De toekomst behoort toe aan degenen die zich erop voorbereiden, zoals de wetenschappers die petities indienen bij federale instanties zoals NASA en het ministerie van Energie om onderzoek te financieren maar al te goed weten. Dure instrumenten zoals een ruimtetelescoop of deeltjesversneller kunnen tot 10 miljard dollar kosten.
En dus begon de natuurkundegemeenschap afgelopen juni na te denken over wat ze nu wilden doen, en waarom.
Dit is de toestemming van een commissie die is aangesteld door de National Academy of Sciences, genaamd Elementaire deeltjesfysica: vooruitgang en belofte. De leerstoel wordt gezamenlijk voorgezeten door twee vooraanstaande wetenschappers: Maria Spiropolo, de Shang Yi Chen hoogleraar natuurkunde aan Caltech, en kosmoloog Michael Turner, emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Chicago en voormalig adjunct-directeur voor nationale wetenschap. Oprichter en voormalig voorzitter van de American Physical Society.
In de jaren tachtig was Dr. Turner een van de wetenschappers die de instrumenten van de deeltjesfysica begonnen te gebruiken om de oerknal en de evolutie van het universum te bestuderen, en het universum om meer te weten te komen over deeltjesfysica. Dr. Spiropoulou, geboren in Griekenland, zat in 2012 in het team dat het langverwachte Higgs-deeltje ontdekte bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, beter bekend als CERN; ze is nu Het gebruikt kwantumcomputers om de eigenschappen van wormgaten te onderzoeken. Het rapport van de commissie wordt verwacht in juni 2024.
The Times sprak onlangs met de twee geleerden om de vooruitgang van de groep, de frustraties van de afgelopen 20 jaar en de uitdagingen die voor ons liggen te bespreken. Het gesprek is bewerkt voor duidelijkheid en beknoptheid.
Waarom is deze commissie nu bijeengeroepen?
Turner: Ik heb het gevoel dat dingen in de deeltjesfysica nog nooit zo opwindend zijn geweest, in termen van mogelijkheden om ruimte en tijd, materie en energie, en fundamentele deeltjes te begrijpen – als ze al deeltjes zijn. Als je een deeltjesfysicus vraagt waar het veld naartoe gaat, krijg je veel verschillende antwoorden.
Maar wat is de grote visie? Wat is er zo spannend aan dit vakgebied? Ik was in 1980 erg enthousiast over het idee van grote eenwording, en dat lijkt nu klein vergeleken met de toekomstige mogelijkheden.
U verwijst naar de Grand Unified Theories, of GUT’s, die werden beschouwd als een manier om Einsteins droom te verwezenlijken van een enkele vergelijking die alle natuurkrachten omvat. Waar zijn we in het monotheïsme?
Turner: Voor zover we weten, zijn quarks en leptonen de basisbouwstenen van materie. De regels die ervoor zorgen, worden beschreven in een kwantumveldentheorie die het standaardmodel wordt genoemd. Naast de bouwstenen zijn er krachtdragers – het foton, van de elektromagnetische kracht; acht gluonen, met een sterke kleursterkte; De W- en Z-bosonen van de zwakke kernkracht en het Higgs-deeltje, wat verklaart waarom sommige deeltjes massa hebben. De ontdekking van het Higgs-deeltje voltooide het standaardmodel.
Maar de zoektocht naar spelregels is nog lang niet voorbij. Waarom twee verschillende soorten bouwstenen? Waarom zoveel “elementaire” deeltjes? Waarom vier machten? Hoe passen donkere materie, donkere energie, zwaartekracht en ruimte-tijd bij elkaar? Het antwoord op deze vragen is het werk van de elementaire deeltjesfysica.
spiropolo: De curveball is dat we de Higgs-massa niet begrijpen, die ongeveer 125 keer de massa van een waterstofatoom is.
