Накъде се е насочила физиката (и докъде стигаме там)?

Бъдещето принадлежи на онези, които се подготвят за него, както добре знаят учените, които се обръщат към федерални агенции като НАСА и Министерството на енергетиката за финансиране на изследвания. Скъпите инструменти като космически телескоп или ускорител на частици могат да струват до 10 милиарда долара.

И така през миналия юни общността на физиците започна да обмисля какво иска да направи по-нататък и защо.

Това е разрешението на комисия, назначена от Националната академия на науките, т.нар Физика на елементарните частици: напредък и обещание. Председателят се съпредседателства от двама изтъкнати учени: Мария Спирополо, професор по физика Shang Yi Chen в Caltech, и космологът Майкъл Търнър, почетен професор в Чикагския университет и бивш помощник-директор по национална наука. Основател и бивш президент на Американското физическо общество.

През 80-те години на миналия век д-р Търнър беше сред учените, които започнаха да използват инструментите на физиката на елементарните частици, за да изучават Големия взрив и еволюцията на Вселената и да използват Вселената, за да научат повече за физиката на елементарните частици. Д-р Спиропулу, който е роден в Гърция, беше в екипа през 2012 г., който откри дългоочаквания бозон на Хигс в Европейската организация за ядрени изследвания, по-известна като ЦЕРН; тя е сега Той използва квантови компютри, за да изследва свойствата на червееви дупки. Докладът на комисията трябва да бъде представен през юни 2024 г.

The Times наскоро седна с двамата учени, за да обсъдят напредъка на групата, разочарованията от последните 20 години и предстоящите предизвикателства. Разговорът е редактиран за яснота и краткост.

Защо сега се свиква тази комисия?

Търнър: Чувствам, че нещата никога не са били по-вълнуващи във физиката на елементарните частици по отношение на възможностите за разбиране на пространството и времето, материята и енергията и фундаменталните частици – ако дори са частици. Ако попитате физик на елементарните частици накъде се насочва полето, ще получите много различни отговори.

Но каква е голямата визия? Какво е вълнуващото в тази област? През 1980 г. бях много развълнуван от идеята за голямо обединение и това сега изглежда малко в сравнение с бъдещите възможности.

Имате предвид Големите обединени теории, или GUT, които се смятаха за начин да се изпълни мечтата на Айнщайн за едно уравнение, обхващащо всички природни сили. Къде сме в монотеизма?

Търнър: Доколкото знаем, основните градивни елементи на материята са кварките и лептоните. Правилата, които го управляват, са описани в квантовата теория на полето, наречена Стандартен модел. В допълнение към градивните елементи има носители на сила – фотонът, на електромагнитната сила; осем глуона, със силна цветова сила; Бозоните W и Z на слабата ядрена сила и бозонът на Хигс, който обяснява защо някои частици имат маса. Откриването на бозона на Хигс завърши стандартния модел.

Но търсенето на основни правила далеч не е приключило. Защо два различни вида градивни елементи? Защо толкова много „елементарни“ частици? Защо четири правомощия? Как си пасват тъмната материя, тъмната енергия, гравитацията и пространство-времето? Отговорът на тези въпроси е дело на физиката на елементарните частици.

спирополо: Кривата е, че ние не разбираме масата на Хигс, която е около 125 пъти по-голяма от масата на водороден атом.

Когато открихме Хигс, първото нещо, което очаквахме, беше да открием тези други нови суперсиметрични частици, защото масата, която измерихме, би била нестабилна без тяхното присъствие, но все още не сме ги открили. (Ако полето на Хигс се срине, можем да избухнем в различен свят – разбира се, това все още не се е случило.)

Това беше малко смазващо; От 20 години преследвам суперсиметрични частици. Така че ние сме като елени на фарове: не сме открили суперсиметрия, не сме открили тъмна материя като частица.

Търнър: обединяването на силите е само част от това, което се случва. Но това е скучно в сравнение с по-големите въпроси на пространството и времето. Дискусията за това какво представляват пространството и времето и откъде идват сега е в областта на физиката на елементарните частици.

От гледна точка на космологията, Големият взрив е произходът на пространството и времето, поне от гледна точка на общата теория на относителността на Айнщайн. Така че произходът на Вселената, пространството и времето са свързани помежду си. А Вселената има ли край? Има ли мултивселена? Колко пространства и времена има? Този въпрос има ли смисъл?

спирополоМежду другото еднообразието за мен не е скучно. Просто казвам.

Търнър: Имах предвид относително скучно. Все още е много интересно!

спирополо: Нашият най-силен намек за единството на природата идва от физиката на елементарните частици. При достатъчно високи енергии основните сили – гравитацията, електромагнетизмът и силните и слабите ядрени сили – изглежда се изравняват.

Но ние не сме достигнали Божия мащаб в нашите ускорители на частици. Така че може би трябва да преформулираме въпроса. Според мен основният закон остава продължаващ пъзел и начинът, по който го решаваме, ще бъде чрез ново мислене.

