Încotro se îndreaptă fizica (și cât de curând vom ajunge acolo)?

Viitorul aparține celor care se pregătesc pentru el, așa cum știu prea bine oamenii de știință care se adresează agențiilor federale precum NASA și Departamentul de Energie pentru finanțarea cercetării. Prețul instrumentelor scumpe precum un telescop spațial sau un accelerator de particule poate ajunge la 10 miliarde de dolari.

Și astfel, în iunie anul trecut, comunitatea de fizică a început să se gândească la ce vor să facă în continuare și de ce.

Acesta este mandatul unei comisii numite de Academia Națională de Științe, numită Fizica particulelor elementare: progres și promisiune. Doi oameni de știință eminenți împart președinția: Maria Spiropulu, profesor de fizică Shang-Yi Ch’en la Institutul de Tehnologie din California, și cosmologul Michael Turner, profesor emerit la Universitatea din Chicago, fost director adjunct al Fundației Naționale pentru Știință și fost președinte al Societății Americane de Fizică.

În anii 1980, dr. Turner a fost printre oamenii de știință care au început să folosească instrumentele fizicii particulelor pentru a studia Big Bang-ul și evoluția universului, iar universul pentru a afla despre fizica particulelor. Dr. Spiropulu, născut în Grecia, a făcut parte în 2012 din echipa care a descoperit bosonul Higgs mult căutat la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară, cunoscută sub numele de CERN; ea acum folosește computere cuantice pentru a studia proprietățile găurilor de vierme. Raportul comisiei este de așteptat să fie publicat în iunie 2024.

Recent, The Times s-a adunat cu cei doi oameni de știință pentru a discuta despre progresul grupului, dezamăgirile din ultimii 20 de ani și provocările viitoare. Conversația a fost editată pentru claritate și concizie.

De ce convoacă această comisie acum?

Strungar: Simt că lucrurile nu au fost niciodată mai interesante în fizica particulelor, în ceea ce privește oportunitățile de a înțelege spațiul și timpul, materia și energia și particulele fundamentale – dacă sunt chiar particule. Dacă întrebi un fizician de particule unde se îndreaptă câmpul, vei primi o mulțime de răspunsuri diferite.

Dar care este marea viziune? Ce este atât de interesant în acest domeniu? Am fost atât de entuziasmat în 1980 de ideea unei mari unificări, iar acum pare puțin în comparație cu posibilitățile care vor veni.

Te referi la Marile Teorii Unificate, sau GUT, care au fost văzute ca o modalitate de a realiza visul lui Einstein de o singură ecuație care să cuprindă toate forțele naturii. Unde suntem cu unificarea?

Strungar: Din câte știm, elementele de bază ale materiei sunt quarcii și leptonii; regulile care le guvernează sunt descrise de teoria câmpului cuantic numită model standard. Pe lângă blocurile de construcție, există purtători de forță – fotonul, ai forței electromagnetice; opt gluoni, cu forță puternică de culoare; bosonii W și Z, de forță nucleară slabă, și bosonul Higgs, ceea ce explică de ce anumite particule au masă. Descoperirea bosonului Higgs a completat Modelul Standard.

Dar căutarea regulilor fundamentale nu sa încheiat. De ce două tipuri diferite de blocuri de construcție? De ce atâtea particule „elementare”? De ce patru forțe? Cum se potrivesc materia întunecată, energia întunecată, gravitația și spațiu-timp? Răspunsul la aceste întrebări este sarcina fizicii particulelor elementare.

Spiropulu: Curba este că nu înțelegem masa lui Higgs, care este de aproximativ 125 de ori masa unui atom de hidrogen.

Când am descoperit Higgs, primul lucru la care ne așteptam a fost să găsim aceste alte noi particule supersimetrice, deoarece masa pe care am măsurat-o era instabilă fără ele, dar nu le-am găsit încă. (Dacă câmpul Higgs s-a prăbușit, am putea fi clocotiți într-un alt univers – și, desigur, asta nu s-a întâmplat încă.)

A fost un pic copleșitor; De 20 de ani, vânez particule supersimetrice. Deci suntem ca cerbul în faruri: nu am găsit supersimetrie, nu am găsit materia întunecată sub formă de particule.

Strungar: Unificarea forțelor este doar o parte a ceea ce se întâmplă. Dar este plictisitor în comparație cu întrebările mai mari despre spațiu și timp. Discutarea despre ce sunt spațiul și timpul și de unde vin este acum în domeniul fizicii particulelor.

Din punctul de vedere al cosmologiei, Big Bang-ul este originea spațiului și a timpului, cel puțin din punctul de vedere al relativității generale a lui Einstein. Astfel, originea universului, spațiul și timpul sunt toate legate. Și universul are un sfârșit? Există un multivers? Câte spații și timpi sunt? Are sens această întrebare?

Spiropulu: Pentru mine, apropo, unificarea nu este plictisitoare. Doar spune.

Strungar: Am vrut să spun relativ plictisitor. Este întotdeauna foarte interesant!

Spiropulu: Cel mai puternic indiciu pe care îl avem despre unitatea naturii vine din fizica particulelor. La energii suficient de mari, forțele fundamentale – gravitația, electromagnetismul și forțele nucleare puternice și slabe – par să devină egale.

Dar nu am atins scara lui Dumnezeu în acceleratorii noștri de particule. Deci poate că întrebarea trebuie reîncadrată. În opinia mea, legea supremă rămâne un puzzle persistent și modul în care o rezolvăm va necesita o gândire nouă.

