Како истражујемо питања у физици

Џејмс Бичам је у потрази за одговорима на најбитнија отворена питања у физици и користи највећи научни експеримент икада покренут, ЦЕРН-ов Велики хадронски сударач. У овом забавном и приступачном говору о томе како се наука дешава, Бичам нас води на путовање кроз додатне просторне димензије у потрази за неоткривеним фундаменталним честицама (и објашњењем везаним за мистерије гравитације) и у детаље објашњава порив да се истраживање настави.

Постоји нешто везано за физику

што ме је стварно мучило
још од времена када сам био дете.

Везано је за питање

које научници постављају
већ скоро 100 година

без одговора.

Како се најмање ствари у природи,

честице квантног света,

уклапају уз највеће ствари у природи -

планете, звезде и галаксије
које на окупу држи гравитација?

Као дете сам пуно размишљао
о оваквим питањима.

Проводио сам време
са микроскопима и електромагнетима,

читао о силама малих честица

и квантној механици

и дивио се томе колико су се добро
ти описи уклапали

у наша запажања.

Затим сам гледао у звезде,

читао о томе колико добро
разумемо гравитацију

и мислио да сигурно постоји
некакав елегантан начин

да се ова два система уклопе.

Међутим, није га било,

а књиге су говориле:

„Да, веома добро разумемо
ова два света одвојено,

али када покушамо
да их повежемо математички,

све се распадне.“

Током 100 година,

ниједна од идеја везаних за решавање
ове катастрофе у физици, у основи,

није подупрта доказима.

За моју малену, стару верзију,

за малог, радозналог, скептичног Џејмса,

ово је био крајње
незадовољавајући одговор.

Дакле, и даље сам скептично детенце.

Хајде да брзо прескочимо период
до децембра 2015. године,

када сам се нашао усред света физике

који се окренуо наглавачке.

Све је кренуло када смо у ЦЕРН-у
видели нешто интригантно у подацима -

наговештај нове честице,

наговештај могућег невероватног
одговора на ово питање.

Тако, и даље сам скептично дете, мислим,

али сада сам ловац на честице.

Физичар сам у ЦЕРН-овом
Великом хадронском сударачу,

највећем научном експерименту
који је икада покренут.

То је тунел од 27 километара
на граници Француске и Швајцарске,

закопан 100 метара испод земље.

У овом тунелу

користимо суперпроводне магнете
хладније од свемира

да бисмо убрзали протоне
до скоро брзине светлости

и сударамо их милион пута у секунди,

а затим прикупљамо остатке ових судара

да бисмо трагали за новим,
неоткривеним елементарним честицама.

Биле су потребне деценије рада
на његовом дизајну и конструкцији

од стране хиљаде физичара
са свих страна света,

а лета 2015. године

морали смо непрестано да радимо
да бисмо покренули сударача

уз највећу енергију коју су људи
икада користили у експерименту сударања.

Велика енергија је важна

јер за честице постоји еквиваленција

између масе и енергије честице,

а маса је само број
који је тамо поставила природа.

Да бисмо открили нове честице,

морамо да стигнемо до ових већих бројева,

а да бисмо то учинили,

морамо да изградимо
већи сударач са већом енергијом,

а највећи сударач са највећом енергијом

је Велики хадронски сударач.

Затим сударамо протоне
неколико трилиона пута

и веома полако прикупљамо податке
месецима и месецима.

Затим се нове честице могу појавити
међу нашим подацима као испупчења,

мале девијације од онога што се очекује,

мали скупови података који чине
да глатка линија више није тако глатка.

На пример, ово испупчење,

након вишемесечног прикупљања
података 2012. године,

водило је ка открићу Хигсове честице,

Хигсовог бозона,

и ка Нобеловој награди
за потврду о његовом постојању.

Овак скок у енергији 2015. године

био је најбољa шансa
коју смо као врста икада имали

за откривање нових честица;

нових одговора на стара, отворена питања,

јер смо користили
скоро два пута већу енергију

него када смо открили Хигсов бозон.

Многе моје колеге су радиле
током читаве каријере за овај тренутак

и, искрено, за моју малу,
радозналу верзију,

ово је био тренутак
који сам чекао читав свој живот.

Значи, 2015. година је била година акције.

Тако је јуна 2015. године

сударач поново укључен.

Моје колеге и ја смо престали
да дишемо и грицкали смо нокте,

а онда смо коначно видели
прве сударе протона

уз највећу енергију икада искоришћену.

Аплауз, шампањац, славље.

Ово је била прекретница за науку,

а нисмо имали појма шта ћемо наћи
у овим потпуно новим подацима.

Неколико недеља касније
нашли смо ново испупчење.

Није то било велико испупчење,

али је било довољно велико
да се заинтригирате.

Међутим, на скали заинтригираности
од један до десет,

ако 10 указује на то
да сте пронашли нову честицу,

ова заинтригираност је била четворка.