Търнър: Харесва ми това, което казва Мария. Изглежда имаме всички части от пъзела на масата; Четирите различни сили, които виждаме, изглеждат просто различни аспекти на една обединена сила. Но това може да не е правилният начин да формулирате въпроса.

Това е отличителният белег на великата наука: задавате въпрос и той често се оказва грешен въпрос, но трябва да зададете въпрос само за да откриете, че това е грешен въпрос. Ако е така, питате за нов.

Теорията на струните – прехвалената „теория на всичко“ – описва фундаменталните частици и сили в природата като вибриращи струни от енергия. Има ли надежда на хоризонта да ги разберем по-добре? Тази предполагаема строгост се появява само при енергии, милиони пъти по-високи от това, което може да бъде постигнато от всеки ускорител на частици, който някога можете да си представите. Някои учени критикуват струнната теория като извън науката.

спирополо: Не подлежи на тестване.

Търнър: но това е мощен математически инструмент. И ако погледнете напредъка на науката през последните 2500 години, от милезийците, които са започнали без математика, до настоящето, математиката е била елементът на скоростта. Геометрия, алгебра, Нютоново смятане, геометрия на Айнщайн и не-Риманова.

спирополо: Ще бъда по-смел и ще кажа, че струнната теория е рамка, подобно на други рамки, които открихме, с която се опитваме да обясним физическия свят. Стандартният модел е рамка – и в диапазоните от енергии, които можем да тестваме, рамката се оказа полезна.

ТърнърДруг начин да го кажем е, че имаме нови думи и език, за да опишем природата. Математиката е езикът на науката и колкото повече обогатяваме езика си, толкова по-пълно можем да опишем природата. Ще трябва да изчакаме и да видим какво ще излезе от теорията на струните, но мисля, че ще бъде голямо.

Сред многото предимства на теорията на струните е, че уравненията съдържат 10-степенни решения – описващи 10 различни степени на възможни вселени или повече. Живеем ли в мултивселена?

Търнър: Мисля, че трябва да се справим с това, въпреки че изглежда лудост. И мултивселената ме боли глава. Не подлежи на проверка, поне не още, не е наука. Но това може да е най-важната идея на нашето време. Това е едно от нещата на масата. Главоболие или не, трябва да се справим с него. трябва да се изкачи или да излезе; Или е част от науката, или не е част от науката.

Защо е триумф, че Стандартният модел на космологията не казва какво представляват 95 процента от Вселената? Само 5 процента от него е атомна материя като звезди и хора. 25 процента е някаква друга „тъмна материя“, а около 70 процента е нещо още по-странно – Майк го нарече „тъмна енергия“ – което кара Вселената да се разширява с ускорена скорост.

Търнър: Това е голям успех, да. Назовахме всички основни съставки.

Но не знаете какви са повечето от тях.

спирополо: Спираме, когато достигнем голяма дълбочина. И в един момент трябва да сменим предавката – да сменим въпроса или методологията. В крайна сметка, разбирането на физиката на Вселената не е разходка в парка. Повече въпроси остават без отговор, отколкото получават отговор.

Ако монотеизмът е грешен въпрос, кой е правилният?

ТърнърНе мисля, че можете да говорите за пространство, време, материя, енергия и елементарни частици, без да говорите за историята на Вселената.

Големият взрив е като произхода на пространството и времето и затова можем да попитаме какво всъщност е пространството и времето? Айнщайн ни показа, че те не са просто там, където нещата се случват, както е казал Нютон. Тя е динамична: пространството може да се огъне и времето може да се изкриви. Но вече сме готови да отговорим на въпроса: Откъде са дошли?

Ние сме същества от времето, така че смятаме, че Вселената се върти около времето. Това може да е грешен начин да се гледа на Вселената.

Трябва да имаме предвид това, което казах по-рано. Много инструменти във физиката на елементарните частици отнемат много време за разработване и са много скъпи. Тези инвестиции винаги се изплащат, често с големи изненади, които променят хода на науката.

Това затруднява напредъка. Но аз съм оптимист по отношение на физиката на елементарните частици, защото възможностите никога не са били по-големи и тази област е в челните редици на науката от години. Физиката на елементарните частици е изобретила големи глобални научни съоръжения, национални, а сега и глобални съоръжения. Ако историята е някакъв пътеводител, нищо няма да ги спре да отговорят на големите въпроси!

Създаването на космическия телескоп Джеймс Уеб отне три десетилетия.

Спирополо: Космос – бинго!

Търнър: Искам да кажа, че науката е свързана с големи мечти. Понякога мечтите са просто извън обсега ви. Но науката позволи на човечеството да направи големи неща – Covid ваксини, Големия адронен колайдер, Обсерваторията за гравитационни вълни с лазерен интерферометър, телескопа Webb – които разширяват нашата визия и нашата способност да оформяме нашето бъдеще. Когато правим тези големи неща в настоящия момент, ние ги правим заедно. Ако продължим да мечтаем големи и да работим заедно, ни очакват още по-невероятни неща.