La gravedad es increíblemente débil. Piénselo: puede levantar el pie del suelo, a pesar de toda la masa de la Tierra que lo agarra. ¿Por qué está tan débil? Desconocido. Y podría ser necesario un experimento científico muy, muy grande para descubrirlo. James Beecham es un físico de la Universidad de Duke que trabaja con el detector ATLAS en el famoso Gran Colisionador de Hadrones en Suiza. Recientemente describió su experimento de física para Gizmodo: un acelerador atómico increíblemente grande, el Ultra-Colisionador de Hadrones, ubicado en el borde exterior del sistema solar.
Tal experimento podría resolver la mayoría de los misterios de la física de inmediato, por ejemplo, revelar la verdadera naturaleza de la materia oscura o probar la posibilidad de un viaje en el tiempo.
Experimento mental: un colisionador del tamaño de un sistema solar
Los físicos confían en conocer los principios básicos del universo. Las partículas interactúan a través de fuerzas, de las cuales se conocen cuatro: electromagnetismo; Fuerza "débil"; Fuerza "fuerte"; gravedad. Cada fuerza tiene reglas que hemos descubierto a través de experimentos durante cientos de años. Algunas interacciones fundamentales son más fuertes, algunas son más débiles.
En comparación con los otros tres, "la gravedad no solo es débil, es prácticamente insignificante", dice Beecham. Además, desde la primera persona.
En el Gran Colisionador de Hadrones, donde trabajé, estudiamos las reglas básicas y elementales de la naturaleza al juntar los protones a altas energías. Las reglas que estamos investigando se describen en terminología de partículas y fuerzas, y la gravedad es la única de las cuatro fuerzas conocidas a las que ni siquiera prestamos atención al calcular las colisiones de protones de mayor energía. Si dotamos a una interacción fuerte con la fuerza 1, la gravedad tendrá una fuerza de 10-39. 39 ceros después del punto decimal. Es decir, nada en absoluto.
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Este misterio de la ciencia es uno de los más incomprensibles para nosotros. ¿Por qué las fuerzas de interacción están alineadas de esta manera? ¿Por qué la gravedad es tan débil?
La naturaleza es lo que es, no importa cómo se la imagine la gente. Pero los experimentos han demostrado que a energías suficientemente altas, el electromagnetismo y la fuerza débil se fusionan en una sola fuerza. A energías aún más altas, creen los científicos, también se les unirán fuertes interacciones. Pero la gravedad es diferente. Los científicos no saben si la gravedad se combinará con el resto de las fuerzas a energías suficientemente altas.
"La gravedad es una fuerza de la naturaleza, pero sus reglas, las matemáticas que la sustentan, la descripción más precisa, son de alguna manera muy diferentes del resto", dice Beecham. Y prosigue:
La gravedad se describe mejor mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, y las otras tres fuerzas que se describen en el modelo estándar de física de partículas se basan en la teoría cuántica de campos. Y aunque hay similitudes, son diferentes. Es decir, cuando ingenuamente intentamos unirlos, obtenemos respuestas sin sentido.
En nuestro universo actual, utilizando nuestra tecnología actual, "es casi imposible encontrar una respuesta empírica a esta pregunta", dice Beecham. ¿Por qué? "No podemos llegar a energías de colisión tan altas, principalmente porque no podemos construir un colisionador lo suficientemente grande para hacer esto". Dice que algunos teóricos creen que hay algo más (como otras partículas o dimensiones espaciales extra, como sugiere la teoría de cuerdas y sus modelos extendidos) que podría aparecer en un experimento que combina la gravedad con otras fuerzas.
Pero para eso necesitamos un colisionador del tamaño de un sistema solar.
Incluso el Gran Colisionador de Hadrones circular de 27 kilómetros, que utiliza imanes superconductores para acelerar y colisionar haces de protones al 99,999999% de la velocidad de la luz, no es lo suficientemente rápido para responder a estas preguntas. Solo puede descubrir cómo era el universo cuando era del tamaño de una manzana. Los científicos pueden necesitar más energía y, por lo tanto, un colisionador más grande para dar sentido a un universo más pequeño que una manzana.
