Το μέλλον ανήκει σε αυτούς που προετοιμάζονται για αυτό, όπως γνωρίζουν πολύ καλά οι επιστήμονες που ζητούν από ομοσπονδιακούς οργανισμούς όπως η NASA και το Υπουργείο Ενέργειας για ερευνητικά κεφάλαια. Η τιμή των οργάνων μεγάλου εισιτηρίου, όπως ένα διαστημικό τηλεσκόπιο ή ένας επιταχυντής σωματιδίων, μπορεί να φτάσει τα 10 δισεκατομμύρια δολάρια.

Και έτσι τον περασμένο Ιούνιο η κοινότητα της φυσικής άρχισε να εξετάζει τι θέλει να κάνει στη συνέχεια και γιατί.

Αυτή είναι η εντολή μιας επιτροπής που διορίστηκε από την Εθνική Ακαδημία Επιστημών, που ονομάζεται Elementary Particle Physics: Progress and Promise. Την έδρα μοιράζονται δύο εξέχοντες επιστήμονες: η Maria Spiropulu, η οποία είναι Καθηγήτρια Φυσικής Shang-Yi Ch’en στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. και κοσμολόγος Michael Turner, ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, πρώην βοηθός διευθυντής του National Science Foundation και πρώην πρόεδρος της American Physical Society.

Στη δεκαετία του 1980, ο Turner ήταν μεταξύ των επιστημόνων που άρχισαν να χρησιμοποιούν τα εργαλεία της σωματιδιακής φυσικής για να μελετήσουν τη Μεγάλη Έκρηξη και την εξέλιξη του σύμπαντος και το σύμπαν για να μάθουν για τη σωματιδιακή φυσική. Ο Spiropulu, γεννημένος στην Ελλάδα, ήταν στην ομάδα το 2012 που ανακάλυψε το πολυπόθητο μποζόνιο Higgs στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικής Έρευνας, γνωστό ως CERN. Τώρα χρησιμοποιεί κβαντικούς υπολογιστές για να διερευνήσει τις ιδιότητες των σκουληκότρυπων. Η έκθεση της επιτροπής έχει προγραμματιστεί να δημοσιευτεί τον Ιούνιο του 2024.

Πρόσφατα, οι Times συναντήθηκαν με τους δύο επιστήμονες για να συζητήσουν την πρόοδο της ομάδας, τις απογοητεύσεις των τελευταίων 20 ετών και τις προκλήσεις που έρχονται. Η συζήτηση έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους σαφήνειας και συντομίας.

Ερ.: Γιατί να συγκληθεί αυτή η επιτροπή τώρα;

Turner: Αισθάνομαι ότι τα πράγματα δεν ήταν ποτέ πιο συναρπαστικά στη σωματιδιακή φυσική, όσον αφορά τις ευκαιρίες κατανόησης του χώρου και του χρόνου, της ύλης και της ενέργειας και των θεμελιωδών σωματιδίων – αν είναι ακόμη και σωματίδια. Αν ρωτούσατε έναν φυσικό σωματιδίων που πηγαίνει το πεδίο, θα λάβατε πολλές διαφορετικές απαντήσεις.

Ποιο είναι όμως το μεγάλο όραμα; Τι είναι τόσο συναρπαστικό σε αυτόν τον τομέα; Ήμουν τόσο ενθουσιασμένος το 1980 με την ιδέα της μεγάλης ενοποίησης, και αυτή τώρα φαίνεται μικρή σε σύγκριση με τις μελλοντικές δυνατότητες.

Ε: Αναφέρεστε στις Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες που θεωρήθηκαν ένας τρόπος για να επιτευχθεί το όνειρο του Αϊνστάιν για μια ενιαία εξίσωση που να περικλείει όλες τις δυνάμεις της φύσης. Πού βρισκόμαστε στην ενοποίηση;

