Як ми досліджуємо нерозв'язані питання у фізиці

Джеймс Бічем шукає відповіді на актуальні невирішені питання фізики в межах найбільшого в світі наукового експерименту - Великого адронного колайдера ЦЕРН (Європейського центру з ядерних досліджень). У своєму виступі Бічем дотепно й доступно розповідає про наукові дослідження, запрошуючи нас у подорож понадпросторовими вимірами у пошуках ще не відкритих фундаментальних частинок і пояснення таємниць гравітації; він розмірковує, чому науковий пошук ніколи не припиняється.

У фізиці є одна проблема,

якою я дуже переймаюся
із самого дитинства.

Вона пов'язана з питанням,

що його задають науковці
вже майже 100 років

і не знаходять відповіді.

Яким чином найдрібніші об'єкти природи -

частинки квантового світу -

співвідносяться з найбільшими
об'єктами в природі -

планетами, зірками і галактиками, яких
тримає разом сила гравітації?

У дитинстві я намагався розібратися
з цим питанням наступним чином.

Я вовтузився з
мікроскопами й електромагнітами,

читав про різновиди взаємодії
між частинками,

про квантову механіку

і дивувався тому, наскільки точно
ті пояснення збігалися

з моїми спостереженнями.

А ще я цікавився зірками,

читав про те, наскільки добре
ми розуміємо гравітацію,

і вірив, що має існувати
якесь просте і досконале рішення

того, як ці дві системи співвідносяться.

Але рішення не існує.

Книжки демонструють,

що ми багато розуміємо про
ці два світи окремо один від одного,

але коли ми намагаємося
поєднати їх математично,

нічого не виходить.

І вже протягом 100 років

жодна з пропонованих ідей щодо
вирішення цієї, по суті фізичної, проблеми

не отримала найменшого
підтвердження.

І для маленького мене -

допитливого, скептичного Джеймса -

це було вкрай незадовільною відповіддю.

Я досі залишаюся скептичним хлопчаком.

А зараз перенесемося у грудень 2015 року,

коли я опинився у самому вирі подій

світової фізики, які перевернули
існуючі до того уявлення.

Лабораторія фізики високих енергій (ЦЕРН)
отримала надзвичайні дані -

натяк на існування нової частинки,

надію на унікальне
розв'язання цього питання.

Я досі той самий скептичний хлопчак,

але відтепер я ще й мисливець за частинками.

Я - фізик, працюю на
Великому адронному колайдері у ЦЕРН.

Це наймасштабніший науковий
експеримент у світі.

Колайдер знаходиться у 27-кілометровому
тунелі на кордоні Франції зі Швейцарією

під землею на глибині 100 метрів.

У цьому тунелі ми помістили

надпровідні магніти, температура яких
нижча, ніж в абсолютному космосі.

Вони розганяють протони майже
до швидкості світла

і зіштовхують їх мільйони
разів на секунду,

реєструючи наслідки таких зіштовхувань

у пошуках нових, ще не відкритих
фундаментальних частинок.

Над проектуванням і створенням колайдера
кілька десятиліть

працювали тисячі фізиків з усього світу.

І ось влітку 2015 року

ми безупинно працювали над тим,
щоби Великий адронний колайдер

прискорював частинки до енергій,
які досі були недосяжними в експериментах.

Висока енергія розгону дуже важлива,

тому що у випадку елементарних частинок

енергія і маса - еквівалентні,

маса - лише кількісний показник,
даний від природи.

Щоби відкрити нові частинки,

нам потрібно досягнути вищих показників.

Для цього необхідно побудувати більший
колайдер з вищими енергіями розгону,

а найбільший у світі колайдер із
найвищими енергіями є

Великий адронний
колайдер (ВАК).

Далі ми розганяємо протони
у квадрильйони разів

і повільно - місяць за місяцем -
збираємо дані.

Нові частинки виявляють себе,
коли на графіку з'являються опуклості -

невеликі відхилення від
очікуваного результату,

або кластери показників, через які
крива вже не утворює плавної лінії.

