Kam směřuje fyzika (a jak daleko se tam dostáváme)?

Budoucnost patří těm, kteří se na ni připravují, jak vědci, kteří žádají federální agentury jako NASA a ministerstvo energetiky o financování výzkumu, dobře vědí. Drahé přístroje, jako je vesmírný dalekohled nebo urychlovač částic, mohou stát až 10 miliard dolarů.

A tak letos v červnu začala fyzikální komunita přemýšlet o tom, co chtějí dělat dál a proč.

Toto je oprávnění výboru jmenovaného Národní akademií věd, tzv Fyzika elementárních částic: pokroky a sliby. Křeslu spolupředsedají dva významní vědci: Maria Spiropolo, profesorka fyziky Shang Yi Chen na Caltech, a kosmolog Michael Turner, emeritní profesor na University of Chicago a bývalý asistent ředitele pro národní vědu. Zakladatel a bývalý prezident Americké fyzikální společnosti.

V 80. letech 20. století patřil Dr. Turner k vědcům, kteří začali používat nástroje částicové fyziky ke studiu Velkého třesku a evoluce vesmíru a využívat vesmír k poznání fyziky částic. Dr. Spiropoulou, který se narodil v Řecku, byl v roce 2012 v týmu, který objevil dlouho očekávaný Higgsův boson v Evropské organizaci pro jaderný výzkum, známější jako CERN; ona je teď Ke zkoumání vlastností červích děr využívá kvantové počítače. Zpráva výboru má být předložena v červnu 2024.

The Times nedávno zastihl oba učence, aby diskutovali o pokroku skupiny, frustracích za posledních 20 let a budoucích výzvách. Konverzace byla upravena pro srozumitelnost a stručnost.

Proč je tento výbor svolán nyní?

Soustružník: Mám pocit, že věci ve fyzice částic nebyly nikdy tak vzrušující, pokud jde o příležitosti porozumět prostoru a času, hmotě a energii a základním částicím – pokud jsou to dokonce částice. Pokud se zeptáte částicového fyzika, kam pole směřuje, dostanete spoustu různých odpovědí.

Ale jaká je velká vize? Co je na této oblasti zajímavé? V roce 1980 jsem byl velmi nadšený z myšlenky velkého sjednocení, a to se mi nyní zdá ve srovnání s budoucími možnostmi málo.

Máte na mysli Velké sjednocené teorie neboli GUT, které byly považovány za způsob, jak splnit Einsteinův sen o jediné rovnici zahrnující všechny přírodní síly. Kde jsme v monoteismu?

Soustružník: Pokud víme, základními stavebními kameny hmoty jsou kvarky a leptony. Pravidla, kterými se řídí, jsou popsána v kvantové teorii pole nazvané Standardní model. Kromě stavebních bloků existují nosiče síly – foton, elektromagnetické síly; osm gluonů, silné barvy; Bosony W a Z slabé jaderné síly a Higgsův boson, což vysvětluje, proč mají některé částice hmotnost. Objev Higgsova bosonu dokončil standardní model.

Hledání základních pravidel ale zdaleka nekončí. Proč dva různé typy stavebních bloků? Proč tolik „elementárních“ částic? Proč čtyři mocnosti? Jak se k sobě hodí temná hmota, temná energie, gravitace a časoprostor? Odpověď na tyto otázky je dílem fyziky elementárních částic.

spiropolo: Křivka spočívá v tom, že nerozumíme Higgsově hmotnosti, která je asi 125krát větší než hmotnost atomu vodíku.

Když jsme objevili Higgs, první věc, kterou jsme očekávali, bylo najít tyto další nové supersymetrické částice, protože hmota, kterou jsme naměřili, by byla bez jejich přítomnosti nestabilní, ale zatím jsme je nenašli. (Pokud by se Higgsovo pole zhroutilo, mohli bychom proniknout do jiného světa – to se samozřejmě ještě nestalo.)

To bylo trochu zdrcující; 20 let sleduji supersymetrické částice. Takže jsme jako jeleni ve světle reflektorů: nenašli jsme supersymetrii, nenašli jsme temnou hmotu jako částici.

Soustružník: spojování sil je jen část toho, co se děje. Ale ve srovnání s většími otázkami prostoru a času je to nuda. Diskuse o tom, co je prostor a čas a odkud pocházejí, je nyní v oblasti částicové fyziky.

Z pohledu kosmologie je Velký třesk původem prostoru a času, alespoň z pohledu Einsteinovy ​​obecné teorie relativity. Takže původ vesmíru, prostoru a času jsou všechny spojeny dohromady. A má vesmír konec? Existuje multivesmír? Kolik je tam míst a časů? Dává tato otázka smysl?

spiropoloMimochodem uniformita pro mě není nuda. Jen říkam.

Soustružník: Myslel jsem relativně nudný. Je to stále velmi zajímavé!

spiropolo: Náš nejsilnější náznak jednoty přírody pochází z částicové fyziky. Zdá se, že při dostatečně vysokých energiích se základní síly – gravitace, elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly – vyrovnají.

Ale v našich urychlovačích částic jsme nedosáhli Božího měřítka. Možná bychom tedy měli otázku přeformulovat. Podle mého názoru zůstává konečný zákon pokračující hádankou a způsob, jakým jej vyřešíme, bude prostřednictvím nového myšlení.

