Gravitatsioon on uskumatult nõrk. Mõelge ainult sellele: võite oma jala maapinnalt üles tõsta, hoolimata kogu Maa massist, mis seda haarab. Miks ta on nii nõrk? Tundmatu. Ja selle välja selgitamiseks võib kuluda väga, väga mahukas teaduslik eksperiment. James Beecham on Duke'i ülikooli füüsik, kes töötab Šveitsi kuulsas suures Hadroni põrkeseadmes ATLAS detektoriga. Ta kirjeldas hiljuti oma füüsikakatset Gizmodo jaoks: uskumatult suur aatomikiirendi - Ultra-Hadron Collider -, mis asub Päikesesüsteemi välisservas.
Selline katse võiks suurema osa füüsika saladustest kohe lahendada, näiteks paljastada tumeda aine tegelik olemus või tõestada ajas rändamise võimalust.
Mõttekatse: päikesesüsteemi suurune kokkupõrge
Füüsikud on kindlad, et nad teavad universumi põhiprintsiipe. Osakesed interakteeruvad jõudude kaudu, mida on teada neli: elektromagnetism; "Nõrk" tugevus; "Tugev" tugevus; gravitatsioon. Igal jõul on reeglid, mille oleme leidnud sadade aastate jooksul tehtud katsete käigus. Mõni fundamentaalne interaktsioon on tugevam, mõni nõrgem.
Võrreldes kolme teisega, "gravitatsioon pole lihtsalt nõrk, see on praktiliselt tähtsusetu," ütleb Beecham. Edasi - esimesest inimesest.
Suures hadronite põrkekohas, kus ma töötasin, uurime looduse põhilisi, elementaarseid reegleid, surudes prootoneid kõrge energiaga koos. Reegleid, mida uurime, on kirjeldatud osakeste ja jõu terminoloogias ning gravitatsioon on ainus neljast teadaolevast jõust, millele me isegi ei pööra tähelepanu prootonite suurimate energiakokkupõrgete arvutamisel. Kui meil on tugev koostoime jõuga 1, on gravitatsioonil jõud 10-39. 39 nulli pärast koma. See tähendab, et mitte midagi.
Reklaamvideo:
See teaduse müsteerium on meile üks arusaamatumaid. Miks on interaktsiooni jõud sel viisil rivistatud? Miks on gravitatsioon nii nõrk?
Loodus on selline, nagu ta on, ükskõik, kuidas inimesed seda ette kujutavad. Kuid katsed on näidanud, et piisavalt kõrge energia korral sulanduvad elektromagnetism ja nõrk jõud üheks jõuks. Veelgi kõrgemate energiate korral, teadlaste arvates, liitub nendega ka tugev koostoime. Kuid gravitatsioon on erinev. Teadlased ei tea, kas gravitatsioon ühendab ülejäänud jõududega piisavalt kõrge energia.
"Gravitatsioon on looduse jõud, kuid selle reeglid - selle aluseks olev matemaatika, kõige täpsem kirjeldus - on millegipärast väga erinevad ülejäänutest," ütleb Beecham. Ja ta jätkab:
Gravitatsiooni kirjeldab kõige paremini Einsteini üldine relatiivsusteooria ja ülejäänud kolm jõud, mida osakeste füüsika standardmudel kirjeldab, põhinevad kvantväljade teoorial. Ja ehkki on sarnasusi, on nad siiski erinevad. See tähendab, et kui proovime naiivselt neid kokku õmmelda, saame mõttetuid vastuseid.
Praeguses universumis, kasutades meie praegust tehnoloogiat, “on sellele küsimusele empiirilise vastuse leidmine peaaegu võimatu,” ütleb Beecham. Miks? "Me ei pääse nii kõrgetele kokkupõrkeenergiatele, peamiselt seetõttu, et me ei saa ehitada selleks piisavalt suurt põrkerauda." Ta ütleb, et mõned teoreetikud usuvad, et on veel midagi (nagu muud osakesed või ruumilised lisamõõtmed, nagu näevad ette nööriteooria ja selle laiendatud mudelid), mis võib ilmneda katses, mis ühendab gravitatsiooni teiste jõududega.
Kuid selleks on vaja päikesesüsteemi suurust põrkeseadet.
Nendele küsimustele ei ole piisavalt kiire isegi 27-kilomeetrine ümmargune suur hadronikolonder, mis kasutab ülijuhtivaid magneteid prootonkiirte kiirendamiseks ja põrkumiseks valguse kiirusel 99,999999%. Ta saab ainult teada, milline oli universum, kui see oli õuna suurune. Teadlased vajavad õunast väiksema universumi mõistmiseks võib-olla rohkem energiat ja seetõttu suuremat põrkepiirkonda.
