Die Schwerkraft ist unglaublich schwach. Denken Sie nur einmal darüber nach: Sie können Ihren Fuß trotz der gesamten Masse der Erde, die ihn erfasst, vom Boden abheben. Warum ist sie so schwach? Unbekannt. Und es könnte ein sehr, sehr großes wissenschaftliches Experiment erfordern, um es herauszufinden. James Beecham ist ein Physiker der Duke University, der mit dem ATLAS-Detektor am berühmten Large Hadron Collider in der Schweiz arbeitet. Kürzlich beschrieb er sein physikalisches Experiment für Gizmodo: einen unglaublich großen Atombeschleuniger - den Ultra-Hadron Collider - am äußeren Rand des Sonnensystems.
Ein solches Experiment könnte die meisten Rätsel der Physik sofort lösen, zum Beispiel die wahre Natur der Dunklen Materie enthüllen oder die Möglichkeit einer Zeitreise beweisen.
Gedankenexperiment: ein Kollider in Sonnensystemgröße
Physiker sind zuversichtlich, die Grundprinzipien des Universums zu kennen. Teilchen interagieren durch Kräfte, von denen vier bekannt sind: Elektromagnetismus; "Schwache" Stärke; "Starke" Stärke; Schwere. Jede Kraft hat Regeln, die wir durch Experimente über Hunderte von Jahren gefunden haben. Einige grundlegende Wechselwirkungen sind stärker, andere schwächer.
Im Vergleich zu den anderen drei ist "die Schwerkraft nicht nur schwach, sondern praktisch unbedeutend", sagt Beecham. Weiter - von der ersten Person.
Am Large Hadron Collider, an dem ich gearbeitet habe, studieren wir die grundlegenden Grundregeln der Natur, indem wir Protonen mit hoher Energie zusammenschieben. Die Regeln, die wir untersuchen, sind in der Partikel- und Kraftterminologie beschrieben, und die Schwerkraft ist die einzige der vier bekannten Kräfte, die wir bei der Berechnung der Protonenkollisionen mit der höchsten Energie nicht einmal berücksichtigen. Wenn wir eine starke Wechselwirkung mit einer Kraft von 1 haben, hat die Schwerkraft eine Kraft von 10-39. 39 Nullen nach dem Dezimalpunkt. Das heißt, überhaupt nichts.
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Dieses Geheimnis der Wissenschaft ist eines der unverständlichsten für uns. Warum sind die Kräfte der Interaktion so ausgerichtet? Warum ist die Schwerkraft so schwach?
Die Natur ist was sie ist, egal wie sich die Menschen das vorstellen. Experimente haben jedoch gezeigt, dass bei ausreichend hohen Energien Elektromagnetismus und schwache Kraft zu einer Kraft verschmelzen. Bei noch höheren Energien, glauben Wissenschaftler, werden sich auch starke Wechselwirkungen mit ihnen verbinden. Aber die Schwerkraft ist anders. Wissenschaftler wissen nicht, ob sich die Schwerkraft mit dem Rest der Kräfte bei ausreichend hohen Energien verbinden wird.
"Die Schwerkraft ist eine Naturgewalt, aber ihre Regeln - die ihr zugrunde liegende Mathematik, die genaueste Beschreibung - unterscheiden sich irgendwie sehr von den anderen", sagt Beecham. Und er fährt fort:
Die Schwerkraft lässt sich am besten durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreiben, und die anderen drei Kräfte, die durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden, basieren auf der Quantenfeldtheorie. Und obwohl es Ähnlichkeiten gibt, sind sie unterschiedlich. Das heißt, wenn wir naiv versuchen, sie zusammenzunähen, erhalten wir bedeutungslose Antworten.
In unserem heutigen Universum ist es mit unserer aktuellen Technologie „fast unmöglich, eine empirische Antwort auf diese Frage zu finden“, sagt Beecham. Warum? "Wir können nicht zu so hohen Kollisionsenergien gelangen, vor allem, weil wir keinen Kollider bauen können, der groß genug ist, um dies zu tun." Er sagt, dass einige Theoretiker glauben, dass es etwas anderes gibt (wie andere Teilchen oder zusätzliche räumliche Dimensionen, wie es die Stringtheorie und ihre erweiterten Modelle nahe legen), das in einem Experiment auftreten könnte, das die Schwerkraft mit anderen Kräften kombiniert.
Dafür brauchen wir aber einen Collider in der Größe eines Sonnensystems.
Selbst der 27 Kilometer lange kreisförmige Large Hadron Collider, der supraleitende Magnete verwendet, um Protonenstrahlen mit 99,999999% Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und zu kollidieren, ist nicht schnell genug, um diese Fragen zu beantworten. Er kann nur herausfinden, wie das Universum war, als es die Größe eines Apfels hatte. Wissenschaftler benötigen möglicherweise mehr Energie und daher einen größeren Kollider, um ein Universum zu verstehen, das kleiner als ein Apfel ist.
