Гравитация невероятно слабая сила. Просто вдумайтесь: вы можете оторвать свою ногу от земли, несмотря на всю массу Земли, которая ее притягивает. Почему она такая слабая? Неизвестно. И, возможно, потребуется очень и очень большой научный эксперимент, чтобы это выяснить. Джеймс Бичем — физик из Университета Дьюка, который работает с детектором ATLAS на знаменитом Большом адронном коллайдере в Швейцарии. Недавно он описал свой физический эксперимент для Gizmodo: невероятно большой ускоритель атомов — Ультра-адронный коллайдер — расположенный по внешнему краю Солнечной системы.
Такой эксперимент мог бы решить большинство загадок физики сразу, например, раскрыть истинную природу темной материи или доказать возможность путешествий во времени.
Мысленный эксперимент: коллайдер размером с Солнечную систему
«Чтобы понять, что происходило во время Большого Взрыва, чем ближе к самому моменту мы подбираемся, тем выше энергии нам нужны для экспериментов на коллайдере, а значит приходится строить коллайдеры все больше и больше», говорит Бичем. «В настоящее время мы довольно хорошо понимаем, что происходило, когда Вселенная была размером с яблоко; этого мы можем достичь с энергиями БАК. Но когда она была меньше, чем дальше назад во времени, тем непонятнее».
Физики уверены, что знают основные принципы Вселенной. Частицы взаимодействуют через силы, из которых известно четыре: электромагнетизм; «слабая» сила; «сильная» сила; гравитаци. Каждая сила имеет правила, которые мы находили в ходе экспериментов, проводимых в течение сотен лет. Некоторые фундаментальные взаимодействия сильнее, некоторые слабее.
По сравнению с другими тремя «гравитация не просто слабая, она практически несущественная», говорит Бичем. Далее — от первого лица.
На Большом адронном коллайдере, где я работал, мы изучаем базовые, элементарные правила природы, сталкивая протоны вместе на высоких энергиях. Правила, которые мы исследуем, описываются в терминологии частиц и сил, и гравитация — единственная из четырех известных сил, на которую мы даже не обращаем внимания, рассчитывая самые высокоэнергетические столкновения протонов. Если бы наделяем сильное взаимодействие силой 1, гравитация будет иметь силу 10-39. 39 нулей после запятой. То есть, вообще ничего.
Эта загадка науки одна из самых непонятных для нас. Почему силы взаимодействий выстроились таким образом? Почему гравитация такая слабая?
Природа такова, какая есть, независимо от того, какой люди ее представляют. Но эксперименты показали, что при достаточно высоких энергиях электромагнетизм и слабая сила сливаются вместе в одну силу. При еще более высоких энергиях, полагают ученые, сильное взаимодействие также будет к ним присоединяться. Но гравитация отличается. Ученые не знают, будет ли гравитация объединяться с остальными силами при достаточно высоких энергиях.
«Гравитация — это сила природы, но ее правила — математика, которая лежит в ее основе, самое точное описание — каким-то образом сильно отличаются от остальных», говорит Бичем. И продолжает:
Гравитация лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна, а три другие силы, которые описываются Стандартной моделью физики элементарных частиц, основываются на квантовой теории поля. И хотя сходства есть, они разные. То есть когда мы наивно пытаемся сшить их вместе, мы получаем бессмысленные ответы.
В нашей нынешней Вселенной, используя наши нынешние технологии, «практически невозможно найти ответ на этот вопрос эмпирическим путем», говорит Бичем. Почему? «Мы не можем добраться до таких высоких энергий столкновения, в первую очередь потому, что не можем построить коллайдер достаточно большой для этого». Он говорит, что некоторые теоретики полагают, что есть что-то еще (вроде других частиц или дополнительных пространственных измерений, как вытекает из теории струн и ее расширенных моделей), что может показаться в эксперименте, объединяющем гравитацию с другими силами.
Но для этого нам нужен коллайдер размером с Солнечную систему.
Даже 27-километровый круглый Большой адронный коллайдер, использующий сверхпроводящие магниты для ускорения и столкновений пучков протонов на 99,999999% скорости света, недостаточно большой, чтобы ответить на эти вопросы. Он может узнать только лишь какой была Вселенной, когда она была размером с яблоко. Ученым может потребоваться больше энергии и, следовательно, больший коллайдер, чтобы разобраться во Вселенной меньше размера яблока.
