Cum explorăm mistere neelucidate din fizică

James Beacham caută răspunsuri la cele mai importante întrebări din fizică folosind cel mai mare experiment științific montat vreodată, Large Hadron Collider al CERN. În acest discurs distractiv și accesibil despre cum funcționează știința, Beacham ne duce într-o călătorie prin dimensiuni extra-spațiale, în căutarea unor particule fundamentale nedescoperite (și a unei explicații pentru misterele gravitației) și detaliază tendința de a continua explorările.

Există ceva în fizică

care mă preocupă de când eram copil.

Și este legat de o întrebare

pe care oamenii de știință și-o pun
de aproape 100 de ani,

dar fără răspuns.

Cum se face că cele mai mici corpuri
din natură,

particulele lumii cuantice,

se potrivesc cu cele mai mari
obiecte din natură:

planete, stele și galaxii
ținute laolaltă de forța gravitațională?

Copil fiind, cugetam exact
la întrebări de genul acesta.

Mă jucam cu microscoape și electromagneți

și citeam despre forțele corpurilor mici

și despre mecanică cuantică

și mă minunam la cât de bine
se potrivea acea descriere

cu observațiile noastre.

Apoi mă uitam la stele

și citeam despre cât de bine
înțelegem gravitația

și eram sigur că trebuie să existe
un fel elegant

în care aceste două sisteme se potrivesc.

Dar nu există.

Și cărțile ar spune,

da, separat înțelegem mult
despre aceste două lumi,

dar când încercăm să le legăm matematic,

nimic nu mai merge.

Și pentru 100 de ani,

niciuna din ideile noastre despre cum
să rezolvăm acest dezastru al fizicii

nu a fost susținută de dovezi.

Pentru mine ca și copil

– micuțul, curiosul, scepticul James --

ăsta era un răspuns
extrem de nesatisfăcător.

Încă sunt un copil sceptic.

Să sărim acum la decembrie 2015,

cănd m-am trezit în mijlocul
lumii fizicii fiind dată peste cap.

Totul a început când noi cei de la CERN
am văzut ceva ciudat în date:

un semn al unei noi particule,

o bănuială a unui răspuns posibil
extraordinar la această întrebare.

Cred că încă sunt un copil sceptic,

dar acum sunt și un vânător de particule.

Sunt fizician
la Large Hadron Collider al CERN,

cel mai mare experiment științific
montat vreodată.

E un tunel de 27 de km
la granița dintre Franța și Elveția

la 100 de metri adâncime.

În acest tunel

folosim magneți superconductori
mai reci decât spațiul cosmic

pentru a accelera protoni
până aproape de viteza luminii

și a-i izbi unul de altul
de milioane de ori per secundă,

colectând detritul acestor coliziuni

pentru a căuta noi particule fundamentale,
nedescoperite.

Design-ul și construcția au costat
decenii de muncă

a mii de fizicieni din toată lumea,

iar în vara anului 2015,

am lucrat neobosiți pentru a porni LHC-ul

la cea mai mare energie pe care oamenii
au folosit-o vreodată într-un experiment.

Energia mai mare este importantă,

fiindcă la particule există o echivalență
între energia și masa particulei,

și masa e doar un număr pus acolo
de către natură.

Pentru a descoperi particule noi

trebuie să ajungem
la aceste numere mari.

Pentru asta, trebuie să construim

un accelerator cu energie mai mare,

iar cel mai mare și mai puternic din lume

este Large Hadron Collider.

Apoi, ciocnim protoni între ei
de milioane de ori,

și colectăm aceste date
foarte încet, luni de zile.

Astfel noi particule ar putea apărea
în datele noastre ca umflături,

ușoare deviații de la ce ne așteptăm,

mici adunături de puncte care fac o linie
să nu fie chiar așa dreaptă.

De exemplu, această proeminență,

după luni de adunat date în 2012,

a dus la descoperirea particulei Higgs

– bosonul Higgs –

și la un premiu Nobel
pentru confirmarea existenței lui.

