Fizik nereye gidiyor (ve oraya ne kadar hızlı varacağız)?

PiKe

New member
NASA ve Enerji Bakanlığı gibi federal kurumlardan araştırma hibesi arayan bilim adamlarının çok iyi bildiği gibi, gelecek hazırlananlara aittir. Uzay teleskopu veya parçacık hızlandırıcı gibi yüksek profilli aletlerin fiyatı 10 milyar dolara kadar çıkabilir.

Ve böylece, geçen Haziran ayında, fizik camiası bundan sonra ne yapacağını ve neden yapacağını düşünmeye başladı.

Bu, Ulusal Bilimler Akademisi tarafından Temel Parçacık Fiziği: İlerleme ve Umut adlı bir komitenin görevidir. Koltukları iki önde gelen bilim insanı paylaşıyor: California Teknoloji Enstitüsü’nde Shang-Yi Ch’en Fizik Profesörü olan Maria Spiropulu ve Chicago Üniversitesi’nde fahri profesör olan kozmolog Michael Turner, Ulusal Bilim Vakfı’nın eski müdür yardımcısı ve American Physical Society’nin eski Başkanı.


1980’lerde Dr. Turner, Büyük Patlama’yı ve evrenin evrimini incelemek için parçacık fiziğinin araçlarını kullanmaya ve parçacık fiziği hakkında bilgi edinmek için evreni kullanmaya başlayan bilim adamlarına. doktor Yunanistan’da doğan Spiropulu, uzun süredir aranan Higgs bozonunu 2012’de CERN olarak bilinen Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü’nde keşfeden ekibin bir parçasıydı; şimdi solucan deliklerinin özelliklerini incelemek için kuantum bilgisayarları kullanıyor. Komitenin raporunun Haziran 2024’te yayınlanması bekleniyor.


The Times kısa bir süre önce, grubun ilerleyişini, son 20 yılın hayal kırıklıklarını ve önümüzdeki zorlukları tartışmak için iki bilim insanını yakaladı. Röportaj netlik ve kısalık için düzenlendi.

Şimdi bu komite neden toplandı?

jimnastikçi
: Parçacık fiziğindeki şeylerin, uzayı ve zamanı, maddeyi ve enerjiyi ve temel parçacıkları – eğer parçacıklarsa – anlama olasılıkları açısından hiç bu kadar heyecan verici olmadığını hissediyorum. Bir parçacık fizikçisine alanın hangi yönde geliştiğini sorarsanız, birçok farklı yanıt alırsınız.

Ama büyük vizyon nedir? Bu alanda bu kadar heyecan verici olan ne? 1980’deki büyük birleşme fikri beni çok heyecanlandırdı ve şimdi önümdeki olasılıklarla karşılaştırıldığında küçük görünüyor.


Einstein’ın doğanın tüm güçlerini kapsayan tek bir denklem hayalini gerçekleştirmenin bir yolu olarak görülen Büyük Birleşik Teorilere veya GUT’lara atıfta bulunurlar. Dernek olarak nerede duruyoruz?


jimnastikçi
: Bildiğimiz kadarıyla maddenin temel yapı taşları kuarklar ve leptonlardır; tabi oldukları kurallar, Standart Model olarak adlandırılan kuantum alan teorisi ile tanımlanır. Yapı taşlarına ek olarak kuvvet taşıyıcıları da vardır – foton, elektromanyetik kuvvet; sekiz gluon güçlü kroma; zayıf nükleer kuvvetin W ve Z bozonları ve bazı parçacıkların neden kütleye sahip olduğunu açıklayan Higgs bozonu. Higgs bozonunun keşfi Standart Modeli tamamladı.

Ancak temel kuralların araştırılması henüz bitmedi. Neden iki farklı tipte yapı taşı? Neden bu kadar çok “temel parçacık” var? Neden dört kuvvet? Karanlık madde, karanlık enerji, yerçekimi ve uzay-zaman nasıl bir araya geliyor? Bu soruları cevaplamak, temel parçacık fiziğinin görevidir.


spiropulu: İşin püf noktası, bir hidrojen atomunun kütlesinin yaklaşık 125 katı olan Higgs’in kütlesini anlamamamızdır.

