Ми знаємо, як розгадати таємниці часу і простору. Але нам потрібен колайдер розміром з Сонячну систему

Гравітація неймовірно слабка сила. Просто вдумайтеся: ви можете відірвати свою ногу від землі, незважаючи на всю масу Землі, яка її притягує. Чому вона така слабка? Невідомо. І, можливо, буде потрібно дуже і дуже великий науковий експеримент, щоб це з'ясувати. Джеймс Бичем — фізик з Університету Дьюка, який працює з детектором ATLAS на знаменитому Великому адронному колайдері в Швейцарії. Нещодавно він описав свій фізичний експеримент для Gizmodo: неймовірно великий прискорювач атомів — Ультра-адронний коллайдер — розташований по зовнішньому краю Сонячної системи.

Такий експеримент міг би вирішити більшість загадок фізики відразу, наприклад, розкрити справжню природу темної матерії або довести можливість подорожей у часі.

Уявний експеримент: коллайдер розміром з Сонячну систему

«Щоб зрозуміти, що відбувалося під час Великого Вибуху, чим ближче до самого моменту ми підбираємося, тим вище енергії нам потрібні для експериментів на колайдері, а тому доводиться будувати колайдери все більше і більше», говорить Бичем. «В даний час ми досить добре розуміємо, що відбувалося, коли Всесвіт був розміром з яблуко; цього ми можемо досягти з енергіями БАК. Але коли вона була менша, чим далі назад в часі, тим незрозуміліше».

Фізики впевнені, що знають основні принципи Всесвіту. Частинки взаємодіють через сили, з яких відомо чотири: електромагнетизм; «слабка» сила; «сильна» сила; гравитаци. Кожна сила має правила, які ми знаходили в ході експериментів, проведених протягом сотень років. Деякі фундаментальні взаємодії сильніше, деякі слабкіше.

в порівнянні з іншими трьома «гравітація не просто слабка, вона практично несуттєва», говорить Бичем. Далі — від першої особи.

На Великому адронному колайдері, де я працював, ми вивчаємо базові, елементарні правила природи, зіштовхуючи протони разом на високих енергіях. Правила, які ми досліджуємо, описуються в термінології частинок і сил, і гравітація — єдина з чотирьох відомих сил, на яку ми навіть не звертаємо уваги, розраховуючи самі високоенергетичні зіткнення протонів. Якщо б ми наділяємо сильна взаємодія силою 1, гравітація буде мати силу 10^-39. 39 нулів після коми. Тобто, взагалі нічого.

Ця загадка науки одна з найбільш незрозумілих для нас. Чому сили взаємодій вишикувалися таким чином? Чому така слабка гравітація?

Природа така, яка є, незалежно від того, який люди її представляють. Але експерименти показали, що при досить високих енергіях електромагнетизм і слабка сила зливаються разом в одну силу. При ще більш високих енергіях, вважають вчені, сильна взаємодія також буде до них приєднуватися. Але гравітація відрізняється. Вчені не знають, чи буде гравітація об'єднуватися з іншими силами при досить високих енергіях.

«Гравітація — це сила природи, але її правила — математика, яка лежить в її основі, саме точне опис — якимось чином сильно відрізняються від інших», говорить Бичем. І продовжує:

Гравітація найкраще описується загальною теорією відносності Ейнштейна, а три інші сили, які описуються Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, ґрунтуються на квантовій теорії поля. І хоча подібності є, вони різні. Тобто коли ми наївно намагаємося зшийте їх разом, ми отримуємо безглузді відповіді.

В нашій нинішній Всесвіту, використовуючи наші нинішні технології, «практично неможливо знайти відповідь на це питання емпіричним шляхом», говорить Бичем. Чому? «Ми не можемо дістатися до таких високих енергій зіткнення, в першу чергу тому, що не можемо побудувати колайдер досить великий для цього». Він говорить, що деякі теоретики вважають, що є щось ще (на зразок інших частинок або додаткових просторових вимірів, як випливає з теорії струн і її розширених моделей), що може здатися в експерименті, що поєднує гравітацію з іншими силами.

Але для цього нам потрібен колайдер розміром з Сонячну систему.

Навіть 27-кілометровий круглий Великий адронний коллайдер, який використовує надпровідні магніти для прискорення і зіткнень пучків протонів на 99,999999% швидкості світла, недостатньо великий, щоб відповісти на ці питання. Він може дізнатися лише, якою була Всесвіту, коли вона була розміром з яблуко. Вченим може знадобитися більше енергії і, отже, більший коллайдер, щоб розібратися у Всесвіті менше розміру яблука.

