Jak szuka się odpowiedzi na otwarte pytania w fizyce

James Beacham poszukuje odpowiedzi na najważniejsze otwarte pytania w fizyce, biorąc udział w największym przedsięwzięciu badawczym w historii z użyciem Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN. W swojej zabawnej i przystępnej prelekcji o tym, jak powstaje nauka, Beacham zabiera nas w podróż przez dodatkowe wymiary przestrzeni w poszukiwaniu nieodkrytych dotąd cząstek fundamentalnych, żeby wyjaśnić tajemnicę grawitacji, oraz szczegółowo omawia dążenie do kontynuowania poszukiwań.

Pewne zagadnienie w fizyce nie daje mi
spokoju już od wczesnego dzieciństwa.

Ma związek z pytaniem, które naukowcy
stawiają sobie od niemal stu lat

i wciąż nie znają odpowiedzi.

Co łączy najmniejsze elementy przyrody,

cząstki świata kwantowego,

z największymi obiektami w przyrodzie,

planetami, gwiazdami i galaktykami,
związanymi siłą grawitacji?

Jako dziecko
nieustannie się nad tym głowiłem.

Majstrowałem przy mikroskopie,
bawiłem się elektromagnesami,

czytałem o siłach w mikroskali
i o mechanice kwantowej,

zachwycałem się opisem naukowym,
który tak dokładnie odpowiada obserwacjom.

Potem spoglądałem w gwiazdy,
czytałem o tym, jak rozumiemy grawitację,

i myślałem, że z pewnością jest jakiś
elegancki sposób, aby połączyć te systemy.

Ale takiego sposobu nie ma.

Książki mówią, że, owszem, wiemy wiele
o każdej z tych dziedzin z osobna,

ale gdy tylko próbujemy połączyć je
za pomocą matematycznych równań,

wszystko się rozlatuje.

Przez 100 lat żadna hipoteza proponująca
rozwiązanie tej fizycznej katastrofy

nie została poparta dowodami.

Dla małego, dociekliwego, sceptycznego
Jamesa, jakim wtedy byłem,

to była wysoce niezadowalająca odpowiedź.

Nadal jestem sceptycznym dzieciakiem.

Przenieśmy się błyskawicznie
do grudnia 2015 roku,

gdy trafiłem w sam środek świata fizyki,

który właśnie został
wywrócony do góry nogami.

Wszystko zaczęło się w CERN,

gdy w naszych danych
pojawiło się coś intrygującego:

ślad nowej cząstki, podejrzenie istnienia
niezwykłej odpowiedzi na to pytanie.

Nadal jestem sceptycznym dzieciakiem,
ale jestem również łowcą cząstek.

Jestem fizykiem, pracuję w CERN
przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC),

naukowym eksperymencie
o największej skali w dziejach świata.

To 27-kilometrowy tunel zakopany 100 m
pod granicą francusko-szwajcarską,

W tunelu używamy
nadprzewodzących magnesów

zimniejszych od przestrzeni kosmicznej

do przyspieszania protonów do prędkości
równej niemal prędkości światła

i zderzamy je ze sobą
miliony razy na sekundę,

aby zebrać szczątki tych zderzeń

i na ich podstawie szukać

nowych, dotąd nieodkrytych
cząstek fundamentalnych.

Projekt i konstrukcja LHC
kosztowały dziesiątki lat pracy

tysięcy fizyków
ze wszystkich krańców Ziemi.

W lecie 2015 roku pracowaliśmy
bez wytchnienia nad rozruchem LHC

na najwyższej energii, z jaką kiedykolwiek
przeprowadzano eksperymenty tego typu.

Wysoka energia jest istotna,

ponieważ istnieje równoważność
między masą a energią cząstek.

Masa jest tylko liczbą
nadaną cząstkom przez naturę.

Aby znaleźć nowe cząstki,
musimy sięgać tych większych liczb.

Aby to zrobić trzeba budować
większe zderzacze o większej mocy,

a największym i najpotężniejszym z nich
jest Wielki Zderzacz Hadronów.

Potem zderzamy protony kwadryliony razy

i miesiącami gromadzimy dane.

Nowe cząstki mogą się pojawić
na wykresach jako garbki,

niewielkie odstępstwa od oczekiwań,

małe grupy punktów, przez które
gładka linia nie jest już taka gładka.