Наприклад, ця опуклість на графіку,

що відображає дані кількох місяців 2012 р.,

призвела до відкриття частинки Хіггса -

бозона Хіггса -

і до отримання Нобелівської премії
за підтвердження її існування.

Високі енергії розгону,
що їх ми намагалися досягти в 2015 р.,

стали найкращим шансом в історії людства

відкрити нові частинки

і новою можливістю
відповісти на старі питання,

тому що тепер потужність
експерименту мала вдвічі перевищити

енергію, використану
під час відкриття частинки Хіггса.

Багато моїх колег чекали на цей момент
протягом усієї наукової кар'єри,

і, чесно кажучи, допитливий хлопчак

усередині мене чекав на це
все своє життя.

Отже, 2015 рік мав стати вирішальним.

У червні 2015-го

ВАК запустили знову.

Ми з колегами затамували подих
і нервово гризли нігті на руках.

Нарешті ми засвідчили
перші зіштовхування протонів

на надвисоких швидкостях розгону.

Оплески, шампанське, святкування!

Подія стало віхою в науці,

а ми жодного уявлення не мали,
що знайдемо в принципово нових даних.

І ось кілька тижнів потому
ми побачили відхилення.

Воно не було дуже великим,

але достатнім для того,
щоби зробити великі очі.

Але якщо ті "великі очі"
міряти за шкалою від 1 до 10,

де 10 означає відкриття нової частинки,

то наші "великі очі" тягнуть десь на 4.

(Сміх)

Я провів години, дні й тижні
в таємних зустрічах,

сперечаючись із колегами
щодо природи цих відхилень,

вивчаючи їх за допомогою точних
експериментальних інструментів,

піддаючи їх найсуворішій критиці.

Але навіть після кількох місяців
напруженої роботи -

коли ми спали в кабінетах,
не ходили додому,

їли шоколадки на обід,

пили каву відрами

(фізики - це такі собі машини з
перетворення кави на графіки), -

(Сміх)

це невеличке відхилення даних не зникло.

Отже, через кілька місяців

ми представили його світу
з дуже чітким поясненням:

це відхилення у потоці даних
є цікавим, але не визначеним,

отже, ми будемо спостерігати далі
і збирати більше даних.

Ми повідомили про це дуже стримано,

але новина швидко розлетілася світом.

Вона була хітом новин.

Люди говорили, що ситуація нагадує їм

те невеличке відхилення, що призвело до
відкриття бозона Хіггса.

І навіть більше -
мої колеги теоретики

(я люблю теоретиків!)

написали 500 наукових
робіт про це маленьке відхилення.

(Сміх)

Світ фізики елементарних частинок
перевернувся з ніг на голову.

Але що ж такого в цьому відхиленні даних,

що тисячі фізиків
одномоментно втратили спокій?

Це відхилення унікальне.

Воно вказує на те, що

відбулася неочікувано велика
кількість зіштовхувань частинок,

чиї уламки складаються
лише з двох фотонів,

двох частинок світла.

Це рідкісне явище.

Зіштовхування частинок
не схоже на зіткнення автомобілів.

Там діють інші правила.

Коли зіштовхуються дві частинки
майже на швидкості світла,

працюють закони квантової фізики.

У квантовому світі

ці дві частинки можуть
швидко утворити нову частинку,

яка існуватиме мізерну частину секунди,

а потім розпадеться на інші частинки,
які ми й зареєструємо.

Уявіть, як два автомобілі
зіштовхуються й щезають,

а на їхньому місці з'являється велосипед.

(Сміх)

Потім цей велосипед вибухає,
і з'являються два скейтборди,

які влучають у наші детектори.

(Сміх)

Сподіваюся, такого не станеться.

Вони дуже дорогі.

Випадки, коли два фотони "влучали"
в наші детектори, були нечастими.

А через особливі квантові
характеристики фотонів

існує мала ймовірність
утворення нових частинок -

цих уявних велосипедів -

які б могли дати життя
лише двом фотонам.

Проте існує велика ймовірність
зареєструвати інше явище,

яке пов'язане з тим
старим як світ питанням,

що мучить мене з дитинства, -

питанням про гравітацію.