Strungar: Îmi place ce a spus Maria. Parcă am avea toate piesele puzzle-ului pe masă; se pare că cele patru forțe diferite pe care le vedem sunt doar fațete diferite ale unei forțe unificate. Dar poate că nu este modul corect de a formula întrebarea.

Este semnul unei mari științe: pui o întrebare și adesea se dovedește a fi o întrebare greșită, dar trebuie să pui o întrebare doar pentru a afla că este cea greșită. Dacă da, solicitați unul nou.

Teoria corzilor – lăudata „teorie a totul” – descrie particulele și forțele fundamentale ale naturii ca șiruri vibrante de energie. Există speranță la orizontul nostru să o înțelegem mai bine? Această presupusă rigiditate apare doar la energii de milioane de ori mai mari decât ar putea fi atinsă de orice accelerator de particule imaginat vreodată. Unii oameni de știință critică teoria corzilor ca fiind în afara științei.

Spiropulu: Acest lucru nu este testabil.

Strungar: Dar este un instrument matematic puternic. Și dacă te uiți la progresul științei în ultimii 2.500 de ani, de la milesieni, care au început fără matematică, până astăzi, matematica a fost forța motrice. Geometrie, algebră, Newton și calcul, Einstein și geometrie non-riemanniană.

Spiropulu: Aș fi mai îndrăzneț și aș spune că teoria corzilor este un cadru, ca și alte cadre pe care le-am descoperit, în care încercăm să explicăm lumea fizică. Modelul standard este un cadru – iar în intervalele de energii pe care le putem testa, cadrul s-a dovedit util.

Strungar: Un alt mod de a spune este că avem cuvinte noi și un limbaj nou pentru a descrie natura. Matematica este limbajul științei și, cu cât limbajul nostru devine mai bogat, cu atât putem descrie mai pe deplin natura. Va trebui să așteptăm și să vedem ce iese din Teoria Corzilor, dar cred că va fi uriaș.

Printre numeroasele caracteristici ale teoriei corzilor se numără și faptul că ecuațiile par să aibă 10⁵⁰⁰ soluții – descriind 10⁵⁰⁰ universuri posibile diferite sau chiar mai multe. Trăim într-un multivers?

Strungar: Cred că trebuie să trăiești cu asta, chiar dacă pare o nebunie. Și multiversul îmi dă bătăi de cap; nefiind testabil, cel puțin nu încă, nu este știință. Dar este poate cea mai importantă idee a timpului nostru. Este unul dintre lucrurile de pe masă. Dureri de cap sau nu, trebuie să faci față. El trebuie să urce sau să iasă; fie face parte din știință, fie nu face parte din știință.

De ce este considerat un triumf faptul că modelul standard al cosmologiei nu spune ce este 95% din univers? Doar 5% din ea este alcătuită din materie atomică precum stelele și oamenii; 25% este o altă „materie întunecată”, iar aproximativ 70% este ceva și mai ciudat – Mike a numit-o „energie întunecată” – care determină extinderea universului într-un ritm accelerat.

Strungar: Este un mare succes, da. Am denumit toate componentele principale.

Dar nu știi care sunt majoritatea.

Spiropulu: Ne blocăm când ajungem foarte adânc. Și la un moment dat trebuie să schimbăm treptele – să schimbăm întrebarea sau metodologia. În cele din urmă, înțelegerea fizicii universului nu este un picnic. Rămân mai multe întrebări fără răspuns decât răspunsuri.

Dacă unificarea este întrebarea greșită, care este cea corectă?

Strungar: Nu cred că putem vorbi despre spațiu, timp, materie, energie și particule elementare fără a vorbi despre istoria universului.

Big Bang-ul seamănă cu originea spațiului și a timpului, așa că ne putem întreba: ce este de fapt spațiul și timpul? Einstein ne-a arătat că nu sunt doar locul unde se întâmplă lucrurile, așa cum spunea Newton. Ele sunt dinamice: spațiul se poate îndoi și timpul se poate deforma. Dar acum suntem gata să răspundem la întrebarea: de unde vin?

Suntem creaturi ale timpului, așa că credem că universul este despre timp. Și poate că acesta este modul greșit de a vedea universul.

Trebuie să ținem cont de ceea ce ai spus mai devreme. Multe instrumente de fizică a particulelor necesită mult timp pentru a se dezvolta și sunt foarte scumpe. Aceste investiții dau întotdeauna roade, adesea cu surprize mari care schimbă cursul științei.

Și asta face progresul dificil. Dar sunt optimist în ceea ce privește fizica particulelor, deoarece oportunitățile nu au fost niciodată mai mari și domeniul a fost în fruntea științei de ani de zile. Fizica particulelor a inventat marea știință a lumii și facilitățile naționale și acum globale. Dacă istoria este un ghid, nimic nu îi va împiedica să răspundă la marile întrebări!

A fost nevoie de trei decenii pentru a construi telescopul spațial James Webb.

Spiropulu: Spațiu – bingo!

Strungar: Adică, știința înseamnă vise mari. Uneori, visele sunt dincolo de atingerea ta imediată. Dar știința a permis omenirii să facă lucruri grozave – vaccinurile Covid, Large Hadron Collider, Observatorul cu interferometru cu laser cu unde gravitaționale, Telescopul Webb – care ne extind viziunea și puterea de a ne modela viitorul. Când facem aceste lucruri grozave în aceste zile, le facem împreună. Dacă continuăm să visăm în mare și să lucrăm împreună, ne așteaptă și mai multe lucruri uimitoare.