Higgs’i keşfettiğimizde, umduğumuz ilk şey diğer yeni süpersimetrik parçacıkları bulmaktı, çünkü ölçtüğümüz kütle onlar olmadan kararsızdı ama onları henüz bulamadık. (Higgs alanı çökerse, başka bir evrene geçebilirdik ve tabii ki bu henüz olmadı.)

Bu biraz yıkıcıydı; 20 yıldır süpersimetrik parçacıkları kovalıyorum. Farlardaki geyikler gibiyiz: süpersimetriyi bulamadık, parçacıklar halinde karanlık madde bulamadık.

jimnastikçi. Güçlerin birleşmesi, olup bitenlerin sadece bir parçasıdır. Ama daha büyük uzay ve zaman sorularına kıyasla sıkıcı. Uzay ve zamanın ne olduğu ve nereden geldikleri tartışması bugün parçacık fiziği alanına aittir.


Kozmoloji açısından, Büyük Patlama, en azından Einstein’ın genel görelilik teorisi açısından, uzay ve zamanın kökenidir. Yani evrenin başlangıcı, uzay ve zaman birbiriyle bağlantılıdır. Ve evrenin bir sonu var mı? Çoklu evren var mı? Kaç boşluk ve zaman var? Bu sorunun hiç bir anlamı var mı?


spiropulu: Bu arada benim için sendika sıkıcı değil. Sadece söyle.

jimnastikçi: Nispeten sıkıcı demek istedim. Hala çok ilginç!

spiropulu: Doğanın birliğinin en güçlü göstergesi parçacık fiziğinden gelmektedir. Yeterince yüksek enerjilerde, temel kuvvetler – yerçekimi, elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler – eşit görünüyor.

Ama parçacık hızlandırıcılarımızda henüz Tanrı ölçeğine ulaşmadık. Bu yüzden soruyu yeniden ifade etmemiz gerekebilir. Benim görüşüme göre, Nihai Yasa zorlu bir gizem olmaya devam ediyor ve onu nasıl çözeceğimiz yeni düşünce yoluyla olacak.

jimnastikçi: Maria’nın söylediklerini seviyorum. Yapbozun tüm parçaları masanın üzerindeymiş gibi geliyor; Gördüğümüz dört farklı güç, birleşik bir gücün sadece farklı yönleri gibi görünüyor. Ancak soruyu ifade etmenin doğru yolu bu olmayabilir.


Bu, büyük bilimin ayırt edici özelliğidir: Bir soru sorarsınız ve çoğu zaman yanlış soru olduğu ortaya çıkar, ancak yalnızca yanlış soru olduğunu anlamak için bir soru sormanız gerekir. Eğer öyleyse, yeni bir tane isteyin.


Sicim teorisi – övülen “her şeyin teorisi” – doğadaki temel parçacıkları ve kuvvetleri titreşen enerji şeritleri olarak tanımlar. Daha iyi bir anlayış için ufukta umut var mı? Bu sözde filament oluşumu, herhangi bir parçacık hızlandırıcı tarafından elde edilebilecek olandan yalnızca milyonlarca kat daha yüksek enerjilerde ortaya çıkıyor. Bazı bilim adamları, sicim teorisinin bilimin dışında olduğunu eleştiriyor.

spiropulu
: Test edilemez.

jimnastikçi: Ama güçlü bir matematiksel araçtır. Ve bilimin son 2500 yıldaki ilerlemesine bakarsanız, matematiksiz başlayan Miletoslulardan günümüze, matematik hız belirleyici olmuştur. geometri, cebir, Newton ve hesabın yanı sıra Einstein ve Riemann olmayan geometri.

spiropulu: Sicim teorisinin, keşfettiğimiz diğer çerçeveler gibi, içinde fiziksel dünyayı açıklamaya çalıştığımız bir çerçeve olduğunu söylemek daha cesur olurdu. Standart Model bir çerçevedir ve onu test edebileceğimiz enerjilerde, çerçevenin yararlı olduğu kanıtlanmıştır.

jimnastikçi: Başka bir deyişle: doğayı anlatmak için yeni kelimelerimiz ve yeni bir dilimiz var. Matematik bilimin dilidir ve dilimiz ne kadar zenginleşirse doğayı o kadar eksiksiz betimleyebiliriz. Sicim teorisinden ne çıkacağını bekleyip görmemiz gerekecek, ama bence bu büyük olacak.