Насколько больше? Возможно, сильную и слабую ядерные силы можно было бы объединить при помощи коллайдера, построенного вокруг Марса. Но чтобы добавить гравитацию в это уравнение, «по некоторым приблизительным оценкам потребуется коллайдер, опоясывающий орбиту Нептуна. Более того, некоторые ученые утверждают, что эта оценка очень приблизительна и нам придется построить кольцо еще больше». Преимущества будут огромными — такой коллайдер сможет опробовать масштабы Планка, самые маленькие масштабы, в которые мы можем заглянуть, позволенные квантовой механикой. «Мы бы поняли все о гравитации, о квантовой механике и, между тем, также получили бы объединенную электрослабую и электросильную силу просто так, а вслед за ней путешествия во времени, теорию струн, темную материю, темную энергию, проблему измерения, теорию множественных вселенных и так далее.
Что? Путешествия во времени? По мнению Бичема, мы бы получили настолько подробное представление о Вселенной и о том, как работает пространство-время, что, возможно, смогли бы положить свои знания в основу будущих технологий манипуляции со временем.
«Вполне возможно, что сила гравитации и другие силы природы объединяются при некоторых чрезвычайно высоких энергиях, но для исследования этого вопроса нам потребуется создать коллайдер по типу БАК, опоясывающий внешние пределы Солнечной системы или даже больше».
К сожалению, мысленный эксперимент Бичема неосуществим в настоящее время:
«Технологий, человеческой силы и ресурсов для создания коллайдера частиц, опоясывающего внешние пределы Солнечной системы, просто не существует. Даже если бы мы взяли технологии существующего ускорителя и детектора на БАК, масштаб был бы проблемой в самом практическом смысле: непонятно, хватит ли материала для создания этой махины в Солнечной системе, на всех источниках — Земля, Луна, планеты, астероиды и т.п.
И чтобы разогнать протоны до таких высоких энергий, даже на БАК, мы используем сверхпроводящие магниты. Магниты приобретают свойства сверхпроводников только если вы делаете их очень холодными. Можно было бы подумать, что это будет полезно для создания ускорителя частиц в космосе. Космос ведь очень холодный. Но для сверхпроводимости он не очень холодный. Внешний космос имеет температуру 2,7 Кельвина, но магниты требуют 1,9 Кельвина. Близко, но все еще нет. На БАК эти температуры достигаются при помощи жидкого гелия. Непонятно, хватит ли жидкого гелия вообще где-нибудь поблизости, чтобы охладить круговой ускоритель размером с Солнечную систему.
При таких энергиях детекторы должны быть огромными. Вам придется обучать физиков и обзаводиться непостижимым количеством вычислительной мощности. Вам понадобится передовая робототехника, защита от астероидов, комет и другого мусора. И все это еще нужно привести в движение. Вы не можете использовать энергию Солнца, потому что машина окружает Солнце на расстоянии Нептуна. Устройство таких размеров потребует прорывов в области энергетики, которые не представляются возможными в ближайшем будущем.
Такой эксперимент изменил бы физику. В конце концов, такие эксперименты помогают физикам понять, как все устроено, и такой ускоритель даст убедительные ответы на множество вопросов. Это изменит мышление людей. Изменит то, что мы подразумеваем под «пониманием».
Если бы мы строили коллайдер вокруг внешней границы Солнечной системы, знания, которые мы бы приобрели — о природе гравитации, о том, как увязать в одно квантовую механику и общую теорию относительности, о путешествиях во времени, о том, что было в момент Большого Взрыва, о том, может ли наша Вселенная быть всего одной из бесконечного числа множественных вселенных — настолько изменили бы наше представление о реальности, наше отношение к природе, этому ее языку, пониманию мира, человечества, происходящего вообще, нашего места во вселенной, что нам пришлось бы изобретать новую концепцию понимания, чтобы это описать.
Очевидно, никто из людей не работает над таким экспериментом, хотя ЦЕРН уже разрабатывает на бумаге Будущий круговой коллайдер, туннель которого будет 80-100 километров длиной. Впрочем, возможно, где-то кто-то во Вселенной и работает над таким проектом.
Было бы фантастикой, если бы некая далекая цивилизация где-нибудь еще во Вселенной уже работала бы над этим, а у нас была хотя бы возможность найти и связаться с ней, чтобы спросить о результатах даже обычных физических экспериментов. Такая же у них масса бозона Хиггса? Нашли ли они X и Y бозоны, которые демонстрируют объединение электрослабой и электросильной сил? Добрались они до планковских масштабов? Что такое темная материя? Можем ли мы двигаться назад во времени?
Вселенная будет продолжать работать по тем же законам. Реальный вопрос в том, смогут ли люди когда-нибудь понять эти законы.
Смогут? Расскажите в нашем чате в Телеграме.