La gravità è incredibilmente debole. Pensaci: puoi sollevare il piede da terra, nonostante l'intera massa della Terra che lo afferra. Perché è così debole? Sconosciuto. E potrebbe essere necessario un esperimento scientifico molto, molto grande per scoprirlo. James Beecham è un fisico della Duke University che lavora con il rivelatore ATLAS presso il famoso Large Hadron Collider in Svizzera. Di recente ha descritto il suo esperimento di fisica per Gizmodo: un acceleratore atomico incredibilmente grande - l'Ultra-Hadron Collider - situato al bordo esterno del sistema solare.
Un simile esperimento potrebbe risolvere immediatamente la maggior parte dei misteri della fisica, ad esempio, rivelare la vera natura della materia oscura o dimostrare la possibilità di viaggiare nel tempo.
Esperimento mentale: un collisore delle dimensioni di un sistema solare
I fisici sono fiduciosi di conoscere i principi di base dell'universo. Le particelle interagiscono tramite forze, di cui si conoscono quattro: elettromagnetismo; Forza "debole"; Forza "forte"; gravità. Ogni forza ha regole che abbiamo trovato attraverso esperimenti nel corso di centinaia di anni. Alcune interazioni fondamentali sono più forti, altre sono più deboli.
Rispetto agli altri tre, "la gravità non è solo debole, è praticamente insignificante", dice Beecham. Inoltre - dalla prima persona.
Al Large Hadron Collider, dove ho lavorato, studiamo le regole basilari ed elementari della natura spingendo insieme i protoni ad alte energie. Le regole che stiamo studiando sono descritte nella terminologia delle particelle e delle forze, e la gravità è l'unica delle quattro forze conosciute a cui non prestiamo nemmeno attenzione quando calcoliamo le collisioni a più alta energia dei protoni. Se dotiamo una forte interazione con una forza di 1, la gravità avrà una forza di 10-39. 39 zeri dopo il punto decimale. Cioè, niente di niente.
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Questo mistero della scienza è uno dei più incomprensibili per noi. Perché le forze dell'interazione sono allineate in questo modo? Perché la gravità è così debole?
La natura è quello che è, non importa come la gente la immagina. Ma gli esperimenti hanno dimostrato che a energie sufficientemente elevate, l'elettromagnetismo e la forza debole si fondono in un'unica forza. A energie ancora più elevate, ritengono gli scienziati, si uniranno anche forti interazioni. Ma la gravità è diversa. Gli scienziati non sanno se la gravità si combinerà con il resto delle forze a energie sufficientemente elevate.
"La gravità è una forza della natura, ma le sue regole - la matematica che ne è alla base, la descrizione più accurata - sono in qualche modo molto diverse dalle altre", dice Beecham. E continua:
La gravità è meglio descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein, mentre le altre tre forze descritte dal modello standard della fisica delle particelle si basano sulla teoria quantistica dei campi. E sebbene ci siano somiglianze, sono diverse. Cioè, quando proviamo ingenuamente a cucirli insieme, otteniamo risposte prive di significato.
Nel nostro universo attuale, utilizzando la nostra tecnologia attuale, "è quasi impossibile trovare una risposta empirica a questa domanda", dice Beecham. Perché? "Non possiamo raggiungere energie di collisione così elevate, principalmente perché non possiamo costruire un collisore abbastanza grande per farlo". Dice che alcuni teorici credono che ci sia qualcos'altro (come altre particelle o dimensioni extra spaziali, come suggerito dalla teoria delle stringhe e dai suoi modelli estesi) che potrebbe apparire in un esperimento che combina la gravità con altre forze.
Ma per questo abbiamo bisogno di un collisore delle dimensioni di un sistema solare.
Anche il Large Hadron Collider circolare di 27 chilometri, che utilizza magneti superconduttori per accelerare e far collidere i fasci di protoni al 99,999999% della velocità della luce, non è abbastanza veloce per rispondere a queste domande. Può solo scoprire com'era l'universo quando aveva le dimensioni di una mela. Gli scienziati potrebbero aver bisogno di più energia e quindi di un collisore più grande per dare un senso a un universo più piccolo di una mela.
Quanto ancora? Forse forze nucleari forti e deboli potrebbero essere combinate con un collisore costruito attorno a Marte. Ma per aggiungere la gravità a questa equazione, “secondo alcune stime approssimative, sarebbe necessario un collisore per circondare l'orbita di Nettuno. Inoltre, alcuni scienziati sostengono che questa stima è molto approssimativa e dovremo costruire un anello più grande ". I vantaggi sarebbero enormi: un tale collisore sarebbe in grado di testare le scale di Planck, le scale più piccole che possiamo esaminare, consentite dalla meccanica quantistica. "Capiremmo tutto sulla gravità, sulla meccanica quantistica e, nel frattempo, otterremmo anche una forza elettrodebole ed elettro-forte combinata proprio come quella, seguita da viaggio nel tempo, teoria delle stringhe, materia oscura, energia oscura, il problema della misurazione, la teoria degli universi multipli eccetera.
