La gravité est incroyablement faible. Pensez-y: vous pouvez soulever votre pied du sol, malgré toute la masse de la Terre qui l'attrape. Pourquoi est-elle si faible? Inconnue. Et cela pourrait prendre une très, très grande expérience scientifique pour le découvrir. James Beecham est un physicien de l'Université Duke qui travaille avec le détecteur ATLAS du célèbre grand collisionneur de hadrons en Suisse. Il a récemment décrit son expérience de physique pour Gizmodo: un accélérateur atomique incroyablement grand - le collisionneur ultra-hadron - situé à la périphérie du système solaire.
Une telle expérience pourrait résoudre immédiatement la plupart des mystères de la physique, par exemple révéler la vraie nature de la matière noire ou prouver la possibilité d'un voyage dans le temps.
Expérience de pensée: un collisionneur de la taille d'un système solaire
Les physiciens sont convaincus qu'ils connaissent les principes de base de l'univers. Les particules interagissent par le biais de forces, dont quatre sont connues: électromagnétisme; Force "faible"; Force "forte"; la gravité. Chaque force a des règles que nous avons trouvées grâce à des expériences sur des centaines d'années. Certaines interactions fondamentales sont plus fortes, d'autres plus faibles.
Par rapport aux trois autres, «la gravité n'est pas seulement faible, elle est pratiquement insignifiante», dit Beecham. Plus loin - de la première personne.
Au Grand collisionneur de hadrons, où j'ai travaillé, nous étudions les règles élémentaires de base de la nature en rapprochant des protons à des énergies élevées. Les règles que nous étudions sont décrites dans la terminologie des particules et des forces, et la gravité est la seule des quatre forces connues auxquelles nous ne prêtons même pas attention lors du calcul des collisions de protons à plus haute énergie. Si nous dotons une forte interaction d'une force de 1, la gravité aura une force de 10-39. 39 zéros après la virgule décimale. Autrement dit, rien du tout.
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Ce mystère de la science est l'un des plus incompréhensibles pour nous. Pourquoi les forces d'interaction s'alignent-elles de cette manière? Pourquoi la gravité est-elle si faible?
La nature est ce qu'elle est, peu importe comment les gens l'imaginent. Mais des expériences ont montré qu'à des énergies suffisamment élevées, l'électromagnétisme et une force faible fusionnent en une seule force. À des énergies encore plus élevées, pensent les scientifiques, de fortes interactions les rejoindront également. Mais la gravité est différente. Les scientifiques ne savent pas si la gravité se combinera avec le reste des forces à des énergies suffisamment élevées.
«La gravité est une force de la nature, mais ses règles - les mathématiques qui la sous-tendent, la description la plus précise - sont en quelque sorte très différentes des autres», dit Beecham. Et il continue:
La gravité est mieux décrite par la théorie générale de la relativité d'Einstein, et les trois autres forces décrites par le modèle standard de la physique des particules sont basées sur la théorie quantique des champs. Et bien qu'il y ait des similitudes, elles sont différentes. Autrement dit, lorsque nous essayons naïvement de les coudre ensemble, nous obtenons des réponses dénuées de sens.
Dans notre univers actuel, en utilisant notre technologie actuelle, «il est presque impossible de trouver une réponse empirique à cette question», dit Beecham. Pourquoi? "Nous ne pouvons pas atteindre des énergies de collision aussi élevées, principalement parce que nous ne pouvons pas construire un collisionneur assez grand pour ce faire." Il dit que certains théoriciens pensent qu'il y a autre chose (comme d'autres particules ou des dimensions spatiales supplémentaires, comme suggéré par la théorie des cordes et ses modèles étendus) qui pourrait apparaître dans une expérience qui combine la gravité avec d'autres forces.
Mais pour cela, nous avons besoin d'un collisionneur de la taille d'un système solaire.
Même le grand collisionneur de hadrons circulaire de 27 kilomètres, qui utilise des aimants supraconducteurs pour accélérer et heurter des faisceaux de protons à 99,999999% de la vitesse de la lumière, n'est pas assez rapide pour répondre à ces questions. Il ne peut découvrir à quoi ressemblait l'univers que lorsqu'il avait la taille d'une pomme. Les scientifiques peuvent avoir besoin de plus d'énergie et donc d'un plus gros collisionneur pour donner un sens à un univers plus petit qu'une pomme.
