Prihodnost pripada tistim, ki se nanjo pripravijo, kar predobro vedo znanstveniki, ki zaprosijo za financiranje raziskav zvezne agencije, kot sta NASA in Ministrstvo za energijo. Dragoceni instrumenti, kot so vesoljski teleskopi ali pospeševalci delcev, lahko stanejo do 10 milijard dolarjev.

In tako je pretekli junij fizikalna skupnost začela razmišljati, kaj želi narediti naslednje in zakaj.

To je mandat odbora, ki ga imenuje Nacionalna akademija znanosti Fizika osnovnih delcev: napredek in obeti, Dva ugledna znanstvenika, ki si delita stolček, sta: Maria Spiropoulou, profesorica fizike Shang-Yi Chen na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, in kozmolog Michael Turner, zaslužni profesor na Univerzi v Chicagu, nekdanji pomočnik direktorja Nacionalne znanstvene fundacije in nekdanji predsednik Ameriškega fizikalnega društva.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bil dr. Turner med znanstveniki, ki so začeli uporabljati orodja fizike delcev za preučevanje vesolja, da bi spoznali Veliki pok in razvoj vesolja ter fiziko delcev. Dr. Spiropoulou, rojen v Grčiji, je bil leta 2012 v ekipi, ki je v Evropski organizaciji za jedrske raziskave, bolj znani kot CERN, odkrila dolgo pričakovani Higgsov bozon; on zdaj Uporablja kvantne računalnike za raziskovanje lastnosti črvinih lukenj, Poročilo odbora naj bi bilo objavljeno junija 2024.

Pred kratkim je The Times intervjuval dva znanstvenika, da bi razpravljali o napredku skupine, frustracijah zadnjih 20 let in prihodnjih izzivih. Pogovor je bil urejen zaradi jasnosti in jedrnatosti.

Zakaj zdaj ustanovitev tega odbora?

strugar: Mislim, da stvari v fiziki delcev še nikoli niso bile bolj razburljive v smislu priložnosti za razumevanje prostora in časa, materije in energije ter osnovnih delcev – če sploh so delci. Če vprašate fizika delcev, kam gre polje, boste dobili veliko različnih odgovorov.

Toda kaj je velika vizija? Kaj je tako razburljivega na tem področju? Leta 1980 sem bil zelo navdušen nad idejo o veliki združitvi, zdaj pa je videti majhna v primerjavi z možnostmi, ki so pred nami.

Sklicujete se na Velike poenotene teorije ali GUT, za katere so mislili, da so način za uresničitev Einsteinovih sanj o eni sami enačbi, ki vsebuje vse sile narave. Kje smo pri integraciji?

strugar: Kolikor vemo, so kvarki in leptoni osnovni gradniki snovi; Pravila, ki jih urejajo, opisuje kvantna teorija polja, imenovana standardni model. Poleg gradnikov so še nosilci sile – fotoni elektromagnetne sile; osem gluonov močne barvne sile; Bozona W in Z, šibko jedrsko silo in Higgsov bozon, ki pojasnjujejo, zakaj imajo nekateri delci maso. Odkritje Higgsovega bozona je dopolnilo standardni model.

Toda iskanje temeljnih pravil še ni končano. Zakaj dve različni vrsti gradnikov? Zakaj toliko “elementarnih” delcev? Zakaj štiri sile? Kako se temna snov, temna energija, gravitacija in prostor-čas ujemajo skupaj? Naloga fizike osnovnih delcev je odgovoriti na ta vprašanja.

spiropulu: Krivulja je v tem, da ne razumemo mase Higgsa, ki je približno 125-krat večja od mase atoma vodika.

Ko smo odkrili Higgsa, smo sprva pričakovali, da bomo odkrili te nove supersimetrične delce, ker so bile mase, ki smo jih izmerili, nestabilne brez njihove prisotnosti, vendar jih še nismo našli. (Če se Higgsovo polje zruši, bi lahko odšli v drugo vesolje – in to se zagotovo še ni zgodilo.)

Malo mečka; Že 20 let lovim supersimetrične delce. Torej smo kot jelen v soju žarometov: nismo našli supersimetrije, nismo našli temne snovi kot delca.

strugar: Povezovanje sil je le del tega, kar se dogaja. Toda to je dolgočasno v primerjavi z velikimi vprašanji prostora in časa. Razprava o tem, kaj sta prostor in čas in od kod sta prišla, je zdaj na področju fizike delcev.

Z vidika kozmologije je Veliki pok izvor prostora in časa, vsaj z vidika Einsteinove splošne teorije relativnosti. Izvor vesolja, prostor in čas so torej povezani. In ali je konec vesolja? Ali obstaja multiverzum? Koliko krajev in časov je tam? Ali je to vprašanje sploh smiselno?

spiropulu: No, zame integracija ni dolgočasna. samo pravim.

strugar: Mislil sem razmeroma dolgočasno. Še vedno je zelo zanimivo!

spiropulu: Najmočnejši pokazatelj enotnosti narave prihaja iz fizike delcev. Pri dovolj visokih energijah se zdi, da so temeljne sile – gravitacija, elektromagnetizem ter močne in šibke jedrske sile – enake.

Toda v naših pospeševalnikih delcev še nismo dosegli božjega obsega. Zato bi morda morali preoblikovati vprašanje. Po mojem mnenju končni zakon ostaja stalna uganka in edini način, da ga bomo rešili, je z novim razmišljanjem.

strugar: Všeč mi je, kar pravi Maria. Zdi se, kot da imamo vse koščke sestavljanke na mizi; Zdi se, da so štiri različne sile, ki jih vidimo, različni vidiki enotne sile. Toda to morda ni pravi način za oblikovanje vprašanja.