Turner: Από όσο γνωρίζουμε, τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια. Οι κανόνες που τους διέπουν περιγράφονται από την κβαντική θεωρία πεδίου που ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο. Εκτός από τα δομικά στοιχεία, υπάρχουν φορείς δύναμης – το φωτόνιο, της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. οκτώ γκλουόνια, της ισχυρής χρωματικής δύναμης. τα μποζόνια W και Z, της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, και το μποζόνιο Higgs, που εξηγεί γιατί ορισμένα σωματίδια έχουν μάζα. Η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς ολοκλήρωσε το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Αλλά η αναζήτηση των θεμελιωδών κανόνων δεν έχει τελειώσει. Γιατί δύο διαφορετικά είδη δομικών στοιχείων; Γιατί τόσα πολλά «στοιχειώδη» σωματίδια; Γιατί τέσσερις δυνάμεις; Πώς ταιριάζουν η σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια, η βαρύτητα και ο χωροχρόνος; Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις είναι έργο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Spiropulu: Το curveball είναι ότι δεν καταλαβαίνουμε τη μάζα του Higgs, η οποία είναι περίπου 125 φορές η μάζα ενός ατόμου υδρογόνου.

Όταν ανακαλύψαμε το Higgs, το πρώτο πράγμα που περιμέναμε ήταν να βρούμε αυτά τα άλλα νέα υπερσυμμετρικά σωματίδια επειδή η μάζα που μετρήσαμε ήταν ασταθής χωρίς την παρουσία τους, αλλά δεν τα έχουμε βρει ακόμα. (Εάν το πεδίο Higgs κατέρρεε, θα μπορούσαμε να βγούμε σε ένα διαφορετικό σύμπαν – και φυσικά αυτό δεν έχει συμβεί ακόμα.)

Αυτό ήταν λίγο συντριπτικό. εδώ και 20 χρόνια κυνηγάω τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Έτσι είμαστε σαν τα ελάφια στους προβολείς: Δεν βρήκαμε υπερσυμμετρία. δεν βρήκαμε τη σκοτεινή ύλη ως σωματίδιο.

Turner: Η ενοποίηση των δυνάμεων είναι μόνο μέρος αυτού που συμβαίνει. Αλλά είναι βαρετό σε σύγκριση με τις μεγαλύτερες ερωτήσεις σχετικά με τον χώρο και τον χρόνο. Η συζήτηση για το τι είναι ο χώρος και ο χρόνος και από πού προήλθαν είναι τώρα στη σφαίρα της σωματιδιακής φυσικής.

Από την άποψη της κοσμολογίας, η Μεγάλη Έκρηξη είναι η προέλευση του χώρου και του χρόνου, τουλάχιστον από την άποψη της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Άρα η προέλευση του σύμπαντος, ο χώρος και ο χρόνος είναι όλα συνδεδεμένα. Και έχει τέλος το σύμπαν; Υπάρχει πολυσύμπαν; Πόσοι χώροι και χρόνοι υπάρχουν; Έχει νόημα αυτή η ερώτηση;

Spiropulu: Παρεμπιπτόντως, η ενοποίηση δεν είναι βαρετή. Απλά λέω.

Turner: Εννοούσα βαρετό σχετικά. Είναι ακόμα πολύ ενδιαφέρον!

Spiropulu: Ο ισχυρότερος υπαινιγμός που έχουμε για την ενότητα της φύσης προέρχεται από τη σωματιδιακή φυσική. Σε αρκετά υψηλές ενέργειες, οι θεμελιώδεις δυνάμεις – η βαρύτητα, ο ηλεκτρομαγνητισμός και οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις – φαίνεται να γίνονται ίσες.

Αλλά δεν έχουμε φτάσει στην κλίμακα του Θεού στους επιταχυντές σωματιδίων μας. Οπότε, ίσως πρέπει να επαναδιατυπώσουμε την ερώτηση. Κατά την άποψή μου, ο απόλυτος νόμος παραμένει ένας επίμονος γρίφος και ο τρόπος με τον οποίο θα τον λύσουμε θα είναι μέσω μιας νέας σκέψης.

Turner: Μου αρέσει αυτό που λέει η Μαρία. Είναι σαν να έχουμε όλα τα κομμάτια του παζλ στο τραπέζι. φαίνεται ότι οι τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις που βλέπουμε είναι απλώς διαφορετικές όψεις μιας ενοποιημένης δύναμης. Αλλά αυτός μπορεί να μην είναι ο σωστός τρόπος διατύπωσης της ερώτησης.