Soustružník: Líbí se mi, co říká Maria. Zdá se, že všechny dílky skládačky máme na stole; Čtyři různé síly, které vidíme, se zdají být jen různými aspekty jednotné síly. Ale to nemusí být správný způsob, jak formulovat otázku.

To je charakteristický znak velké vědy: položíte otázku a často se ukáže, že je to špatná otázka, ale musíte se na něco zeptat, abyste zjistili, že je to špatná otázka. Pokud ano, požádejte o nový.

Teorie strun – vychvalovaná „teorie všeho“ – popisuje základní částice a síly v přírodě jako vibrující struny energie. Je na obzoru naděje, že jim lépe porozumíme? Tato takzvaná drsnost se objevuje pouze při energiích milionkrát vyšších, než jaké lze dosáhnout jakýmkoliv urychlovačem částic, jaký si vůbec lze představit. Někteří vědci kritizují teorii strun jako mimo vědu.

spiropolo: Není to testovatelné.

Soustružník: ale je to mocný matematický nástroj. A když se podíváte na pokrok vědy za posledních 2500 let, od Milesianů, kteří začínali bez matematiky, až po současnost, matematika byla prvkem rychlosti. Geometrie, algebra, Newtonův počet, Einsteinova geometrie a neriemannovská geometrie.

spiropolo: Byl bych odvážnější a řekl bych, že teorie strun je rámec, stejně jako jiné rámce, které jsme objevili a pomocí kterých se snažíme vysvětlit fyzický svět. Standardní model je rámec – a v rozsahu energií, které můžeme testovat, se rámec ukázal jako užitečný.

SoustružníkJiný způsob, jak to říci, je, že máme nová slova a jazyk k popisu přírody. Matematika je jazykem vědy a čím více obohacujeme svůj jazyk, tím lépe dokážeme popsat přírodu. Budeme muset počkat a uvidíme, co vzejde z teorie strun, ale myslím, že to bude velké.

Mezi mnoha výhodami teorie strun je, že rovnice obsahují 10stupňová řešení – popisující 10 různých stupňů možných vesmírů nebo více. Žijeme v multivesmíru?

Soustružník: Myslím, že se s tím musíme vyrovnat, i když to vypadá šíleně. A z multivesmíru mě bolí hlava. Netestovatelné, alespoň zatím, není to věda. Ale může to být nejdůležitější myšlenka naší doby. Je to jedna z věcí na stole. Bolest hlavy nebo ne, musíme se s tím vyrovnat. potřebuje jít nahoru nebo ven; Buď je součástí vědy, nebo není součástí vědy.

Proč je triumfem, že Standardní model kosmologie neříká, co je 95 procent vesmíru? Pouze 5 procent z toho je atomová hmota jako hvězdy a lidé. 25 procent je nějaká jiná „temná hmota“ a asi 70 procent je něco ještě podivnějšího – Mike to nazval „temná energie“ – což způsobuje, že se vesmír rozpíná zrychlujícím se tempem.

Soustružník: To je velký úspěch, jo. Vyjmenovali jsme všechny hlavní ingredience.

Ale vy nevíte, jaká většina z nich je.

spiropolo: Zakopneme, když dosáhneme velké hloubky. A v určitém okamžiku musíme změnit rychlost – změnit otázku nebo metodologii. Pochopení fyziky vesmíru nakonec není procházka růžovým sadem. Více otázek zůstává nezodpovězeno, než je zodpovězeno.

Pokud je monoteismus špatná otázka, jaká je správná?

SoustružníkNemyslím si, že můžete mluvit o prostoru, čase, hmotě, energii a elementárních částicích, aniž byste mluvili o historii vesmíru.

Velký třesk je jako původ prostoru a času, a tak se můžeme ptát, co je vlastně prostor a čas? Einstein nám ukázal, že nejsou jen tam, kde se věci dějí, jak řekl Newton. Je dynamický: prostor se může ohýbat a čas se může deformovat. Ale nyní jsme připraveni odpovědět na otázku: Odkud se vzali?

Jsme bytosti času, takže si myslíme, že vesmír se točí kolem času. To může být špatný pohled na vesmír.

Musíme mít na paměti, co jsem řekl dříve. Vývoj mnoha nástrojů v částicové fyzice trvá dlouho a jsou velmi drahé. Tyto investice se vždy vyplatí, často s velkými překvapeními, která změní směr vědy.

To ztěžuje pokrok. Ale jsem optimista, pokud jde o částicovou fyziku, protože příležitosti nebyly nikdy větší a tato oblast je již léta v popředí vědy. Částicová fyzika vynalezla skvělá globální vědecká zařízení, národní a nyní globální zařízení. Pokud je historie nějakým vodítkem, nic jim nezabrání v zodpovězení velkých otázek!

Stavba vesmírného dalekohledu Jamese Webba trvala tři desetiletí.

spiropolo: Vesmír – bingo!

Soustružník: Chci říct, že věda je o velkém snění. Někdy jsou sny mimo váš dosah. Ale věda umožnila lidstvu dělat velké věci – vakcíny proti Covidu, Velký hadronový urychlovač, laserová gravitační vlnová observatoř, Webbův teleskop – které rozšiřují naši vizi a naši schopnost utvářet naši budoucnost. Když děláme tyto velké věci v přítomnosti, děláme je společně. Pokud budeme dál snít ve velkém a spolupracovat, čekají nás ještě úžasnější věci.