De zwaartekracht is ongelooflijk zwak. Denk er maar eens over na: je kunt je voet van de grond tillen, ondanks de hele massa van de aarde die hem vastpakt. Waarom is ze zo zwak? Onbekend. En het kan een heel, heel groot wetenschappelijk experiment kosten om erachter te komen. James Beecham is een fysicus van de Duke University die werkt met de ATLAS-detector bij de beroemde Large Hadron Collider in Zwitserland. Hij beschreef onlangs zijn natuurkundig experiment voor Gizmodo: een ongelooflijk grote atoomversneller - de Ultra-Hadron Collider - aan de buitenrand van het zonnestelsel.
Zo'n experiment zou de meeste mysteries van de natuurkunde meteen kunnen oplossen, bijvoorbeeld de ware aard van donkere materie onthullen of de mogelijkheid van tijdreizen bewijzen.
Gedachte-experiment: een collider ter grootte van een zonnestelsel
Natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat ze de basisprincipes van het universum kennen. Deeltjes werken samen door middel van krachten, waarvan er vier bekend zijn: elektromagnetisme; "Zwakke" sterkte; "Sterke" kracht; zwaartekracht. Elke kracht heeft regels die we hebben gevonden door experimenten gedurende honderden jaren. Sommige fundamentele interacties zijn sterker, andere zwakker.
Vergeleken met de andere drie, "is de zwaartekracht niet alleen zwak, het is praktisch onbeduidend", zegt Beecham. Verder - vanaf de eerste persoon.
Bij de Large Hadron Collider, waar ik werkte, bestuderen we de elementaire basisregels van de natuur door protonen met hoge energieën samen te duwen. De regels die we onderzoeken, worden beschreven in de terminologie van deeltjes en krachten, en de zwaartekracht is de enige van de vier bekende krachten waar we niet eens op letten bij het berekenen van de botsingen met de hoogste energie van protonen. Als we een sterke interactie begiftigen met een kracht van 1, heeft de zwaartekracht een kracht van 10-39. 39 nullen achter de komma. Dat wil zeggen, helemaal niets.
Promotie video:
Dit mysterie van de wetenschap is een van de meest onbegrijpelijke voor ons. Waarom worden de krachten van interactie op deze manier opgesteld? Waarom is de zwaartekracht zo zwak?
De natuur is wat het is, hoe mensen het zich ook voorstellen. Maar experimenten hebben aangetoond dat bij energieën die hoog genoeg zijn, elektromagnetisme en zwakke kracht samenvloeien tot één kracht. Bij nog hogere energieën, geloven wetenschappers, zullen ook sterke interacties hen vergezellen. Maar de zwaartekracht is anders. Wetenschappers weten niet of de zwaartekracht zich zal combineren met de rest van de krachten bij voldoende hoge energieën.
"Zwaartekracht is een natuurkracht, maar de regels ervan - de wiskunde die eraan ten grondslag ligt, de meest nauwkeurige beschrijving - zijn op de een of andere manier heel anders dan de rest," zegt Beecham. En hij vervolgt:
De zwaartekracht wordt het best beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie, en de andere drie krachten die worden beschreven door het standaardmodel van deeltjesfysica zijn gebaseerd op kwantumveldentheorie. En hoewel er overeenkomsten zijn, zijn ze verschillend. Dat wil zeggen, als we naïef proberen ze aan elkaar te naaien, krijgen we zinloze antwoorden.
In ons huidige universum, met behulp van onze huidige technologie, "is het bijna onmogelijk om een empirisch antwoord op deze vraag te vinden", zegt Beecham. Waarom? "We kunnen niet tot zulke hoge botsingsenergieën komen, voornamelijk omdat we geen botser kunnen bouwen die groot genoeg is om dit te doen." Hij zegt dat sommige theoretici geloven dat er iets anders is (zoals andere deeltjes of extra ruimtelijke dimensies, zoals gesuggereerd door de snaartheorie en de uitgebreide modellen) dat zou kunnen voorkomen in een experiment dat zwaartekracht combineert met andere krachten.
Maar daarvoor hebben we een collider ter grootte van een zonnestelsel nodig.
Zelfs de 27 kilometer lange ronde Large Hadron Collider, die supergeleidende magneten gebruikt om protonenbundels met 99,999999% de lichtsnelheid te versnellen en te laten botsen, is niet snel genoeg om deze vragen te beantwoorden. Hij kan alleen ontdekken hoe het universum eruitzag toen het zo groot was als een appel. Wetenschappers hebben mogelijk meer energie nodig en daarom een grotere collider om een idee te krijgen van een universum dat kleiner is dan een appel.