Combien en plus? Peut-être que des forces nucléaires fortes et faibles pourraient être combinées avec un collisionneur construit autour de Mars. Mais pour ajouter de la gravité à cette équation, «selon certaines estimations approximatives, un collisionneur serait nécessaire pour encercler l'orbite de Neptune. De plus, certains scientifiques affirment que cette estimation est très approximative et que nous devrons construire un anneau plus grand. Les avantages seraient énormes - un tel collisionneur serait capable de tester les échelles de Planck, les plus petites échelles que nous pouvons examiner que permet la mécanique quantique. «Nous comprendrions tout sur la gravité, sur la mécanique quantique et, en attendant, nous aurions également une force combinée électrofaible et électrostrong comme ça, suivie du voyage dans le temps, de la théorie des cordes, de la matière noire, de l'énergie noire, du problème de la mesure, de la théorie des univers multiples etc.
Quoi? Voyage dans le temps? Selon Beecham, nous aurions une compréhension si détaillée de l'univers et du fonctionnement de l'espace-temps que nous pourrions éventuellement mettre nos connaissances à la base des technologies futures pour manipuler le temps.
"Il est possible que la force de gravité et d'autres forces de la nature se combinent à des énergies extrêmement élevées, mais pour étudier ce problème, nous devrons créer un collisionneur comme le LHC, encerclant les confins du système solaire ou même plus."
Malheureusement, l'expérience de pensée de Beecham n'est pas réalisable pour le moment:
«La technologie, la force humaine et les ressources nécessaires pour créer un collisionneur de particules qui encercle les confins du système solaire n'existent tout simplement pas. Même si nous prenions les technologies de l'accélérateur et du détecteur existants au LHC, l'échelle serait un problème au sens le plus pratique: il n'est pas clair s'il y a suffisamment de matière pour créer ce colosse dans le système solaire, à toutes les sources - la Terre, la Lune, les planètes, les astéroïdes, etc. …
Et pour accélérer les protons à des énergies aussi élevées, même au LHC, nous utilisons des aimants supraconducteurs. Les aimants ne deviennent supraconducteurs que si vous les rendez très froids. On pourrait penser que cela serait utile pour créer un accélérateur de particules dans l'espace. Le cosmos est très froid. Mais pour la supraconductivité, ce n'est pas très froid. L'espace extra-atmosphérique a une température de 2,7 Kelvin, mais les aimants nécessitent 1,9 Kelvin. Proche, mais toujours pas. Au LHC, ces températures sont atteintes à l'aide d'hélium liquide. On ne sait pas s'il y a suffisamment d'hélium liquide à proximité pour refroidir un accélérateur circulaire de la taille du système solaire.
À ces énergies, les détecteurs doivent être énormes. Vous devrez former des physiciens et acquérir une puissance de calcul incompréhensible. Vous aurez besoin d'une robotique avancée, d'une protection contre les astéroïdes, les comètes et autres débris. Et tout cela doit encore être mis en mouvement. Vous ne pouvez pas utiliser l'énergie du Soleil, car la machine entoure le Soleil à une distance de Neptune. Un appareil de cette taille nécessitera des percées énergétiques qui ne sont pas réalisables dans un proche avenir.
Une telle expérience changerait la physique. Après tout, de telles expériences aident les physiciens à comprendre comment les choses fonctionnent, et un tel accélérateur fournira des réponses convaincantes à de nombreuses questions. Cela changera la façon dont les gens pensent. Va changer ce que nous entendons par «compréhension».
Si nous construisions un collisionneur autour de la limite extérieure du système solaire, les connaissances que nous acquéririons concerneraient la nature de la gravité, comment combiner la mécanique quantique et la relativité générale en un seul, sur le voyage dans le temps, sur ce qui s'est passé au moment du Big Bang., sur la question de savoir si notre Univers peut être juste l'un d'un nombre infini d'univers multiples - tant de choses changeraient notre idée de la réalité, notre attitude envers la nature, ce langage de celle-ci, la compréhension du monde, l'humanité en général, notre place dans l'univers, que nous devions inventerait un nouveau concept de compréhension pour le décrire.
De toute évidence, personne ne travaille sur une telle expérience, bien que le CERN développe déjà sur papier le Future Circular Collider, dont le tunnel aura une longueur de 80 à 100 kilomètres. Cependant, peut-être que quelque part dans l'Univers travaille sur un tel projet.
Ce serait fantastique si une civilisation lointaine ailleurs dans l'Univers travaillait déjà là-dessus, et nous avions au moins l'occasion de la trouver et de la contacter pour lui demander les résultats d'expériences physiques, même ordinaires. Ont-ils la même masse que le boson de Higgs? Ont-ils trouvé des bosons X et Y qui démontrent l'unification des forces électrofaible et électrostatique? Ont-ils atteint l'échelle de Planck? Qu'est-ce que la matière noire? Pouvons-nous remonter le temps?
L'univers continuera à fonctionner selon les mêmes lois. La vraie question est de savoir si les humains pourront jamais comprendre ces lois.
Ilya Khel