Toen we de Higgs ontdekten, was het eerste wat we verwachtten deze andere nieuwe supersymmetrische deeltjes te vinden, omdat de massa die we hebben gemeten onstabiel zou zijn zonder hun aanwezigheid, maar we hebben ze nog niet gevonden. (Als het Higgs-veld zou instorten, zouden we kunnen uitbreken in een andere wereld – dat is natuurlijk nog niet gebeurd.)
Dat was een beetje verpletterend; Al 20 jaar jaag ik op supersymmetrische deeltjes. Dus we zijn als herten in koplampen: we hebben geen supersymmetrie gevonden, we hebben geen donkere materie als deeltje gevonden.
Turner: krachtenbundeling hoort er gewoon bij. Maar het is saai in vergelijking met de grotere kwesties van ruimte en tijd. De discussie over wat ruimte en tijd zijn en waar ze vandaan komen, behoort nu tot het domein van de deeltjesfysica.
Vanuit kosmologisch perspectief is de oerknal de oorsprong van ruimte en tijd, althans vanuit het oogpunt van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dus de oorsprong van het heelal, ruimte en tijd zijn allemaal met elkaar verbonden. En heeft het universum een einde? Is er een multiversum? Hoeveel plaatsen en tijden zijn er? Klopt deze vraag?
spiropoloOverigens is uniformiteit voor mij niet saai. Ik zeg het maar.
Turner: Ik bedoelde relatief saai. Het blijft erg interessant!
spiropolo: Onze sterkste hint van de eenheid van de natuur komt uit de deeltjesfysica. Bij voldoende hoge energieën lijken de fundamentele krachten – zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten – gelijk te worden.
Maar we hebben Gods schaal nog niet bereikt in onze deeltjesversnellers. Dus misschien moeten we de vraag anders formuleren. Naar mijn mening blijft de ultieme wet een voortdurende puzzel, en de manier waarop we die oplossen zal zijn door middel van nieuw denken.
Turner: Ik vind het leuk wat Maria zegt. We lijken alle puzzelstukjes op tafel te hebben; De vier verschillende krachten die we zien, lijken slechts verschillende facetten van een verenigde kracht te zijn. Maar dit is misschien niet de juiste manier om de vraag te formuleren.
Dit is het kenmerk van grote wetenschap: je stelt een vraag en het blijkt vaak de verkeerde vraag te zijn, maar je moet een vraag stellen om erachter te komen dat het de verkeerde vraag is. Dan vraag je om een nieuwe.
Snaartheorie – de geroemde ’theorie van alles’ – beschrijft de fundamentele deeltjes en krachten in de natuur als trillende snaren van energie. Is er hoop aan de horizon voor ons om ze beter te begrijpen? Deze zogenaamde ruwheid verschijnt alleen bij energieën die miljoenen keren hoger zijn dan wat kan worden bereikt door welke deeltjesversneller dan ook ooit denkbaar. Sommige wetenschappers bekritiseren de snaartheorie als buiten de wetenschap.
spiropolo: Het is niet te testen.
Turner: maar het is een krachtig wiskundig hulpmiddel. En als je kijkt naar de vooruitgang van de wetenschap in de afgelopen 2500 jaar, van de Milesianen, die begonnen zonder wiskunde, tot nu, wiskunde is het element van snelheid geweest. Meetkunde, algebra, Newtoniaanse calculus, Einstein-meetkunde en niet-Riemanniaanse.
spiropolo: Ik zou brutaler zijn en zeggen dat snaartheorie een raamwerk is, net als andere raamwerken die we hebben ontdekt, waarmee we de fysieke wereld proberen te verklaren. Het standaardmodel is een raamwerk – en in de reeksen energieën die we kunnen testen, is het raamwerk nuttig gebleken.
TurnerEen andere manier om het te zeggen is dat we nieuwe woorden en taal hebben om de natuur te beschrijven. Wiskunde is de taal van de wetenschap, en hoe meer we onze taal verrijken, hoe vollediger we de natuur kunnen beschrijven. We zullen moeten afwachten wat er uit de snaartheorie komt, maar ik denk dat het groot gaat worden.