Na przykład ten garbek

po miesiącach gromadzenia
danych w 2012 roku

doprowadził do odkrycia bozonu Higgsa

i Nagrody Nobla przyznanej
za potwierdzenie jego istnienia.

Ten skok energetyczny

w 2015 roku dawał największe szanse,

jakie kiedykolwiek
trafiły się naszemu gatunkowi,

na odkrycie nowych cząstek

i nowych odpowiedzi na odwieczne pytania,

bo użyto niemal dwa razy tyle energii

niż wtedy, gdy odkryliśmy bozon Higgsa.

Wielu moich kolegów pracowało
na ten moment przez całe życie zawodowe,

i, szczerze mówiąc, ja również
czekałem na ten moment całe życie.

2015 rok to był ten czas.

W czerwcu 2015 roku

LHC ponownie włączono.

Razem z kolegami wstrzymaliśmy oddech

i ujrzeliśmy pierwsze zderzenie protonów
o niespotykanie wysokiej energii.

Brawa, szampan, świętowanie.

To był milowy krok w nauce.

Nie mieliśmy pojęcia, co znajdziemy
w naszych najświeższych danych.

Po kilku tygodniach znaleźliśmy garbek.

Garbek był niewielki.

Ale na tyle duży, by unieść kilka brwi.

Na skali uniesień brwi od 1 do 10,
gdzie 10 oznacza odkrycie nowej cząstki,

zdobył może 4.

(Śmiech)

Spędziłem godziny, dni, tygodnie
na tajnych spotkaniach

spierając się o niego z kolegami,

trącając go i szturchając

najbezwzględniejszymi
kijami eksperymentów,

patrząc uważnie czy wytrzyma badanie.

Mimo miesięcy gorączkowej pracy,

spania w biurze,

batoników na kolację

i hektolitrów kawy

- fizycy to maszyny
do zamieniania kawy w wykresy -

(Śmiech)

garbek nie chciał zniknąć.

Po kilku miesiącach
przedstawiliśmy go światu

z bardzo jasnym przekazem:

jest interesujący, ale nie jednoznaczny,

miejmy go na oku i zbierzmy więcej danych.

Staraliśmy się zachować spokój.

Ale machina i tak ruszyła.

Brzuszek stał się medialnym hitem.

Mówiono, że przypomina ten garbek,

który doprowadził
do odkrycia bozonu Higgsa.

Co więcej, moi koledzy-teoretycy

- kocham moich kolegów-teoretyków -

koledzy-teoretycy napisali
500 artykułów na temat garbka.

(Śmiech)

Świat fizyki cząstek stanął na głowie.

Co sprawiło, że tysiące fizyków
kolektywnie straciło dla niego głowę?

Garbek był wyjątkowy.

Jego obecność oznaczała widok
niespodziewanie wielkiej liczby zderzeń,

których szczątki składały się tylko
z dwóch fotonów, dwóch cząstek światła.

A to rzadko spotykane.

Zderzenia cząstek
nie przypominają kolizji drogowych;

podlegają innym prawom.

Gdy cząstki zderzają się
niemal z prędkości światła,

prawa mechaniki kwantowej biorą górę.

W świecie kwantów te dwie cząstki
mogą na chwilę utworzyć nową cząstkę,

która istnieje przez ułamki sekund,
a zaraz potem rozpada się na inne cząstki,

które uderzają w nasz detektor.

Wyobraźcie sobie kolizję drogową:
w momencie zderzenia auta znikają,

a zamiast nich zjawia się rower,

(Śmiech)

który zaraz potem eksploduje
i rozpada się na dwie deskorolki,

uderzające w nasz detektor.

(Śmiech)

Nie dosłownie, mam nadzieję;
nasze detektory są bardzo drogie.

Przypadki, kiedy tylko dwa fotony
uderzają w detektor są bardzo rzadkie.

Ze względu na specjalne
własności kwantowe fotonów

istnieje bardzo niewiele
hipotetycznych cząstek,

- tych mitycznych rowerów -

które mogą zrodzić tylko dwa fotony.

Jedna z opcji ma kolosalne znaczenie

i związek z tymi odwiecznymi pytaniami,
które nie dają mi spokoju od dzieciństwa,

z pytaniami o naturę grawitacji.

Siła grawitacji może się wam wydawać duża,

ale tak naprawdę jest szalenie słaba
w porównaniu z innymi siłami natury.