Sicim teorisinin pek çok özelliğinden biri, denklemlerin 10⁵⁰⁰ çözümü varmış gibi görünmesidir – 10⁵⁰⁰ farklı olası evreni veya daha fazlasını tanımlar. Çoklu evrende mi yaşıyoruz?


jimnastikçi
: Kulağa çılgınca gelse de bununla uğraşmamız gerektiğini düşünüyorum. Ve çoklu evren başımı ağrıtıyor; test edilemez, en azından henüz değil, bilim değil. Ama belki de zamanımızın en önemli fikridir. Masadaki şeylerden biri. Baş ağrısı olsun ya da olmasın, onlarla uğraşmak zorundayız. Yukarı veya aşağı gitmesi gerekir; Ya bilimin bir parçasıdır ya da bilimin bir parçası değildir.

Kozmolojinin Standart Modeli’nin evrenin yüzde 95’inin ne olduğunu söylememesi neden bir zafer olarak görülüyor? Bunun sadece yüzde 5’i yıldızlar ve insanlar gibi atomik madde; Yüzde 25 başka bir “karanlık madde” ve yaklaşık yüzde 70 daha da garip bir şey — Mike buna “karanlık enerji” adını verdi — bu da evrenin daha hızlı genişlemesine neden oluyor.

jimnastikçi
: Bu büyük bir başarı, evet. Tüm önemli bileşenleri adlandırdık.

Ama çoğunun ne olduğunu bilmiyorsun.

spiropulu
: Çok derine indiğimizde bocalıyoruz. Ve bir noktada geçiş yapmalıyız – soruyu veya metodolojiyi değiştirmeliyiz. Nihayetinde, evrenin fiziğini anlamak çocuk oyuncağı değildir. Cevaplanandan daha fazla soru cevapsız kalır.


Sendika yanlış soruysa, doğru soru nedir?

jimnastikçi
: Evrenin tarihinden bahsetmeden uzaydan, zamandan, maddeden, enerjiden ve temel parçacıklardan bahsetmenin mümkün olduğunu düşünmüyorum.

Büyük Patlama, uzay ve zamanın kökeni gibi görünüyor ve bu yüzden şunu sorabiliriz: uzay ve zaman gerçekte nedir? Einstein bize, Newton’un dediği gibi olayların olduğu yerde olmadıklarını gösterdi. Dinamiktirler: uzay bükülebilir ve zaman bükülebilir. Ama şimdi şu soruyu cevaplamaya hazırız: nereden geldiler?


Bizler zamanın yaratıklarıyız, bu yüzden evrenin tamamen zamanla ilgili olduğunu düşünüyoruz. Ve bu, evrene bakmanın yanlış yolu olabilir.

Daha önce söylediklerini hatırlamamız gerekiyor. Parçacık fiziğindeki araçların çoğunun geliştirilmesi uzun zaman alır ve çok pahalıdır. Bu yatırımlar, genellikle bilimin akışını değiştiren büyük sürprizlerle her zaman karşılığını verir.

Ve bu ilerlemeyi zorlaştırıyor. Ama parçacık fiziği konusunda iyimserim çünkü olasılıklar hiç bu kadar büyük olmamıştı ve bu alan yıllardır bilimin ön saflarında yer alıyor. Parçacık fiziği, büyük küresel bilimi ve ulusal ve şimdi de küresel kurumları icat etti. Tarih bir rehber ise, hiçbir şey onu büyük soruları cevaplamaktan alıkoyamaz!

James Webb Uzay Teleskobu’nun yapımı otuz yıl sürdü.

Spiropulu:
Dış Uzay Bingo!

jimnastikçi: Demek istediğim, bilim tamamen büyük hayaller kurmakla ilgilidir. Bazen rüyalar hemen ulaşamayacağın kadar uzaktadır. Ancak bilim, insanlığın harika şeyler yapmasını sağladı – Kovid aşıları, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi, Webb Teleskopu. – vizyonumuzu ve geleceğimizi şekillendirme gücümüzü genişleten. Bugün bu harika şeyleri yaptığımızda, onları birlikte yapıyoruz. Büyük hayaller kurmaya ve birlikte çalışmaya devam edersek, daha da şaşırtıcı şeyler gelecek.