Ви вважаєте гравітацію потужною силою,

але насправді вона неймовірно слабка
у порівнянні з іншими силами природи.

Я легко долаю гравітацію, підстрибнувши,

але я не можу вирвати протон з руки.

Якою є сила гравітації в порівнянні з
іншими силами природи?

Це 10 у мінус 39 ступені.

Тобто, десятковий дріб
із 39-ма нулями після коми.

Треба ще додати,

що всі інші відомі сили природи
чудово описані

у Стандартній моделі - теорії,
яку сьогодні вважають

найкращим поясненням природних
явищ на рівні елементарних частинок,

і яка, на мою думку,

є одним із найвидатніших
досягнень людства.

Так от гравітації у
Стандартній моделі немає.

Це божевілля!

Виглядає так, ніби здебільшого
силу гравітації не враховано.

Невеличку частину її ми відчуваємо,

але де поділася решта?

Ніхто не знає.

Але існує одне теоретичне припущення,
що пропонує сміливе рішення.

Ви і я -

навіть ви на задніх рядах -

живемо у тривимірному просторі.

Сподіваюся, це доводити не треба.

(Сміх)

Усі відомі частинки також існують
у тривимірному просторі.

По суті, "частинка" - лише інший термін

на позначення збудження
тривимірного поля,

або локального коливання в космосі.

Що важливо, використання математичного
інструментарію для опису цих явищ

базується на переконанні,
що у простору є лише три виміри.

Але математика така наука, що дозволяє,
за потреби, "гратися" з ідеями.

Отже, люди граються з ідеєю
додаткових вимірів простору

вже давно.

Але ця ідея завжди була абстрактною
математичною концепцією.

Я маю на увазі, якщо роздивитися навколо -
ось ви на задніх рядах, озирніться -

ми чітко бачимо лише три виміри простору.

А що, якщо це не є істиною?

Якщо та неврахована гравітація просочується
у якійсь понадпросторовий вимір,

невидимий мені і вам?

А раптом гравітація виявилася б
такою ж потужною, як інші сили,

якщо б нам вдалося заглянути у цей
понадпросторовий вимір,

а те, що ми з вами відчуваємо,
є всього лише дрібною її часткою,

що примушує нас вірити,
що гравітація слабка.

Якщо це так,

нам доведеться розширити Стандартну
модель елементарних частинок

і включити в неї додаткову частинку -
"гіпервимірну" частинку гравітації,

такий собі гравітон, що існує
у понадпросторових вимірах.

Я бачу вирази ваших облич.

Ви ніби запитуєте:

"Як, скажіть на милість, перевірити цю
ідею з області наукової фантастики,

коли ми не можемо вийти за межі
тривимірного простору?"

Так, як ми завжди робимо -

зіштовхнути два протони

(Сміх)

із такою силою, щоби наслідки
зіткнення проявилися

в якомусь із імовірних
понадпросторових вимірів,

моментально створюючи
"гіперпросторовий" гравітон,

а потім проявилися вже
у тривимірному просторі ВАК

і викинули два фотони -

дві частинки світла.

Наразі цей гіпотетичний
понадпросторовий гравітон

є єдино можливою,
гіпотетичною новою частинкою,

що має особливі квантові характеристики,

які б могли породити наші маленькі
двофотонні сплески.

Отже, з'явилася можливість
пояснити таємницю гравітації

і відкрити додаткові виміри простору -

зараз, напевно, ви розумієте,

чому тисячі "схиблених"
фізиків одночасно втратили спокій

через наш маленький двофотонний сплеск.

Через відкриття такого штибу
переписують підручники.

Але пам'ятаймо,

що ми, експериментатори,

які реально провели
таку роботу в свій час,

висловилися досить чітко:

нам потрібно більше даних.

З більшим масивом даних

той маленький сплеск або перетвориться
на чудову "хрустку" Нобелівку,

(Сміх)

або додаткові дані перетворять
наше відхилення на графіку

у чудову гладеньку криву.

Отже, ми накопичували дані,

і коли кілька місяців потому
обсяг даних виріс вп'ятеро,

наш маленький сплеск на графіку

перетворився у гладеньку криву.

