada tenaga tinggi. Peraturan yang kita selidiki dijelaskan dalam terminologi partikel dan daya, dan graviti adalah satu-satunya dari empat daya yang diketahui yang bahkan kita tidak perhatikan ketika menghitung perlanggaran proton dengan tenaga tertinggi. Sekiranya kita memberikan interaksi yang kuat dengan daya 1, graviti akan mempunyai kekuatan 10-39. 39 sifar selepas titik perpuluhan. Ia tidak sama sekali.
Video promosi:
Misteri sains ini adalah salah satu yang paling tidak dapat kita fahami. Mengapa kekuatan interaksi berbaris dengan cara ini? Mengapa graviti begitu lemah?
Alam adalah apa adanya, tidak kira bagaimana orang membayangkannya. Tetapi eksperimen menunjukkan bahawa pada tenaga yang cukup tinggi, elektromagnetisme dan daya lemah bergabung bersama menjadi satu daya. Pada tenaga yang lebih tinggi, saintis percaya, interaksi yang kuat juga akan bergabung dengan mereka. Tetapi graviti berbeza. Para saintis tidak tahu sama ada graviti akan bergabung dengan kekuatan yang lain pada tenaga yang cukup tinggi.
"Graviti adalah kekuatan semula jadi, tetapi peraturannya - matematik yang mendasariinya, penerangan yang paling tepat - entah bagaimana sangat berbeza dari yang lain," kata Beecham. Dan dia terus:
Graviti paling baik dijelaskan oleh teori relativiti umum Einstein, sementara tiga daya lain yang dijelaskan oleh Model Piawai fizik zarah berdasarkan teori medan kuantum. Dan walaupun ada persamaan, mereka berbeza. Maksudnya, ketika kita secara naif berusaha menjahitnya, kita mendapat jawapan yang tidak bermakna.
Di alam semesta kita sekarang ini, menggunakan teknologi terkini kita, "hampir mustahil untuk mencari jawapan empirikal untuk pertanyaan ini," kata Beecham. Kenapa? "Kami tidak dapat mencapai tenaga perlanggaran tinggi, terutamanya kerana kami tidak dapat membina sebuah collider yang cukup besar untuk melakukan ini." Dia mengatakan bahawa beberapa ahli teori percaya bahawa ada sesuatu yang lain (seperti partikel lain atau dimensi spasial tambahan, seperti yang disarankan oleh teori rentetan dan modelnya yang meluas) yang mungkin muncul dalam eksperimen yang menggabungkan graviti dengan kekuatan lain.
Tetapi untuk itu kita memerlukan collider bersaiz sistem suria.
Malah Large Hadron Collider berskala 27 kilometer, yang menggunakan magnet superkonduktor untuk mempercepat dan bertembung sinar proton pada 99.999999% kelajuan cahaya, tidak cukup pantas untuk menjawab soalan-soalan ini. Dia hanya dapat mengetahui seperti apa alam semesta ketika seukuran sebiji epal. Para saintis mungkin memerlukan lebih banyak tenaga dan oleh itu pelindung yang lebih besar untuk memahami alam semesta lebih kecil daripada sebiji epal.
Berapa banyak lagi? Mungkin kekuatan nuklear yang kuat dan lemah dapat digabungkan dengan pelanggar yang dibina di sekitar Marikh. Tetapi untuk menambahkan graviti pada persamaan ini, “menurut beberapa perkiraan kasar, seorang pelanggar diperlukan untuk mengelilingi orbit Neptunus. Lebih-lebih lagi, beberapa saintis berpendapat bahawa anggaran ini sangat kasar dan kita harus membina cincin yang lebih besar. " Manfaatnya akan sangat besar - collider seperti itu dapat menguji skala Planck, skala terkecil yang dapat kita perhatikan yang memungkinkan mekanik kuantum. "Kami akan memahami segala-galanya mengenai graviti, mengenai mekanik kuantum, dan sementara itu, kami juga akan mendapat gabungan kekuatan elektroweak dan kekuatan elektro seperti itu, diikuti dengan perjalanan waktu, teori rentetan, bahan gelap, tenaga gelap, masalah pengukuran, teori pelbagai alam semesta dan lain-lain.
Apa? Perjalanan masa? Menurut Beecham, kita akan mendapat pemahaman terperinci tentang alam semesta dan bagaimana ruang-waktu berfungsi sehingga kita mungkin dapat meletakkan pengetahuan kita menjadi asas teknologi masa depan untuk memanipulasi masa.