Αυτό είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα της μεγάλης επιστήμης: Κάνετε μια ερώτηση, και συχνά αποδεικνύεται ότι είναι η λάθος ερώτηση, αλλά πρέπει να κάνετε μια ερώτηση απλώς για να ανακαλύψετε ότι είναι η λάθος ερώτηση. Αν είναι, ρωτάς καινούργιο.

Ε: Η θεωρία χορδών – η περίφημη «θεωρία των πάντων» – περιγράφει τα βασικά σωματίδια και δυνάμεις στη φύση ως δονούμενες χορδές ενέργειας. Υπάρχει ελπίδα στον ορίζοντα μας για την καλύτερη κατανόηση του; Αυτή η υποτιθέμενη αυστηρότητα εμφανίζεται μόνο σε ενέργειες εκατομμύρια φορές υψηλότερες από ό,τι θα μπορούσε να επιτευχθεί από οποιονδήποτε επιταχυντή σωματιδίων είχε ποτέ φανταστεί. Μερικοί επιστήμονες επικρίνουν τη θεωρία χορδών ως έξω από την επιστήμη.

Spiropulu: Δεν δοκιμάζεται.

Turner: Αλλά είναι ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο. Και αν κοιτάξετε την πρόοδο της επιστήμης τα τελευταία 2.500 χρόνια, από τους Μιλήσιους, που ξεκίνησαν χωρίς μαθηματικά, μέχρι σήμερα, τα μαθηματικά είναι το βασικό στοιχείο. Γεωμετρία, άλγεβρα, Νεύτωνας και λογισμός και Αϊνστάιν και μη Ριμαννική γεωμετρία.

Spiropulu: Θα ήμουν πιο τολμηρός και θα έλεγα ότι η θεωρία χορδών είναι ένα πλαίσιο, όπως άλλα πλαίσια που έχουμε ανακαλύψει, μέσα στο οποίο προσπαθούμε να εξηγήσουμε τον φυσικό κόσμο. Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ένα πλαίσιο – και στο εύρος των ενεργειών που μπορούμε να το δοκιμάσουμε, το πλαίσιο έχει αποδειχθεί χρήσιμο.

Turner: Ένας άλλος τρόπος να το πούμε είναι ότι έχουμε νέες λέξεις και γλώσσα για να περιγράψουμε τη φύση. Τα μαθηματικά είναι η γλώσσα της επιστήμης και όσο περισσότερο εμπλουτίζεται η γλώσσα μας, τόσο πληρέστερα μπορούμε να περιγράψουμε τη φύση. Θα πρέπει να περιμένουμε και να δούμε τι προκύπτει από τη θεωρία χορδών, αλλά νομίζω ότι θα είναι μεγάλο.

Ε: Ανάμεσα στα πολλά χαρακτηριστικά της θεωρίας χορδών είναι ότι οι εξισώσεις φαίνεται να έχουν 10500 λύσεις – περιγράφοντας 10500 διαφορετικά πιθανά σύμπαντα ή ακόμα περισσότερα. Ζούμε σε ένα πολυσύμπαν;

Turner: Νομίζω ότι πρέπει να το αντιμετωπίσουμε, παρόλο που ακούγεται τρελό. Και το πολυσύμπαν μου προκαλεί πονοκέφαλο. δεν είναι ελεγχόμενο, τουλάχιστον όχι ακόμα, δεν είναι επιστήμη. Αλλά μπορεί να είναι η πιο σημαντική ιδέα της εποχής μας. Είναι ένα από τα πράγματα στο τραπέζι. Πονοκέφαλος ή όχι, πρέπει να τον αντιμετωπίσουμε. Πρέπει να ανέβει ή να βγει. είτε είναι μέρος της επιστήμης είτε δεν είναι μέρος της επιστήμης.

Ε: Γιατί θεωρείται θρίαμβος το ότι το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας δεν λέει τι είναι το 95% του σύμπαντος; Μόνο το 5% του είναι ατομικό υλικό όπως αστέρια και άνθρωποι. Το 25% είναι κάποια άλλη «σκοτεινή ύλη». και περίπου το 70% είναι κάτι ακόμα πιο περίεργο – ο Μάικ το ονόμασε «σκοτεινή ενέργεια» – που προκαλεί το σύμπαν να διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό.