Această creștere în energie în 2015

a reprezentat cea mai mare șansă
din istoria speciei noastre

de a descoperi noi particule,

noi răspunsuri la aceste întrebări vechi,

fiindcă era energie aproape dublă
față de cât folosisem

când am descoperit bosonul Higgs.

Mulți dintre colegii mei lucraseră
întreaga carieră pentru acest moment

și sincer, pentru curiosul de mine,

acesta a fost momentul
pe care îl așteptasem întreaga viață.

Deci 2015 a fost momentul așteptat.

În iunie 2015,

LHC-ul este pornit la loc.

Eu și colegii mei ne țineam respirația
și ne rodeam unghiile

și apoi am văzut
primele coliziuni între protoni

la cea mai mare energie de până atunci.

Aplauze, șampanie, sărbătoare.

Aceasta a fost o realizare pentru știință,

și habar n-aveam ce urma să descoperim
în aceste date noi.

Câteva săptămâni mai târziu
am găsit o umflătură.

Nu era una foarte mare,

dar era suficient de mare
cât să te intrige.

Dar pe o scară de la 1 la 10,

dacă 10 înseamnă că ai descoperit
o particulă nouă,

ăsta ar fi un 4.

(Râsete)

Am petrecut ore, zile, săptămâni
în întâlniri secrete,

în dezbateri cu colegii
asupra acestei umflături,

probând-o cu cele mai nemiloase
instrumente ale noastre

ca să vedem dacă rezistă cercetărilor.

Dar chiar după luni de muncă asiduă,

dormind în birouri, fără să mergem acasă,

dulciuri la cină,

cafea cu găleata...

Fizicienii sunt mașinării de transformare
a cafelei în diagrame.

(Râsete)

Această mică umflătură era tot acolo.

Deci, după câteva luni,

am prezentat-o lumii
cu un mesaj foarte clar:

umflătura asta e foarte interesantă
dar nu e definitivă,

așa că să fim atenți la ea
cât timp mai adunăm informații.

Încercam să fim foarte calmi
în legătură cu ea.

Și lumea i-a acordat atenție oricum.

Știrile au iubit-o.

Oamenii au spus că le amintea
de mica umflătură

care a fost arătată pe calea
spre descoperirea bosonului Higgs.

Mai mult de atât,
colegii mei teoreticieni

– îmi iubesc colegii teoreticieni –

ei au scris 500 de documente despre ea.

(Râsete)

Lumea fizicii particulelor
a fost întoarsă pe dos.

Dar ce era cu această protuberanță

care făcea mii de fizicieni
să-și piardă calmul?

Această mică umflătură era unică.

Ea indica

că vedeam un număr
neașteptat de mare de coliziuni

al căror detrit
consta în doar doi fotoni,

două particule de lumină.

Și acest lucru e rar.

Ciocnirile particulelor
nu sunt ca cele ale mașinilor.

Au reguli diferite.

Când două particule se ciocnesc
aproape la viteza luminii,

lumea cuantică domină.

Și în lumea cuantică,

aceste două particule
pot crea o nouă particulă

care trăiește pentru o mică
fracțiune de secundă

înainte să se desfacă în altele
care lovesc detectorul.

Imaginați-vă o coliziune

între mașini,
în care mașinile dispar după impact,

o bicicletă apare în locul lor...

(Râsete)

Și apoi bicicleta explodează
în două skateboard-uri

care lovesc detectorul.

(Râsete)

Nu la propriu, sper.

Sunt foarte costisitoare.

Evenimentele în care doar doi fotoni
lovesc detectorul sunt foarte rare.

Și datorită proprietăților cuantice
speciale ale fotonilor,

există un număr foarte mic
de noi particule posibile

– aceste biciclete mitice –

care pot da naștere la doar doi fotoni.

Dar una dintre aceste opțiuni este imensă

și are de a face cu acea întrebare

care mă nedumerea când eram copil,

despre gravitație.