У новинах писали про "велике розчарування"
та про "згаслі надії",

а ще про те, що фізики "дуже засмутилися".

Зважаючи на тон публікацій,

хтось, можливо, подумав, що ми вирішили
вирубати ВАК та роз'їхатися по домівках.

(Сміх)

Але ми цього не зробили.

Чому ні?

Ну, якщо я не відкрив нову
частинку - а я таки нічого не відкрив,

якщо я не відкрив частинку,
про що я тут взагалі розмовляю?

Чому я не знітився від сорому

і не пішов додому?

Фізики, що працюють із частинками,
є дослідниками.

І левову частку нашої роботи
складає картографія.

Іншими словами - на секунду
забудьте про ВАК -

уявіть, що ви дослідник космосу,
який прибув на віддалену планету

у пошуках інопланетян.

Яким буде ваше перше завдання?

Вийти на орбіту планети, приземлитися,
швидко роззирнутися навколо,

реєструючи очевидні ознаки життя,

і відзвітувати на базу.

Ми зараз на подібній стадії.

За допомогою ВАК ми шукали

будь-які нові великі помітні частинки,

і можемо відзвітувати, що таких немає.

Ми побачили дивну незрозумілу
опуклість на віддаленій горі,

але підійшовши ближче,
ми побачили, що то камінь.

І що ж нам робити? Здатися
і полетіти геть?

Аж ніяк!

Нікчемними були б ми науковцями!

Ні, наступні кілька десятиліть
ми проведемо у дослідженнях,

ми будемо картографувати,

просіювати пісок,

заглядати під кожен камінець,

бурити поверхню.

Нови частинки або негайно проявлять себе

як великі й очевидні
опуклості на графіках,

або ми їх відкриємо лише
через роки накопичення даних.

Людство тільки розпочало свої розвідки
за допомогою ВАК із такими високими енергіями,

і ще треба багато зробити.

А якщо, скажімо, ми так і не знайдемо
нових частинок ані через 10, ані через 20 років?

Ми побудуємо більший пристрій.

(Сміх)

Ми застосуємо потужніші енергії.

Ми застосуємо потужніші енергії.

Вже планується побудова 100-км тунелю,

який розганятиме частинки з енергією
у 10 разів вищою за енергію ВАК.

Ми не можемо вирішувати, де
розміщено нові частинки.

Ми можемо вирішити
продовжити шукати.

Що буде, якщо ані
100-кілометровий тунель,

ані 500-кілометровий тунель,

ані 10 000-кілометровий колайдер,
що ширятиме у космосі

між Землею та Місяцем,

не допоможе відкрити нові частинки?

Тоді можна припустити, що фізика
елементарних частинок не працює.

(Сміх)

І нам доведеться думати по-новому.

Можливо, знадобиться більше ресурсів,
технологій, досвіду у порівнянні

і з тим, що маємо зараз.

Ми вже використовуємо штучний інтелект
і технології машинного навчання

у деяких відділах ВАК,

а лишень уявіть експеримент у галузі
елементарних частинок

із використанням таких
надскладних алгоритмів,

що ВАК сам зможе навчитися шукати
гіперпросторовий гравітон.

Задамо

вічне питання:

А якщо навіть штучний інтелект
не допоможе знайти відповідь?

І ці питання, що їх задають
століттями,

приречені залишитися
в майбутньому без відповіді?

А якщо проблема, яка не дає мені спокою
з дитинства,

так і залишиться нерозв'язаною
за моє життя?

Тоді...

буде ще цікавіше.

Це нас змусить думати абсолютно по-новому.

Нам доведеться повернутися
до старих припущень

і визначити, де були помилки.

Доведеться заохочувати більше людей
займатися наукою,

адже буде потрібен свіжий погляд
на старі як світ проблеми.

Я не маю відповідей,
я все ще їх шукаю.

Але хтось (можливо, це дитя
ще вчиться в школі,

або ще й не народилося)

зможе вказати нам
новий шлях у фізиці

і показати, що ми, можливо,
ставимо не ті питання.

І це не буде кінцем фізики,

а стане її новітнім початком.

Дякую.

(Оплески)