To je značilnost velike znanosti: postavite vprašanje in pogosto se izkaže, da je napačno vprašanje, vendar morate postaviti vprašanje, da ugotovite, da je napačno. Če je, prosite za novega.

Teorija strun – anglizirana »teorija vsega« – opisuje osnovne delce in sile v naravi kot vibrirajoče strune energije. Je na našem obzorju upanje za boljše razumevanje? Ta domnevna togost se pojavi pri energijah, ki so milijonkrat višje od tistih, ki bi si jih lahko predstavljal kateri koli pospeševalnik delcev. Nekateri znanstveniki kritizirajo teorijo strun, ker je zunaj znanosti.

spiropulu: Tega ni mogoče preizkusiti.

strugar: Je pa močno matematično orodje. In če pogledate napredek znanosti v zadnjih 2500 letih, od Miležanov, ki so začeli brez matematike, do danes, je bila matematika glavna točka. Geometrija, algebra, Newton in račun ter Einstein in ne-Riemannova geometrija.

spiropulu: Jaz bi bil bolj drzen in rekel, da je teorija strun okvir, tako kot drugi okviri, ki smo jih odkrili, znotraj katerega poskušamo razložiti fizični svet. Standardni model je ogrodje – in v obsegih energij, ki jih lahko testiramo, se je ogrodje izkazalo za uporabnega.

strugar: To lahko rečemo tudi tako, da imamo nove besede in jezik za opis narave. Matematika je jezik znanosti in bogatejši kot je naš jezik, bolj popolno lahko opišemo naravo. Morali bomo počakati in videti, kaj bo prišlo iz teorije strun, vendar mislim, da bo veliko.

Ena od številnih značilnosti teorije strun je, da se zdi, da imajo enačbe 10⁵⁰⁰ rešitev – ki opisujejo 10⁵⁰⁰ različnih možnih vesolj ali celo več. Ali živimo v multiverzumu?

strugar: Mislim, da se moramo s tem soočiti, čeprav se sliši noro. In multiverzum me boli glava; Ni ga mogoče preizkusiti, vsaj še ne, to ni znanost. Morda pa je to najpomembnejša ideja našega časa. To je ena od stvari na mizi. Glavobol ali ne, s tem se moramo soočiti. mora iti gor ali ven; Ali je del znanosti ali pa ni del znanosti.

Zakaj velja za zmago, da standardni model kozmologije ne pojasni, iz česa je sestavljenega 95 odstotkov vesolja? Le 5 odstotkov je jedrskega materiala, kot so zvezde in ljudje; 25 odstotkov je neka druga “temna snov”, približno 70 odstotkov pa je nekaj še bolj čudnega – Mike to imenuje “temna energija” – kar povzroča hitro širjenje vesolja.

strugar: To je velik uspeh, ja. Poimenovali smo vse glavne komponente.

Ampak ne veš, kaj jih je večina.

spiropulu: Ko sežemo pregloboko, se ustavimo. In na neki točki moramo spremeniti prestavo – spremeniti vprašanje ali metodologijo. Na koncu dneva razumevanje fizike vesolja ni sprehod po parku. Več vprašanj ostane neodgovorjenih, kot je odgovorjenih.

Če je integracija napačno vprašanje, kaj je pravo?

strugar: Mislim, da ne morete govoriti o prostoru, času, materiji, energiji in osnovnih delcih, ne da bi govorili o zgodovini vesolja.

Veliki pok je videti kot izvor prostora in časa, zato se lahko vprašamo, kaj pravzaprav sta prostor in čas? Einstein nam je pokazal, da niso edina mesta, kjer se stvari dogajajo, kot je rekel Newton. So dinamični: prostor se lahko upogne in čas se lahko zvije. Zdaj pa smo pripravljeni odgovoriti na vprašanje: od kod so prišli?

Smo bitja časa, zato mislimo, da je vesolje povezano s časom. In to je morda napačen pogled na vesolje.

Upoštevati moramo, kar ste rekli prej. Mnoga orodja v fiziki delcev se razvijajo zelo dolgo in so zelo draga. Te naložbe se vedno izplačajo, pogosto z velikimi presenečenji, ki spremenijo potek znanosti.

In to naredi napredek izziv. Vendar sem glede fizike delcev optimističen, ker priložnosti še nikoli niso bile večje in je to področje že leta na samem vrhu znanosti. Fizika delcev je izumila velike globalne znanosti ter nacionalne in zdaj globalne objekte. Če je zgodovina vodilo, jim nič ne more preprečiti odgovorov na velika vprašanja!

Vesoljski teleskop Jamesa Webba so gradili tri desetletja.

Spiropulu: Vesolje – Bingo!

Turner: Mislim, v znanosti gre za velike sanje. Včasih so sanje izven vašega neposrednega dosega. Toda znanost je človeštvu omogočila velike stvari – cepiva proti covidu, veliki hadronski trkalnik, observatorij gravitacijskih valov z laserskim interferometrom, teleskop Webb – ki širijo našo vizijo in našo moč za oblikovanje naše prihodnosti. Ko danes počnemo te velike stvari, jih počnemo skupaj. Če bomo še naprej veliko sanjali in delali skupaj, bo pred nami še več neverjetnih stvari.