(Смех)

Провео сам сате, дане, недеље
на тајним састанцима,

расправљајући се са колегама
о овом малом испупчењу,

док смо га чачкали и боцкали
најокрутнијим експерименталним штапићима

да бисмо видели да ли може
да издржи испитивање.

Међутим, чак и након грозничавог рада
од неколико месеци,

а спавали смо у канцеларијама
и нисмо одлазили кући,

вечерали смо чоколадице,

испијали огромне количине кафе -

физичари су машине
које претварају кафу у дијаграме -

(Смех)

Ова малена избочина није хтела да нестане.

Тако, након неколико месеци,

представили смо нашу малу избочину свету
уз веома јасну поруку -

ова мала избочина је интересантна,
али није дефинитивна,

па хајде да је пратимо
док прикупљамо још података.

Дакле, покушавали смо да будемо
изузетно опуштени у вези са овим,

а свет је ово прихватио.

Новинарима се ово свидело.

Људи су говорили да их подсећа
на малу избочину

која се указала на путу
ка откривању Хигсовог бозона.

Боље од тога, моје колеге теоретичари -

волим моје колеге теоретичаре -

моје колеге теоретичари су написали
500 радова о овој малој избочини.

(Смех)

Свет физике честица окренуо се наглавачке.

Ипак, шта је то везано
за ову посебну избочину

што је проузроковало
да хиљаде физичара постане узнемирено?

Ова мала избочина је била јединствена.

Ова мала избочина је указивала на то

да видимо неочекивано велики број судара

чији су се остаци састојали
од само два фотона,

две честице светлости,

а то је ретко.

Судари честица нису као судари аутомобила.

Подлежу другачијим правилима.

Када се две честице сударе
приближно брзином светлости,

сцену преузима квантни свет,

а у квантном свету

ове две честице
накратко могу да створе нову честицу

која живи мајушни део секунде

пре него што се разложи на честице
које погађају наш детектор.

Замислите судар аутомобила
при ком двоја кола нестану након судара,

бицикл се појављује на њиховом месту -

(Смех)

а затим бицикл у експлозији
створи два скејтборда

који погоде наш детектор.

(Смех)

Надамо се, не и буквално.

Веома су скупи.

Појава да само два фотона
погоде наш детектор је веома ретка.

А због посебних квантних својстава фотона,

постоји веома мали број
могућих нових честица,

ових митских бицикала,

које могу створити само два фотона.

Али једна од ове две опције је огромна,

а у вези је са старим отвореним питањем

које ме је мучило
док сам био мајушно дете,

о гравитацији.

Можда вам гравитација
делује невероватно снажно,

али је заправо блесаво слаба
ако се упореди са другим природним силама.

Накратко могу да победим
гравитацију док скачем,

али не могу да покупим протон са длана.

Снага гравитације у поређењу
са другим природним силама?

Десет на минус тридесет девет.

То је децимала коју прати 39 нула.

Још горе од тога,

све друге познате природне силе
су савршено описане

кроз нешто што називамо
„стандардним моделом“,

што је тренутно наш најбољи опис
природе у најмањим размерама,

а искрено,

то је и једно од најуспешнијих
људских достигнућа,

осим гравитације, која није присутна
у стандардном моделу.

Лудо је.

Као да је већи део гравитације нестао.

Осећамо њене делиће,

али где је њен остатак?

Нико не зна.

Ипак, једно теоретско објашњење
предлаже лудо решење.

Ви и ја,

чак и ви у задњим редовима,

живимо у три просторне димензије.

Надам се да то није спорна изјава.

(Смех)

Све познате честице, такође,
живе у три просторне димензије.

Заправо, „честица“ је само други назив

за ексцитацију у тродимензионалном пољу;

локализовано померање у простору.

Још важније је да сва математика
коју користимо да опишемо све ове ствари

претпоставља да постоји само
три просторне димензије,

али математика је математика
и можемо се њоме играти како хоћемо.

Људи су се дуго и поигравали
додатним просторним димензијама,

али је то увек био
апстрактни математички концепт.

Мислим, само погледајте око себе -
ви у задњим редовима, погледајте около -

јасно је да постоје
само три просторне димензије.

Међутим, шта ако то није истина?

Шта ако гравитација која недостаје истиче
у неку додатну просторну димензију

коју ви и ја не можемо видети?

Шта ако је гравитација
подједнако снажна као и друге силе

ако бисте је посматрали
у овој додатној просторној димензији,

а заправо осећамо
само мајушни део гравитације,

због чега делује као да је веома слаба?

Ако би ово било тачно,

морали бисмо да проширимо
наш стандардни модел честица

да бисмо укључили додатну честицу,
хипердимензионалну честицу гравитације,

специјални гравитон који живи
у додатним просторним димензијама.

Видим вам изразе лица.

Требало би да ме питате:

„Како ћемо, забога, тестирати
ову луду научно-фантастичну идеју,

када смо заглављени,
као што јесмо, у три димензије?“

На начин на који то увек радимо,

сударањем два протона -

(Смех)

довољно јако да судар одјекне

у било којој додатној
просторној димензији која постоји,

моментално стварајући
овај хипердимензионални гравитон

који се онда брзо врати
у три димензије сударача

и избаци два фотона,

две честице светлости.