Наскільки більше? Можливо, сильну і слабку ядерні сили можна було б об'єднати за допомогою коллайдера, побудованого навколо Марса. Але щоб додати гравітацію в це рівняння, «за деякими приблизними оцінками потрібно коллайдер, оперізувальний орбіту Нептуна. Більш того, деякі вчені стверджують, що ця оцінка дуже приблизна і нам доведеться побудувати кільце ще більше». Переваги будуть величезними — такий колайдер зможе випробувати масштаби Планка, найменші масштаби, в які ми можемо зазирнути, дозволені квантової механікою. «Ми б зрозуміли все про гравітації, про квантову механіку і, між тим, також отримали б об'єднану электрослабую і электросильную чинності просто так, а слідом за нею подорожі в часі, теорію струн, темну матерію, темну енергію, проблему вимірювання, теорію множинних всесвітів і так далі.

Що? Подорожі в часі? На думку Бичема, ми б отримали настільки докладнийуявлення про Всесвіт і про те, як працює простір-час, що, можливо, змогли б покласти свої знання в основу майбутніх технологій маніпуляції з часом.

«Цілком можливо, що сила гравітації та інші сили природи об'єднуються при деяких надзвичайно високих енергіях, але для дослідження цього питання нам потрібно створити колайдер за типом БАК, оперізувальний зовнішні межі Сонячної системи або навіть більше».

На жаль, уявний експеримент Бичема нездійсненний в даний час:

«Технологій, людської сили і ресурсів для створення колайдера частинок, оперізувального зовнішні межі Сонячної системи, просто не існує. Навіть якщо б ми взяли технології існуючого прискорювача і детектора на БАК, масштаб був би проблемою в самому практичному сенсі: незрозуміло, чи вистачить матеріалу для створення цієї махини в Сонячній системі, на всіх джерелах — Земля, Місяць, планети, астероїди і т. п.

щоб розігнати протони до таких високих енергій, навіть на БАК, ми використовуємо надпровідні магніти. Магніти набувають властивості надпровідників тільки якщо ви робите їх дуже холодними. Можна було б подумати, що це буде корисно для створення прискорювача частинок в космосі. Космос адже дуже холодний. Але для надпровідності він не дуже холодний. Зовнішній космос має температуру 2,7 Кельвіна, але магніти вимагають 1,9 Кельвіна. Близько, але все ще немає. На БАК ці температури досягаються за допомогою рідкого гелію. Незрозуміло, чи вистачить рідкого гелію взагалі де-небудь поблизу, щоб охолодити кругової прискорювач розміром з Сонячну систему.

При таких енергіях детектори повинні бути величезними. Вам доведеться навчати фізиків і обзаводитися незбагненним кількістю обчислювальної потужності. Вам знадобиться передова робототехніка, захист від астероїдів, комет і іншого сміття. І все це ще потрібно привести в рух. Ви не можете використовувати енергію Сонця, тому що машина оточує Сонце на відстані Нептуна. Пристрій таких розмірів зажадає проривів в області енергетики, які не представляються можливими в найближчому майбутньому.

Такий експеримент змінив би фізику. Зрештою, такі експерименти допомагають фізикам зрозуміти, як все влаштовано, і такий прискорювач дасть переконливі відповіді на безліч питань. Це змінить мислення людей. Змінить те, що ми маємо на увазі під «розумінням».

Якщо б ми будували колайдер навколо зовнішньої межі Сонячної системи, знання, які ми придбали — про природу гравітації, про те, як пов'язати в одну квантову механіку і загальну теорію відносності, про подорожі в часі, про те, що було в момент Великого Вибуху, про те, чи може наша Всесвіт бути лише однією з нескінченного числа множинних всесвітів — настільки змінили наше уявлення про реальність, наше ставлення до природи, цим її мови, розуміння світу, людства, відбувається взагалі, нашого місця у всесвіті, що нам довелося б винаходити нову концепцію розуміння, щоб це описати.

Очевидно, ніхто з людей не працює над таким експериментом, хоча ЦЕРН вже розробляє на папері Майбутній кругової коллайдер, тунель якого буде 80-100 кілометрів завдовжки. Втім, можливо, десь хтось у Всесвіті і працює над таким проектом.

Було б фантастикою, якщо б якась далека цивілізація де-небудь ще у Всесвіті вже працювала б над цим, а у нас була хоча б можливість знайти та зв'язатися з нею, щоб запитати про результати навіть звичайних фізичних експериментів. Така ж у них маса бозона Хіггса? Чи знайшли вони X і Y-бозони, які демонструють об'єднання электрослабой і электросильной сил? Добралися вони до планківських масштабів? Що таке темна матерія? Чи ми можемо рухатися назад у часі?

Всесвіт буде продовжувати працювати за тими ж законами. Реальний питання в тому, чи зможуть люди коли-небудь зрозуміти ці закони.

Зможуть? Розкажіть в нашому