Kui palju veel? Võib-olla saaks tugevad ja nõrgad tuumajõud ühendada Marsi ümber ehitatud põrkeseadmega. Kuid sellele võrrandile gravitatsiooni lisamiseks oleks “mõnede umbkaudsete hinnangute kohaselt Neptuuni orbiidi ümbritsemiseks vajalik põrketihend. Pealegi väidavad mõned teadlased, et see hinnang on väga umbne ja me peame üles ehitama suurema ringi. Kasu oleks tohutu - selline põrkeseadis suudaks katsetada Plancki skaalasid, väikseimad skaalad, mida me võime uurida, et kvantmehaanika seda võimaldab. „Me mõistaksime kõike gravitatsioonist, kvantmehaanikast ja samal ajal saaksime samamoodi ka kombineeritud elektrilöögi ja elektrilise tugevuse jõu, millele järgnevad ajarännak, stringi teooria, tumeaine, tume energia, mõõtmisprobleem, mitme universumi teooria jne.
Mida? Ajas reisimine? Beechami sõnul saaksime nii üksikasjaliku arusaama universumist ja kosmose-aja toimimisest, et võiksime oma teadmised tuleviku aja manipuleerimise tehnoloogiate alusesse panna.
"Võimalik, et gravitatsioonijõud ja muud loodusjõud ühendavad mõnd eriti suurt energiat, kuid selle küsimuse uurimiseks peame looma LHC-taolise põrkeseadme, mis ümbritseb Päikesesüsteemi välimisi jõude või veelgi enam."
Kahjuks pole Beechami mõtteeksperiment praegu teostatav:
“Päikesesüsteemi välispiire ümbritsevate osakeste põrkeseadme loomise tehnoloogiat, inimjõudu ja ressursse lihtsalt ei eksisteeri. Isegi kui võtaksime LHC-s olemasoleva kiirendi ja detektori tehnoloogiad, oleks skaala probleemiks kõige praktilisemas mõttes: pole selge, kas päikesesüsteemis on kõigil allikatel - Maa, Kuu, planeedid, asteroidid jne - piisavalt palju materjali, et seda kolossi luua. …
Ja nii kõrgete energiate prootonite kiirendamiseks, isegi LHC juures, kasutame ülijuhtivaid magneteid. Magnetid muutuvad ülijuhtideks ainult siis, kui muudate need väga külmaks. Võib arvata, et sellest oleks kasu osakeste kiirendi loomisel kosmoses. Kosmos on väga külm. Kuid ülijuhtivuse jaoks pole see eriti külm. Kosmoses on temperatuur 2,7 kelvinit, kuid magnetid vajavad 1,9 kelvinit. Lähedal, aga siiski mitte. LHC juures saavutatakse need temperatuurid vedela heeliumi abil. On ebaselge, kas kuskil läheduses on piisavalt vedelat heeliumi, et jahutada päikesesüsteemi suurusega ümmargust kiirendit.
Nende energiate juures peavad detektorid olema tohutud. Peate koolitama füüsikuid ja omandama arusaamatu hulga arvutusvõimsusi. Te vajate täiustatud robootikat, kaitset asteroidide, komeetide ja muu prahi eest. Ja see kõik tuleb veel käima panna. Päikese energiat ei saa kasutada, sest masin ümbritseb Päikest Neptuuni kaugusel. Sellise suurusega seade nõuab energia läbimurret, mis pole lähitulevikus teostatav.
Selline eksperiment muudaks füüsikat. Lõppude lõpuks aitavad sellised katsed füüsikutel mõista, kuidas asjad toimivad, ja selline kiirendi annab veenvaid vastuseid paljudele küsimustele. See muudab inimeste mõtteviisi. Muutub see, mida me mõtleme "mõistmise" all.
Kui me ehitaksime Päikesesüsteemi välispiiri ümber põrkeraua, on omandatavad teadmised raskusjõu olemuse kohta, kuidas kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria ühendada üheks, ajarännakuks, Suure Paugu ajal juhtunuks, selle kohta, kas meie universum võib olla lihtsalt üks lõputu hulga mitmest universumist - muudaks meie ettekujutust reaalsusest, suhtumist loodusesse, selle keelde, arusaama maailmast, inimkonnast üldiselt, meie kohast universumis nii palju, et pidime leiutaks selle kirjeldamiseks uue mõistmiskontseptsiooni.
Ilmselt keegi sellise eksperimendi kallal ei tööta, ehkki CERN arendab paberil juba Future Circular Colliderit, mille tunneli pikkus on 80–100 kilomeetrit. Ehk töötab kuskil universumis sellise projekti kallal.
Oleks fantastiline, kui mõni kauge tsivilisatsioon kusagil mujal universumis juba selle kallal töötaks ning meil oleks vähemalt võimalus temaga ühendust võtta ja temaga ühendust võtta, et küsida isegi tavaliste füüsiliste katsete tulemusi. Kas neil on sama mass Higgsi bosoni? Kas nad leidsid X- ja Y-bosonid, mis demonstreerivad elektrilöögi ja elektritugevate jõudude ühendamist? Kas nad jõudsid Plancki skaalale? Mis on tume aine? Kas suudame ajas tagasi liikuda?
Universum töötab edasi samade seaduste järgi. Tegelikult on küsimus selles, kas inimesed suudavad neid seadusi kunagi mõista.
Ilja Khel