Che cosa? Viaggio nel tempo? Secondo Beecham, avremmo una comprensione così dettagliata dell'universo e di come funziona lo spazio-tempo che potremmo eventualmente mettere la nostra conoscenza alla base delle future tecnologie per manipolare il tempo.
"È possibile che la forza di gravità e altre forze della natura si combinino ad energie estremamente elevate, ma per indagare su questo problema avremo bisogno di creare un collisore come l'LHC, che circondi i confini esterni del sistema solare o anche di più".
Sfortunatamente, l'esperimento mentale di Beecham non è fattibile in questo momento:
“La tecnologia, la forza umana e le risorse per creare un collisore di particelle che circonda i tratti più esterni del sistema solare semplicemente non esistono. Anche se prendessimo le tecnologie dell'acceleratore e del rivelatore esistenti all'LHC, la scala sarebbe un problema nel senso più pratico: non è chiaro se ci sia abbastanza materiale per creare questo colosso nel sistema solare, a tutte le sorgenti: la Terra, la Luna, i pianeti, gli asteroidi, ecc. …
E per accelerare i protoni a energie così elevate, anche all'LHC, utilizziamo magneti superconduttori. I magneti diventano superconduttori solo se li rendi molto freddi. Si potrebbe pensare che questo sarebbe utile per creare un acceleratore di particelle nello spazio. Il cosmo è molto freddo. Ma per la superconduttività, non fa molto freddo. Lo spazio esterno ha una temperatura di 2,7 Kelvin, ma i magneti richiedono 1,9 Kelvin. Vicino, ma ancora no. All'LHC, queste temperature vengono raggiunte utilizzando elio liquido. Non è chiaro se ci sia abbastanza elio liquido ovunque nelle vicinanze per raffreddare un acceleratore circolare delle dimensioni del sistema solare.
A queste energie, i rilevatori devono essere enormi. Dovrai formare fisici e acquisire una quantità incomprensibile di potenza di calcolo. Avrai bisogno di robotica avanzata, protezione da asteroidi, comete e altri detriti. E tutto questo deve ancora essere messo in moto. Non puoi usare l'energia del Sole, perché la macchina circonda il Sole a una distanza da Nettuno. Un dispositivo di queste dimensioni richiederà scoperte energetiche che non sono realizzabili nel prossimo futuro.
Un simile esperimento cambierebbe la fisica. Dopotutto, tali esperimenti aiutano i fisici a capire come funzionano le cose e un tale acceleratore fornirà risposte convincenti a molte domande. Cambierà il modo in cui le persone pensano. Cambierà ciò che intendiamo per "comprensione".
Se stessimo costruendo un collisore attorno al confine esterno del sistema solare, la conoscenza che acquisiremmo riguarderebbe la natura della gravità, su come combinare la meccanica quantistica e la relatività generale in una, sui viaggi nel tempo, su cosa è successo al tempo del Big Bang, sul fatto che il nostro Universo possa essere solo uno di un numero infinito di universi multipli - cambierebbe la nostra idea della realtà, il nostro atteggiamento nei confronti della natura, questo linguaggio, la comprensione del mondo, l'umanità in generale, il nostro posto nell'universo così tanto che dovevamo inventerebbe un nuovo concetto di comprensione per descriverlo.
Ovviamente nessuno sta lavorando a un simile esperimento, sebbene il CERN stia già sviluppando sulla carta il Future Circular Collider, il cui tunnel sarà lungo 80-100 chilometri. Tuttavia, forse da qualche parte nell'Universo sta lavorando a un progetto del genere.
Sarebbe fantastico se qualche civiltà lontana da qualche altra parte nell'Universo stesse già lavorando su questo, e avessimo almeno l'opportunità di trovarla e contattarla per chiedere dei risultati anche di normali esperimenti fisici. Hanno la stessa massa del bosone di Higgs? Hanno trovato bosoni X e Y che dimostrano l'unificazione delle forze elettrodebole ed elettrostrong? Sono arrivati alla scala di Planck? Cos'è la materia oscura? Possiamo tornare indietro nel tempo?
L'universo continuerà a funzionare secondo le stesse leggi. La vera domanda è se gli esseri umani saranno mai in grado di comprendere queste leggi.
Ilya Khel