Gravitația poate părea foarte puternică,

dar de fapt este extrem de slabă
comparativ cu alte forțe ale naturii.

Pot învinge ușor gravitația când sar,

dar nu pot să îmi iau un proton din mână.

Puterea gravitației comparată
cu celelalte forțe ale naturii?

Este 10 la puterea minus 39.

Adică o zecimală cu 39 de zero după ea.

Mai mult de atât,

toate celelalte forțe cunoscute
ale naturii sunt descrise precis

de acest lucru numit Modelul Standard

care e cea mai bună descriere actuală
a naturii la cele mai mici scări,

și sincer,

una dintre cele mai de succes realizări
ale rasei umane.

Cu excepția gravitației,
care lipsește din Modelul Standard.

E o nebunie.

E ca și când cea mai mare parte
a gravitației a dispărut.

Simțim puțin din ea,

dar unde e restul?

Nimeni nu știe.

Dar o explicație teoretică
propune o soluție nebunească.

Voi și cu mine,

chiar și voi cei din spate,

toți trăim
în trei dimensiuni ale spațiului.

Sper că afirmația asta nu vă contrariază.

(Râsete)

Toate particulele cunoscute trăiesc
în trei dimensiuni spațiale.

De fapt, o particulă este doar un alt nume

pentru o excitație
într-un câmp tri-dimensional;

un tremur localizat în spațiu.

Mai important, toată matematica
pe care o folosim pentru a descrie asta

presupune că există
doar trei dimensiuni ale spațiului.

Dar matematica e matematică
și ne putem juca cu ea cum vrem.

Și oamenii se joacă de mult timp,
cu dimensiuni în plus ale spațiului

dar a fost mereu
un concept matematic abstract.

Uitați-vă în jur
– voi din spate, priviți –

e clar că există doar trei dimensiuni.

Dar dacă nu e adevărat?

Dacă gravitația care lipsește se scurge
într-o dimensiune extra-spațială

care e invizibilă pentru noi?

Dacă gravitația e la fel de puternică
ca și celelalte forțe

dacă ar fi să o privim în această
dimensiune extra-spațială,

și ce simțim noi
e o parte mică a gravitației

care o face să pară foarte slabă?

Dacă ar fi adevărat,

ar trebui să extindem
Modelul Standard al particulelor

ca să includem una nouă, o particulă
hiperdimensională a gravitației,

un graviton special care trăiește
în dimensiuni extra-spațiale.

Vă văd expresiile.

Ar trebui să mă întrebați:

„Cum să testăm ideea asta
științifico-fantastică,

fiind blocați în trei dimensiuni?"

Așa cum facem mereu:

prin ciocnirea a doi protoni

(Râsete)

suficient de tare,
încât coliziunea să reverbereze

în ce dimensiuni ar mai putea exista,

producând pe moment
acest graviton hiperdimensional

care apoi revine
la cele trei dimensiuni ale LHC-ului

și scuipă doi fotoni,

două particule de lumină.

Și acest graviton ipotetic

este una din singurele noi particule
ipotetice posibile

care are proprietățile cuantice

care ar putea da naștere la mica noastră
umflătură de doi fotoni.

Deci, posibilitatea de a explica
misterele gravitației

și de a descoperi noi dimensiuni --

poate că acum înțelegeți

de ce mii de tocilari fizicieni
și-au pierdut calmul

pentru doi fotoni.

O descoperire de genul ăsta
ar rescrie manualele.

Dar nu uitați,

mesajul experimentaliștilor

care făceam asta la momentul respectiv,
a fost foarte clar:

ne mai trebuie date.

Cu mai multe informații,

umflătura fie se va transforma
într-un Premiu Nobel,

(Râsete)

sau informațiile noi
vor umple spațiul din jurul umflăturii,

transformând-o într-o linie dreaptă.

Așa că am mai adunat date

și cu de 5 ori mai multe,
câteva luni mai târziu,

mica umflătură

s-a transformat într-o linie dreaptă.