Mogę chwilowo pokonać
grawitację jednym skokiem,

ale nie mogę wyjąć protonu z własnej ręki.

Jaka jest siła grawitacji
w porównaniu z innymi siłami natury?

10 do minus 39.

To jest ułamek dziesiętny z 39 zerami.

Co gorsza, wszystkie pozostałe siły
idealnie opisuje Model Standardowy,

nasz obowiązujący, najdokładniejszy
opis świata w najmniejszej skali,

stanowiący jedno z największych
osiągnięć gatunku ludzkiego,

z wyjątkiem grawitacji,
którą Model Standardowy pomija.

To jakiś obłęd!

To prawie tak,
jakby większość grawitacji zaginęła.

Czujemy jej niewielką część,
ale gdzie jest reszta?

Nie wiadomo.

Jedno z teoretycznych wyjaśnień
stawia kuriozalną hipotezę.

Wy i ja,

nawet ty, tam, z tyłu,

żyjemy w przestrzeni trójwymiarowej.

Mam nadzieję, że to zdanie
nie budzi kontrowersji.

(Śmiech)

Wszystkie znane nam cząstki
również żyją w przestrzeni trójwymiarowej.

"Cząstka" to tak właściwie inna nazwa
pobudzenia w polu trójwymiarowym,

miejscowego kołysania w przestrzeni.

Co ważniejsze, cała matematyka,
której używamy do opisu tych zjawisk,

zakłada, że istnieją tylko
trzy wymiary przestrzeni.

Ale matma to matma,
można się nią dowolnie bawić.

Ludzie od wieków eksperymentują
z dodatkowymi wymiarami,

ale to zawsze były
abstrakcyjne matematyczne idee.

Spójrzcie dookoła,
ty z tyłu - rozejrzyj się,

naturalnie istnieją tylko trzy wymiary.

A co jeśli to nieprawda?

Co, jeśli brakująca grawitacja
wycieka do innego wymiaru,

który jest dla nas niewidoczny?

Co, jeśli siła grawitacji jest
równa innym siłom przyrody,

jeśli spojrzeć na nią
w tym dodatkowym wymiarze,

a to, czego doświadczamy tutaj,
to tylko jej niewielki kawałek

i dlatego wydaje się taka słaba?

Jeśli to prawda, trzeba by rozszerzyć
Model Standardowy o nową cząstkę,

hiperwymiarową cząstkę grawitacji,
grawiton żyjący w dodatkowym wymiarze.

Widzę wasze zdumione spojrzenia.

Powinniście zapytać:

"Jak, u licha, mamy zweryfikować
ten szalony pomysł rodem z sci-fi

skoro tkwimy
w przestrzeni trójwymiarowej?".

Tak jak zawsze:
zderzając ze sobą dwa protony,

(Śmiech)

z taką siłą, żeby zderzenie rozniosło się
w ten domniemany dodatkowy wymiar,

tworząc hiperwymiarowy grawiton,

który momentalnie wróciłby
do trzech wymiarów LHC

i rozpadł się na dwa fotony,

dwie cząstki światła.

Ten hipotetyczny, hiperwymiarowy grawiton

jest jedyną nową hipotetyczną cząstką
o takich własnościach kwantowych,

która mogłaby zrodzić nasz
mały, dwu-fotonowy garbek.

Zatem możliwość wyjaśnienia
tajemnic grawitacji

i odkrycie dodatkowych
wymiarów przestrzeni...

Być może już rozumiecie,

dlaczego tysiące maniaków fizyki

potraciło naraz głowy
dla dwu-fotonowego garbka.

Odkrycie tego rodzaju zmuszałoby
do pisania od nowa podręczników.

Ale pamiętajcie, że my,
fizycy eksperymentalni,

którzy prowadzili te badania,
mówiliśmy jasno: "Potrzeba więcej danych".

Większa ilość danych przekształciłaby
garbek albo w nowiuteńką Nagrodę Nobla,

(Śmiech)

albo wypełniła przestrzeń
i przekształciła go w gładką linię.

Zebraliśmy pięć razy więcej danych
i po kilku miesiącach garbek...

stał się gładką linią.

Media donosiły o "wielkim rozczarowaniu",
"zawiedzionych nadziejach"

i "smutnych fizykach cząstek".

Z tonu tych doniesień
można by wywnioskować,

że zamknęliśmy LHC
i poszliśmy do domu.

(Śmiech)

Ale nie zrobiliśmy tego.