Een van de vele voordelen van de snaartheorie is dat de vergelijkingen oplossingen van 10 graden bevatten – die 10 verschillende graden van mogelijke universums of meer beschrijven. Leven we in een multiversum?
Turner: Ik denk dat we het er maar mee moeten doen, ook al lijkt het gek. En het multiversum bezorgt me hoofdpijn. Niet toetsbaar, althans nog niet, het is geen wetenschap. Maar het is misschien wel het belangrijkste idee van onze tijd. Het is een van de dingen die op tafel liggen. Hoofdpijn of niet, we moeten ermee dealen. moet naar boven of naar buiten; Het maakt deel uit van de wetenschap of het maakt geen deel uit van de wetenschap.
Waarom is het een triomf dat het standaardmodel van de kosmologie niet zegt wat 95 procent van het universum is? Slechts 5 procent ervan is atomaire materie zoals sterren en mensen. De andere 25 procent is ‘donkere materie’ en ongeveer 70 procent is nog vreemder – Mike noemde het ‘donkere energie’ – die ervoor zorgt dat het universum sneller uitdijt.
Turner: Dat is een groot succes, ja. We hebben alle hoofdingrediënten genoemd.
Maar je weet niet wat de meeste zijn.
spiropolo: We struikelen als we een grote diepte bereiken. En op een gegeven moment moeten we schakelen – verander de vraag of de methodologie. Uiteindelijk is het begrijpen van de fysica van het universum geen wandeling in het park. Er blijven meer vragen onbeantwoord dan beantwoord.
Als monotheïsme de verkeerde vraag is, wat is dan de juiste?
TurnerIk denk niet dat je over ruimte, tijd, materie, energie en elementaire deeltjes kunt praten zonder over de geschiedenis van het universum te praten.
De oerknal is als de oorsprong van ruimte en tijd, en daarom kunnen we ons afvragen wat ruimte en tijd eigenlijk zijn? Einstein liet ons zien dat ze niet alleen zijn waar dingen gebeuren, zoals Newton zei. Het is dynamisch: ruimte kan buigen en tijd kan kromtrekken. Maar we zijn nu klaar om de vraag te beantwoorden: waar kwamen ze vandaan?
We zijn tijdwezens, dus we denken dat het universum om tijd draait. Dit is misschien een verkeerde manier om naar het universum te kijken.
We moeten in gedachten houden wat ik eerder heb gezegd. Veel tools in de deeltjesfysica hebben veel tijd nodig om te ontwikkelen en zijn erg duur. Deze investeringen betalen zich altijd uit, vaak met grote verrassingen die de loop van de wetenschap veranderen.
Dit maakt vooruitgang moeilijk. Maar ik ben optimistisch over deeltjesfysica omdat de kansen nog nooit zo groot zijn geweest en dit veld al jaren voorop loopt in de wetenschap. Deeltjesfysica heeft geweldige wereldwijde wetenschappelijke faciliteiten uitgevonden, nationale en nu wereldwijde faciliteiten. Als de geschiedenis een leidraad is, zal niets hen ervan weerhouden de grote vragen te beantwoorden!
De bouw van de James Webb Space Telescope duurde drie decennia.
Spiropolo: Ruimte – bingo!
keerder: Ik bedoel, wetenschap draait om groots dromen. Soms liggen dromen net buiten je bereik. Maar de wetenschap heeft de mensheid in staat gesteld grote dingen te doen – Covid-vaccins, de Large Hadron Collider, het Laser Gravitational-Wave Observatory, de Webb Telescope – die onze visie en ons vermogen om onze toekomst vorm te geven, vergroten. Als we deze grote dingen in het huidige moment doen, doen we ze samen. Als we groots blijven dromen en samenwerken, staan ons nog meer geweldige dingen te wachten.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”