Știrile vorbeau despre
„dezamăgire uriașă", „speranțe pierdute"

și despre fizicienii triști.

Dat fiind tonul cu care se vorbea,

ați crede că am decis să închidem LHC-ul
și să mergem acasă.

(Râsete)

Dar nu asta am făcut.

Dar de ce nu?

Adică, dacă nu am găsit o particulă
– și nu am găsit-o –

atunci, de ce vă vorbesc acum, aici?

De ce nu mi-am plecat capul de rușine
și nu am plecat acasă?

Fizicienii de particule sunt exploratori.

Mare parte din ce facem e cartografie.

Să o spun altfel: uitați de LHC un moment.

Imaginați-vă că sunteți
explorator spațial,

ajuns pe o planetă îndepărtată,
căutând extratereștri.

Care e prima sarcină?

Să orbitezi planeta imediat,
să aterizezi,

să te uiți în jur
după semne evidente de viață

și să raportezi la bază.

La acest stadiu suntem acum.

Am aruncat o primă privire la LHC

pentru particule noi mari,
ușor de observat,

și putem raporta că nu există niciuna.

Am văzut o umflătură ciudată
pe un munte distant,

dar când ne-am apropiat

am văzut că era o piatră.

Dar ce facem atunci?
Renunțăm și plecăm?

Bineînțeles că nu,

am fi niște oameni de știință groaznici.

Nu, vom petrece următoarele
două decenii explorând,

cercetând teritoriul,

cernind nisipul cu un instrument fin,

uitându-ne sub fiecare piatră,

forând dedesubt.

Noi particule ar putea
să apară fie imediat

ca și proeminențe ușor de observat,

sau ar putea să se arate
după ani de cercetări.

Umanitatea abia și-a început explorarea
la LHC cu energia asta mare

și avem mult de cercetat.

Dar dacă chiar și după 10, 20 de ani
tot nu găsim nicio nouă particulă?

Construim o mașinărie mai mare.

(Râsete)

Căutăm la energii mai mari.

Căutăm la energii mai mari.

Deja se fac planuri pentru un tunel
de 100 de kilometri

care va ciocni particulele
cu o energie de 10 ori mai mare.

Noi nu decidem unde plasează natura
noi particule.

Noi decidem doar să continuăm explorarea.

Dar dacă chiar și după ce
un tunel de 100 de km

sau unul de 500 de km

sau unul de 10.000 de km,
plutind în spațiu între Pământ și Lună,

tot nu găsim particule?

Atunci poate că facem greșit
fizica particulelor.

(Râsete)

Poate că trebuie să regândim lucrurile.

Poate ne trebuie mai multe resurse,
tehnologie, expertiză

decât avem acum.

Deja folosim inteligența artificială

și învățarea automatizată

în părți ale LHC-ului,

dar imaginați-vă proiectarea
unui experiment

folosind astfel de algoritmi

încât să se poată învăța singur
cum să descopere un graviton.

Dar dacă...

Întrebarea supremă:

Dacă nici inteligența artificială
nu ne poate ajuta să aflăm răspunsul?

Dacă aceste întrebări deschise de secole
nu au răspuns în viitorul previzibil?

Dacă lucrurile care mă nedumeresc
de când eram copil

sunt destinate a fi fără răspuns
cât timp voi trăi?

Atunci...

va fi chiar mai fascinant.

Vom fi forțați să gândim
în moduri complet noi.

Va trebui să ne întoarcem la presupuneri

și să vedem dacă e o greșeală undeva.

Va trebui să încurajăm oamenii
să ni se alăture în studierea științei

fiindcă e nevoie de noi perspective
asupra acestor probleme seculare.

Eu nu am răspunsurile
și încă le mai caut.

Dar cineva – poate e la școală acum,

poate nici nu s-a născut încă –

ar putea să ne facă să vedem fizica
într-un fel complet nou

și să ne arate că poate
ne punem întrebările greșite.

Asta nu ar fi sfârșitul fizicii,

ci un nou început.

Vă mulțumesc.

(Aplauze)