"Ada kemungkinan kekuatan graviti dan kekuatan alam yang lain bergabung pada beberapa tenaga yang sangat tinggi, tetapi untuk menyelidiki masalah ini, kita perlu membuat collider seperti LHC, yang mengelilingi bahagian luar sistem suria atau lebih banyak lagi."
Malangnya, percubaan pemikiran Beecham tidak dapat dilaksanakan pada masa ini:
Teknologi, kekuatan dan sumber daya manusia untuk membuat collider partikel yang mengelilingi bahagian luar sistem suria tidak ada. Walaupun kita menggunakan teknologi pemecut dan pengesan yang ada di LHC, skala itu akan menjadi masalah dalam pengertian yang paling praktikal: tidak jelas apakah ada cukup bahan untuk membuat kolosal ini di sistem suria, di semua sumber - Bumi, Bulan, planet, asteroid, dll. …
Dan untuk mempercepat proton ke tenaga tinggi seperti itu, walaupun di LHC, kami menggunakan magnet superkonduktor. Magnet menjadi superkonduktor hanya jika anda menjadikannya sangat sejuk. Seseorang akan berfikir bahawa ini akan berguna untuk membuat pemecut zarah di ruang angkasa. Kosmos sangat sejuk. Tetapi untuk superkonduktiviti, tidak terlalu sejuk. Ruang luar mempunyai suhu 2.7 Kelvin, tetapi magnet memerlukan 1.9 Kelvin. Tutup, tetapi masih tidak. Di LHC, suhu ini dicapai dengan menggunakan helium cair. Tidak jelas jika terdapat cukup helium cecair di mana sahaja yang berdekatan untuk menyejukkan pemecut pekeliling ukuran sistem suria.
Pada tenaga ini, pengesan mesti besar. Anda harus melatih ahli fizik dan memperoleh kekuatan pengkomputeran yang tidak dapat difahami. Anda memerlukan robotik canggih, perlindungan dari asteroid, komet dan serpihan lain. Dan semua ini masih perlu digerakkan. Anda tidak boleh menggunakan tenaga Matahari, kerana mesin mengelilingi Matahari pada jarak Neptunus. Peranti dengan saiz ini memerlukan penembusan tenaga yang tidak dapat dilaksanakan dalam masa terdekat.
Percubaan seperti itu akan mengubah fizik. Bagaimanapun, eksperimen seperti itu membantu ahli fizik memahami bagaimana sesuatu berfungsi, dan pemecut seperti itu akan memberikan jawapan yang meyakinkan kepada banyak persoalan. Ia akan mengubah cara berfikir orang. Akan mengubah apa yang kita maksudkan dengan "memahami."
Sekiranya kita membina pelindung di sekitar sempadan luar sistem suria, pengetahuan yang akan kita perolehi adalah mengenai sifat graviti, tentang bagaimana menggabungkan mekanik kuantum dan relativiti umum menjadi satu, mengenai perjalanan waktu, tentang apa yang berlaku pada waktu Big Bang, mengenai sama ada Alam Semesta kita boleh menjadi salah satu daripada banyak alam semesta yang tak terhingga - akan mengubah idea kita tentang realiti, sikap kita terhadap alam semula jadi, bahasa ini, pemahaman dunia, kemanusiaan secara umum, tempat kita di alam semesta sehingga kita harus akan mencipta konsep pemahaman baru untuk menggambarkannya.
Jelas, tidak ada yang mengerjakan eksperimen seperti itu, walaupun CERN sudah mengembangkan di atas kertas Future Circular Collider, terowong yang panjangnya 80-100 kilometer. Namun, mungkin di suatu tempat di Alam Semesta sedang mengusahakan projek seperti itu.
Akan menjadi luar biasa jika beberapa peradaban yang jauh di tempat lain di Alam Semesta sudah mengusahakannya, dan kita sekurang-kurangnya berpeluang untuk mencari dan menghubunginya untuk bertanya tentang hasil eksperimen fizikal biasa. Adakah mereka mempunyai jisim boson Higgs yang sama? Adakah mereka menemui boson X dan Y yang menunjukkan penyatuan daya elektroweak dan elektrostrong? Adakah mereka sampai ke skala Planck? Apakah perkara gelap? Bolehkah kita kembali ke masa yang lalu?
Alam semesta akan terus beroperasi mengikut undang-undang yang sama. Persoalan sebenarnya ialah adakah manusia akan dapat memahami undang-undang ini.
Ilya Khel