Овај хипотетички гравитон
из додатне димензије

једина је могућа хипотетичка нова честица

која има специјална квантна својства

која би могла изродити
избочину од два фотона.

Дакле, могућност да се објасне
мистерије гравитације

и откривање додатне просторне димензије -

можда сада почињете да схватате

зашто је хиљаде штреберских физичара
колективно изгубило главу

због наше мале избочине од два фотона.

Овакво откриће би исписало нове уџбенике.

Ипак, сетите се,

порука нас експериментатора

који смо заправо радили
на овоме у то време била је јасна:

треба нам још података.

Са више података,

мала избочина ће се или претворити
у фину, свежу Нобелову награду -

(Смех)

или ће додатни подаци
попунити простор око избочине

и претворити је у фину, глатку линију.

Тако, узели смо још података

и уз пет пута више података
неколико месеци касније,

наша мала избочина

претворила се у глатку линију.

Новине су извештавале
о „огромном разочарењу“, „пропалим надама“

и о томе да су физичари
који се баве честицама тужни.

Судећи по тону насловница,

помислили бисте да смо одлучили
да искључимо сударач и одемо кући.

(Смех)

Међутим, то није оно што смо учинили.

Ипак, зашто нисмо?

Мислим, ако нисам открио честицу, а нисам,

ако нисам открио честицу,
зашто сам овде и причам са вама?

Зашто нисам само постиђено погнуо главу

и отишао кући?

Физичари који се баве
честицама су истраживачи,

а велики део нашег рада је картографија.

Да то овако формулишем -
заборавите сударач на тренутак.

Замислите да сте истраживач свемира
који стиже на удаљену планету,

у потрази за ванземаљцима.

Шта је ваш први задатак?

Да истог тренутка направите круг
око планете, приземите се,

баците поглед да видите упечатљиве,
очигледне знаке живота

и да известите натраг у базу.

То је фаза у којој смо сада.

Бацили смо први поглед на сударач

да бисмо уочили нове, упечатљиве,
лако приметне честице

и можемо да кажемо да их нема.

Видели смо чудну, страну избочину
на удаљеној планини,

али када смо се приближили,
видели смо да је камен.

Онда, шта ћемо следеће урадити?
Да ли ћемо само одустати и отићи?

Сигурно је да нећемо;

били бисмо грозни научници да то учинимо.

Не, провешћемо неколико
деценија у истраживању,

у мапирању територије,

просејавајући песак
помоћу финог инструмента,

загледајући испод сваког камена,

бушећи испод површине.

Нове честице се могу појавити одмах

као велике, очигледне избочине

или их можемо открити
након година прикупљања података.

Човечанство је тек сад почело истраживање
у сударачу помоћу велике енергије

и чека нас много истраживања.

Међутим, шта ако чак и после 10
или 20 година не нађемо нове честице?

Изградићемо веће машине.

(Смех)

Тражићемо уз већу енергију.

Тражићемо уз већу енергију.

Планирање тунела
од 100 километара се већ дешава,

а у њему ће се сударати честице
уз 10 пута већу енергију у сударачу.

Не одлучујемо где ће природа
сместити нове честице.

Ми једино одлучујемо
да наставимо да истражујемо.

Шта ако и након изградње
сударача од 100 километара,

500 километара

или сударача од 10 000 километара
који лебди у свемиру

између Земље и Месеца

и даље не нађемо нове честице?

Онда можда погрешно приступамо
физици честица.

(Смех)

Можда треба поново да размотримо ствари.

Можда нам је потребно више ресурса,
технологије, стручног кадра

од онога што тренутно имамо.

Већ користимо вештачку интелигенцију
и технике учења помоћу машина

у деловима сударача,

али замислите стварање
експеримента у физици честица

који користи толико
софистициране алгоритме

да сам може да открије
хипердимензионални гравитон.

Шта би било кад би било?
То је најзначајније питање.

Шта ако чак и вештачка интелигенција

не може помоћи да одговоримо на питања?

Шта ако је суђено
да ова вековима отворена питања

остану без одговора
у догледној будућности?

Шта ако је стварима које ме муче
откако сам био дете

суђено да остану без одговора
у току мог животног века?

Онда ће то...

бити још фасцинантније.

Бићемо приморани да размишљамо
на потпуно нове начине.

Мораћемо да се вратимо
на наше претпоставке

и одлучимо да ли негде постоји пропуст.

Мораћемо и да охрабримо више људи
да се прикључе научном раду

јер нам треба нова перспектива
за ове проблеме старе један век.

Немам одговоре и још увек трагам за њима.

Ипак, неко - можда је тренутно у школи,

можда још увек није рођена -

на крају би могла да нас наведе
да видимо физику на потпуно нови начин

и да укаже на то да можда
само постављамо погрешна питања,

што не би био крај физике,

већ нови почетак.

Хвала вам.

(Аплауз)