Turner: Είναι μεγάλη επιτυχία, ναι. Ονομάσαμε όλα τα κύρια συστατικά.

Ε: Αλλά δεν ξέρετε ποια είναι τα περισσότερα από αυτά.

Spiropulu: Σταματάμε όταν φτάνουμε πολύ βαθιά. Και κάποια στιγμή πρέπει να αλλάξουμε ταχύτητα – να αλλάξουμε την ερώτηση ή τη μεθοδολογία. Στο τέλος της ημέρας, η κατανόηση της φυσικής του σύμπαντος δεν είναι μια βόλτα στο πάρκο. Περισσότερες ερωτήσεις μένουν αναπάντητα από αυτές που απαντώνται.

Ε: Εάν η ενοποίηση είναι η λάθος ερώτηση, ποια είναι η σωστή;

Turner: Δεν νομίζω ότι μπορείς να μιλήσεις για χώρο, χρόνο, ύλη, ενέργεια και στοιχειώδη σωματίδια χωρίς να μιλήσεις για την ιστορία του σύμπαντος.

Η Μεγάλη Έκρηξη μοιάζει με την προέλευση του χώρου και του χρόνου, και έτσι μπορούμε να ρωτήσουμε, τι είναι πραγματικά ο χώρος και ο χρόνος; Ο Αϊνστάιν μας έδειξε ότι δεν είναι απλώς το μέρος όπου συμβαίνουν τα πράγματα, όπως είπε ο Νεύτων. Είναι δυναμικά: ο χώρος μπορεί να λυγίσει και ο χρόνος μπορεί να παραμορφωθεί. Αλλά τώρα είμαστε έτοιμοι να απαντήσουμε στην ερώτηση: Από πού προήλθαν;

Είμαστε πλάσματα του χρόνου, άρα πιστεύουμε ότι το σύμπαν έχει να κάνει με τον χρόνο. Και αυτός μπορεί να είναι ο λάθος τρόπος για να δούμε το σύμπαν.

Πρέπει να έχουμε κατά νου αυτό που είπατε νωρίτερα. Πολλά από τα εργαλεία της σωματιδιακής φυσικής χρειάζονται πολύ χρόνο για να αναπτυχθούν και είναι πολύ ακριβά. Αυτές οι επενδύσεις πάντα αποδίδουν, συχνά με μεγάλες εκπλήξεις που αλλάζουν την πορεία της επιστήμης.

Και αυτό κάνει την πρόοδο δύσκολη. Αλλά είμαι θετικός για τη σωματιδιακή φυσική, επειδή οι ευκαιρίες δεν ήταν ποτέ μεγαλύτερες και το πεδίο βρισκόταν στην αιμορραγία της επιστήμης εδώ και χρόνια. Η σωματιδιακή φυσική εφηύρε μεγάλες, παγκόσμιες επιστήμες και εθνικές και τώρα παγκόσμιες εγκαταστάσεις. Αν η ιστορία είναι οποιοσδήποτε οδηγός, τίποτα δεν θα τους εμποδίσει να απαντήσουν στα μεγάλα ερωτήματα!

Ε: Χρειάστηκαν τρεις δεκαετίες για να κατασκευαστεί το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Spiropulu: Space – bingo!

Turner: Θέλω να πω, η επιστήμη έχει να κάνει με μεγάλα όνειρα. Μερικές φορές τα όνειρα είναι πέρα ​​από την άμεση πρόσβαση σας. Αλλά η επιστήμη επέτρεψε στην ανθρωπότητα να κάνει μεγάλα πράγματα – εμβόλια Covid, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ, το τηλεσκόπιο Webb – που επεκτείνουν το όραμά μας και τη δύναμή μας να διαμορφώσουμε το μέλλον μας. Όταν κάνουμε αυτά τα μεγάλα πράγματα στις μέρες μας, τα κάνουμε μαζί. Αν συνεχίσουμε να ονειρευόμαστε μεγάλα και να συνεργαζόμαστε, υπάρχουν ακόμη πιο εκπληκτικά πράγματα μπροστά μας.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στους New York Times.