Wie viel mehr? Vielleicht könnten starke und schwache Nuklearkräfte mit einem um den Mars gebauten Kollider kombiniert werden. Um dieser Gleichung jedoch die Schwerkraft hinzuzufügen, „wäre nach einigen groben Schätzungen ein Kollider erforderlich, um die Umlaufbahn von Neptun zu umkreisen. Darüber hinaus argumentieren einige Wissenschaftler, dass diese Schätzung sehr grob ist und wir einen größeren Ring bauen müssen. Die Vorteile wären enorm - ein solcher Collider könnte die Planck-Skalen testen, die kleinsten Skalen, die wir untersuchen können, wenn die Quantenmechanik dies zulässt. „Wir würden alles über die Schwerkraft verstehen, über die Quantenmechanik, und in der Zwischenzeit würden wir einfach so eine kombinierte elektroschwache und elektro-starke Kraft erhalten, gefolgt von Zeitreise, Stringtheorie, Dunkler Materie, Dunkler Energie, dem Problem der Messung, der Theorie multipler Universen usw.
Was? Zeitreise? Laut Beecham würden wir ein so detailliertes Verständnis des Universums und der Funktionsweise der Raumzeit erhalten, dass wir möglicherweise unser Wissen in die Grundlage zukünftiger Technologien zur Manipulation der Zeit einbringen könnten.
"Es ist möglich, dass sich die Schwerkraft und andere Naturkräfte bei extrem hohen Energien verbinden. Um diese Frage zu untersuchen, müssen wir jedoch einen Kollider wie den LHC erstellen, der die äußeren Bereiche des Sonnensystems oder noch mehr umgibt."
Leider ist Beechams Gedankenexperiment derzeit nicht durchführbar:
„Die Technologie, die menschliche Stärke und die Ressourcen, um einen Partikelkollider zu schaffen, der die äußeren Bereiche des Sonnensystems umgibt, gibt es einfach nicht. Selbst wenn wir die Technologien des vorhandenen Beschleunigers und Detektors am LHC verwenden würden, wäre die Skala im praktischsten Sinne ein Problem: Es ist nicht klar, ob es genügend Material gibt, um diesen Koloss im Sonnensystem an allen Quellen - der Erde, dem Mond, Planeten, Asteroiden usw. - zu erzeugen. …
Und um Protonen auch am LHC auf so hohe Energien zu beschleunigen, verwenden wir supraleitende Magnete. Magnete werden nur dann zu Supraleitern, wenn Sie sie sehr kalt machen. Man würde denken, dass dies nützlich wäre, um einen Teilchenbeschleuniger im Weltraum zu erzeugen. Der Kosmos ist sehr kalt. Aber für die Supraleitung ist es nicht sehr kalt. Der Weltraum hat eine Temperatur von 2,7 Kelvin, aber Magnete benötigen 1,9 Kelvin. Nah dran, aber immer noch nicht. Am LHC werden diese Temperaturen mit flüssigem Helium erreicht. Es ist unklar, ob sich in der Nähe genügend flüssiges Helium befindet, um einen Kreisbeschleuniger von der Größe des Sonnensystems zu kühlen.
Bei diesen Energien müssen die Detektoren riesig sein. Sie müssen Physiker ausbilden und eine unverständliche Menge an Rechenleistung erwerben. Sie benötigen fortschrittliche Robotik, Schutz vor Asteroiden, Kometen und anderen Trümmern. Und das alles muss noch in Gang gesetzt werden. Sie können die Energie der Sonne nicht nutzen, da die Maschine die Sonne in einer Entfernung von Neptun umgibt. Ein Gerät dieser Größe erfordert Energiedurchbrüche, die in naher Zukunft nicht realisierbar sind.
Ein solches Experiment würde die Physik verändern. Schließlich helfen solche Experimente den Physikern zu verstehen, wie die Dinge funktionieren, und ein solcher Beschleuniger liefert überzeugende Antworten auf viele Fragen. Es wird die Art und Weise verändern, wie Menschen denken. Wird ändern, was wir unter "Verstehen" verstehen.
Wenn wir einen Kollider um die äußere Grenze des Sonnensystems bauen würden, würden wir uns Wissen über die Natur der Schwerkraft aneignen, darüber, wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie zu einer Einheit kombiniert werden können, über Zeitreisen und darüber, was zur Zeit des Urknalls geschah, ob unser Universum nur eines von unendlich vielen multiplen Universen sein kann - würde unsere Vorstellung von der Realität, unsere Einstellung zur Natur, ihre Sprache, unser Verständnis der Welt, die Menschheit im Allgemeinen und unseren Platz im Universum so sehr verändern, dass wir es mussten würde ein neues Konzept des Verstehens erfinden, um es zu beschreiben.
Offensichtlich arbeitet niemand an einem solchen Experiment, obwohl das CERN bereits den Future Circular Collider auf Papier entwickelt, dessen Tunnel 80 bis 100 Kilometer lang sein wird. Vielleicht arbeitet irgendwo im Universum an einem solchen Projekt.
Es wäre fantastisch, wenn eine entfernte Zivilisation irgendwo anders im Universum bereits daran arbeiten würde, und wir hatten zumindest die Gelegenheit, sie zu finden und zu kontaktieren, um nach den Ergebnissen selbst gewöhnlicher physikalischer Experimente zu fragen. Haben sie die gleiche Masse wie das Higgs-Boson? Haben sie X- und Y-Bosonen gefunden, die die Vereinigung von elektroschwachen und elektro-starken Kräften demonstrieren? Haben sie die Planck-Skala erreicht? Was ist dunkle Materie? Können wir uns in der Zeit zurückbewegen?
Das Universum wird weiterhin nach denselben Gesetzen arbeiten. Die eigentliche Frage ist, ob Menschen diese Gesetze jemals verstehen können.
Ilya Khel