Ale dlaczego nie?

Jeśli nie odkryłem nowej cząstki,
a przecież nie odkryłem,

skoro nie odkryłem nowej cząstki,
dlaczego dzisiaj do was mówię?

Dlaczego nie spuściłem ze wstydem głowy
i nie poszedłem do domu?

Fizycy cząstek są odkrywcami.

Dużą część naszej pracy
stanowi kartografia.

Albo inaczej, zapomnijcie na chwilę o LHC.

Wyobraźcie sobie, że jako kosmonauci

docieracie na odległą planetę
w poszukiwaniu obcych.

Jakie jest wasze pierwsze zadanie?

Szybko okrążyć planetę,
wylądować, pobieżnie się rozejrzeć,

szukając oczywistych śladów życia,
i przesłać wstępny raport do bazy.

Na takim właśnie etapie jesteśmy.

Rzuciliśmy pierwsze spojrzenie na LHC,

szukając nowych, dużych,
łatwych do spostrzeżenia cząstek,

i możemy zaraportować, że takich nie ma.

Zobaczyliśmy dziwny,
obcy garbek na odległej górze,

ale z bliska okazało się, że to kamień,

I co teraz robimy?
Poddajemy się i wracamy do domu?

Kategorycznie nie.

Tak robią koszmarni naukowcy.

Teraz spędzamy kilka kolejnych
dziesięcioleci na badaniach,

oznaczając terytorium,

przeszukując piasek z pomocą
specjalistycznego sprzętu,

zerkając pod każdy kamień,
wiercąc pod powierzchnią.

Nowe cząstki mogą pojawić się natychmiast
jako duże i łatwe do zauważenia garby

lub ujawnić swoją obecność
po latach gromadzenia danych.

Ludzkość dopiero zaczęła poszukiwania
na tak dużych energiach

i mamy mnóstwo badań do przeprowadzenia.

Ale co, jeśli nawet po 10-20 latach
nie znajdziemy nowych cząstek?

Zbudujemy większy sprzęt.

(Śmiech)

Będziemy szukać na wyższych energiach.

Planuje się budowę tunelu
o długości 100 km, który umożliwi

zderzanie cząstek z energią
10 razy większą niż LHC.

Nie mamy wpływu na to,
gdzie natura umieszcza cząstki,

mamy wpływ tylko
na kontynuowanie poszukiwań.

A co, jeśli 100-kilometrowy tunel,
albo 500-kilometrowy,

albo 10 000-kilometrowy zderzacz
unoszący się między Ziemią a Księżycem

nie doprowadzi do odkrycia nowych cząstek?

Wówczas być może okaże się,
że źle uprawiamy fizykę.

(Śmiech)

Być może trzeba wszystko
jeszcze raz przemyśleć.

Być może potrzeba więcej środków,
technologii, ekspertyz niż te, które mamy.

Częściowo korzystamy już

ze sztucznej inteligencji
i samouczenia maszyn w LHC,

ale wyobraźcie sobie eksperyment
z użyciem tak złożonego algorytmu,

że mógłby sam uczyć się szukać
hiperwymiarowego grawitonu.

Ostateczne pytanie:

co, jeśli sztuczna inteligencja nie pomoże
odpowiedzieć na te pytania?

Co, jeśli te otwarte od wieków pytania

są skazane na brak odpowiedzi
w najbliższej przyszłości?

Co, jeśli pytania,

które nie dają mi spokoju od dzieciństwa,

nie znajdą odpowiedzi za mojego życia?

Wówczas to wszystko...

... okaże się tym bardziej fascynujące.

Zmusi nas do myślenia
w zupełnie inny sposób.

Będziemy musieli zrewidować założenia

i zastanowić się, czy gdzieś nie ma błędu.

Będziemy musieli zachęcić więcej osób
do studiowania nauk ścisłych,

bo będzie potrzebne świeże spojrzenie
na odwieczne problemy.

Ja nie znam odpowiedzi i wciąż ich szukam.

Ale być może ktoś,
kto jeszcze chodzi do szkoły

albo jeszcze się nawet nie urodził,

mógłby nas kiedyś poprowadzić
w kierunki innego spojrzenia na fizykę,

i zwrócić uwagę, że być może
zadajemy niewłaściwe pytania.

To nie byłby koniec fizyki,

tylko jej obiecujący początek.

Dziękuję.

(Brawa)