Hoeveel meer? Misschien kunnen sterke en zwakke nucleaire krachten worden gecombineerd met een collider die rond Mars is gebouwd. Maar om de zwaartekracht aan deze vergelijking toe te voegen, “zou volgens sommige ruwe schattingen een collider nodig zijn om de baan van Neptunus te omcirkelen. Bovendien beweren sommige wetenschappers dat deze schatting erg ruw is en dat we een grotere ring zullen moeten bouwen. De voordelen zouden enorm zijn - zo'n botser zou de Planck-schalen kunnen testen, de kleinste schalen die we kunnen bekijken die de kwantummechanica mogelijk maakt. “We zouden alles begrijpen over zwaartekracht, over kwantummechanica, en in de tussentijd zouden we ook zomaar een gecombineerde elektrozwakke en elektro-sterke kracht krijgen, gevolgd door tijdreizen, snaartheorie, donkere materie, donkere energie, het probleem van meten, de theorie van meerdere universums enzovoort.
Wat? Tijdreizen? Volgens Beecham zouden we zo'n gedetailleerd begrip krijgen van het universum en hoe ruimte-tijd werkt dat we onze kennis mogelijk in de basis zouden kunnen leggen van toekomstige technologieën voor het manipuleren van tijd.
"Het is mogelijk dat de zwaartekracht en andere natuurkrachten samenkomen bij een aantal extreem hoge energieën, maar om dit probleem te onderzoeken, zullen we een botser zoals de LHC moeten creëren, die de buitenste regionen van het zonnestelsel omcirkelt of zelfs meer."
Helaas is het gedachte-experiment van Beecham op dit moment niet haalbaar:
“De technologie, menselijke kracht en middelen om een deeltjesversneller te creëren die de buitenste regionen van het zonnestelsel omcirkelt, bestaat simpelweg niet. Zelfs als we de technologieën van de bestaande versneller en detector bij de LHC zouden nemen, zou de schaal in de meest praktische zin een probleem zijn: het is niet duidelijk of er genoeg materiaal is om deze kolos in het zonnestelsel te creëren, bij alle bronnen - de aarde, de maan, planeten, asteroïden, enz. …
En om protonen tot zulke hoge energieën te versnellen, gebruiken we zelfs bij de LHC supergeleidende magneten. Magneten worden alleen supergeleiders als je ze erg koud maakt. Je zou denken dat dit handig zou zijn om een deeltjesversneller in de ruimte te creëren. De kosmos is erg koud. Maar voor supergeleiding is het niet erg koud. De ruimte heeft een temperatuur van 2,7 Kelvin, maar magneten hebben 1,9 Kelvin nodig. Dichtbij, maar nog steeds niet. Bij de LHC worden deze temperaturen bereikt met vloeibaar helium. Het is onduidelijk of er ergens in de buurt genoeg vloeibaar helium is om een cirkelvormige versneller ter grootte van het zonnestelsel te koelen.
Bij deze energieën moeten de detectoren enorm zijn. Je moet natuurkundigen opleiden en een onbegrijpelijke hoeveelheid rekenkracht verwerven. Je hebt geavanceerde robotica nodig, bescherming tegen asteroïden, kometen en ander puin. En dit alles moet nog in gang worden gezet. Je kunt de energie van de zon niet gebruiken, omdat de machine de zon op een afstand van Neptunus omgeeft. Een apparaat van deze omvang vereist energiedoorbraken die in de nabije toekomst niet haalbaar zijn.
Zo'n experiment zou de natuurkunde veranderen. Dergelijke experimenten helpen natuurkundigen immers te begrijpen hoe dingen werken, en zo'n versneller zal overtuigende antwoorden op veel vragen geven. Het zal de manier waarop mensen denken veranderen. Zal veranderen wat we bedoelen met "begrijpen".
Als we een collider rond de buitengrens van het zonnestelsel zouden bouwen, gaat de kennis die we zouden opdoen over de aard van de zwaartekracht, over hoe we kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie kunnen combineren in één, over tijdreizen, over wat er gebeurde ten tijde van de oerknal, over de vraag of ons universum slechts een van een oneindig aantal veelvoudige universums kan zijn - zou ons idee van de werkelijkheid, onze houding ten opzichte van de natuur, deze taal ervan, het begrip van de wereld, de mensheid in het algemeen, onze plaats in het universum zozeer veranderen dat we zou een nieuw begrip van begrip uitvinden om het te beschrijven.
Vanzelfsprekend werkt niemand aan zo'n experiment, al ontwikkelt CERN op papier al de Future Circular Collider, waarvan de tunnel 80-100 kilometer lang zal worden. Maar misschien werkt ergens in het heelal aan een dergelijk project.
Het zou fantastisch zijn als een verre beschaving ergens anders in het heelal hier al aan zou werken, en we hadden in ieder geval de gelegenheid haar te vinden en contact met haar op te nemen om te vragen naar de resultaten van zelfs gewone fysieke experimenten. Hebben ze dezelfde massa van het Higgs-deeltje? Hebben ze X- en Y-bosonen gevonden die de eenwording van elektrozwakke en elektro-sterke krachten demonstreren? Zijn ze bij de Planck-schaal gekomen? Wat is donkere materie? Kunnen we terug in de tijd gaan?
Het universum zal volgens dezelfde wetten blijven werken. De echte vraag is of mensen deze wetten ooit zullen kunnen begrijpen.
Ilya Khel