¿Cuánto más? Quizás las fuerzas nucleares fuertes y débiles podrían combinarse con un colisionador construido alrededor de Marte. Pero para agregar gravedad a esta ecuación, “según algunas estimaciones aproximadas, se necesitaría un colisionador para rodear la órbita de Neptuno. Además, algunos científicos sostienen que esta estimación es muy aproximada y tendremos que construir un anillo más grande . Los beneficios serían enormes: un colisionador de este tipo podría probar las escalas de Planck, las escalas más pequeñas que podemos analizar que permite la mecánica cuántica. “Entenderíamos todo sobre la gravedad, sobre la mecánica cuántica y, mientras tanto, también obtendríamos una fuerza electrodébil y electrodébil combinada así, seguida de un viaje en el tiempo, teoría de cuerdas, materia oscura, energía oscura, el problema de la medición, la teoría de universos múltiples. etc.
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¿Qué? ¿Viaje en el tiempo? Según Beecham, obtendríamos una comprensión tan detallada del universo y cómo funciona el espacio-tiempo que posiblemente podríamos poner nuestro conocimiento en la base de tecnologías futuras para manipular el tiempo.
"Es posible que la fuerza de la gravedad y otras fuerzas de la naturaleza se combinen a energías extremadamente altas, pero para investigar este problema necesitaremos crear un colisionador como el LHC, rodeando los confines del sistema solar o incluso más".
Desafortunadamente, el experimento mental de Beecham no es factible en este momento:
“La tecnología, la fuerza humana y los recursos para crear un colisionador de partículas que rodea los confines del sistema solar simplemente no existen. Incluso si tomáramos las tecnologías del acelerador y detector existentes en el LHC, la escala sería un problema en el sentido más práctico: no está claro si hay suficiente material para crear este coloso en el sistema solar, en todas las fuentes: la Tierra, la Luna, planetas, asteroides, etc. …
Y para acelerar los protones a energías tan altas, incluso en el LHC, utilizamos imanes superconductores. Los imanes se convierten en superconductores solo si los enfrías mucho. Uno pensaría que esto sería útil para crear un acelerador de partículas en el espacio. El cosmos es muy frío. Pero para la superconductividad, no hace mucho frío. El espacio exterior tiene una temperatura de 2,7 Kelvin, pero los imanes requieren 1,9 Kelvin. Cerca, pero todavía no. En el LHC, estas temperaturas se alcanzan utilizando helio líquido. No está claro si hay suficiente helio líquido en algún lugar cercano para enfriar un acelerador circular del tamaño del sistema solar.
A estas energías, los detectores deben ser enormes. Tendrás que formar físicos y adquirir una cantidad incomprensible de potencia informática. Necesitará robótica avanzada, protección contra asteroides, cometas y otros desechos. Y todo esto aún debe ponerse en marcha. No puede utilizar la energía del Sol, porque la máquina rodea al Sol a una distancia de Neptuno. Un dispositivo de este tamaño requerirá avances energéticos que no son factibles en un futuro próximo.
Tal experimento cambiaría la física. Después de todo, estos experimentos ayudan a los físicos a comprender cómo funcionan las cosas, y tal acelerador proporcionará respuestas convincentes a muchas preguntas. Cambiará la forma de pensar de la gente. Cambiará lo que entendemos por "comprensión".
Si estuviéramos construyendo un colisionador alrededor del límite exterior del sistema solar, el conocimiento que adquiriríamos es sobre la naturaleza de la gravedad, sobre cómo combinar la mecánica cuántica y la relatividad general en una sola, sobre el viaje en el tiempo, sobre lo que sucedió en el momento del Big Bang., acerca de si nuestro Universo puede ser solo uno de un número infinito de universos múltiples, tanto cambiaría nuestra idea de la realidad, nuestra actitud hacia la naturaleza, este lenguaje, la comprensión del mundo, la humanidad en general, nuestro lugar en el universo, que teníamos que inventaría un nuevo concepto de comprensión para describirlo.
Obviamente, nadie está trabajando en un experimento de este tipo, aunque el CERN ya está desarrollando en papel el Future Circular Collider, cuyo túnel tendrá entre 80 y 100 kilómetros de longitud. Sin embargo, quizás en algún lugar del Universo esté trabajando en un proyecto de este tipo.
Sería fantástico si alguna civilización lejana en algún otro lugar del Universo ya estuviera trabajando en esto, y tuviéramos al menos la oportunidad de encontrarla y contactarla para preguntarle sobre los resultados de experimentos físicos incluso ordinarios. ¿Tienen la misma masa del bosón de Higgs? ¿Encontraron bosones X e Y que demuestren la unificación de fuerzas electrodébiles y electrofuertes? ¿Llegaron a la escala de Planck? ¿Qué es la materia oscura? ¿Podemos retroceder en el tiempo?
El universo seguirá funcionando de acuerdo con las mismas leyes. La verdadera pregunta es si los humanos alguna vez podrán comprender estas leyes.
Ilya Khel
