A gravidade é incrivelmente fraca. Basta pensar nisso: você pode levantar o pé do chão, apesar de toda a massa da Terra que o agarra. Por que ela está tão fraca? Desconhecido. E pode ser necessário um experimento científico muito, muito grande para descobrir. James Beecham é um físico da Duke University que trabalha com o detector ATLAS no famoso Large Hadron Collider na Suíça. Ele recentemente descreveu seu experimento de física para o Gizmodo: um acelerador atômico incrivelmente grande - o Ultra-Hadron Collider - localizado na borda externa do sistema solar.
Tal experimento poderia resolver a maioria dos mistérios da física imediatamente, por exemplo, revelar a verdadeira natureza da matéria escura ou provar a possibilidade de viagem no tempo.
Experimento mental: um colisor do tamanho do sistema solar
Os físicos estão confiantes de que conhecem os princípios básicos do universo. As partículas interagem por meio de forças, das quais quatro são conhecidas: eletromagnetismo; Força "fraca"; Força "forte"; gravidade. Cada força possui regras que descobrimos em experimentos ao longo de centenas de anos. Algumas interações fundamentais são mais fortes, outras são mais fracas.
Em comparação com os outros três, "a gravidade não é apenas fraca, é praticamente insignificante", diz Beecham. Além disso - da primeira pessoa.
No Grande Colisor de Hádrons, onde trabalhei, estudamos as regras básicas e elementares da natureza, juntando prótons em altas energias. As regras que estamos investigando são descritas na terminologia de partículas e forças, e a gravidade é a única das quatro forças conhecidas à qual nem prestamos atenção ao calcular as colisões de maior energia de prótons. Se atribuirmos uma interação forte com uma força de 1, a gravidade terá uma força de 10-39. 39 zeros após a vírgula decimal. Ou seja, absolutamente nada.
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Este mistério da ciência é um dos mais incompreensíveis para nós. Por que as forças de interação estão alinhadas dessa forma? Por que a gravidade é tão fraca?
A natureza é o que é, não importa como as pessoas a imaginem. Mas experimentos mostraram que em energias altas o suficiente, eletromagnetismo e força fraca se fundem em uma única força. Com energias ainda mais altas, acreditam os cientistas, fortes interações também se juntarão a eles. Mas a gravidade é diferente. Os cientistas não sabem se a gravidade se combinará com o resto das forças em energias altas o suficiente.
“A gravidade é uma força da natureza, mas suas regras - a matemática que está por trás dela, a descrição mais precisa - são de alguma forma muito diferentes das demais”, diz Beecham. E ele continua:
A gravidade é melhor descrita pela teoria geral da relatividade de Einstein, e as outras três forças que são descritas pelo modelo padrão da física de partículas são baseadas na teoria quântica de campos. E embora existam semelhanças, são diferentes. Ou seja, quando ingenuamente tentamos costurá-los, obtemos respostas sem sentido.
Em nosso universo atual, usando nossa tecnologia atual, “é quase impossível encontrar uma resposta empírica para essa questão”, diz Beecham. Por quê? "Não podemos obter energias de colisão tão altas, principalmente porque não podemos construir um colisor grande o suficiente para fazer isso." Ele diz que alguns teóricos acreditam que há algo mais (como outras partículas ou dimensões espaciais extras, como sugerido pela teoria das cordas e seus modelos estendidos) que pode aparecer em um experimento que combina a gravidade com outras forças.
Mas para isso precisamos de um colisor do tamanho do sistema solar.
Mesmo o Grande Colisor de Hádrons circular de 27 quilômetros, que usa ímãs supercondutores para acelerar e colidir feixes de prótons a 99,999999% da velocidade da luz, não é rápido o suficiente para responder a essas perguntas. Ele só pode descobrir como era o universo quando era do tamanho de uma maçã. Os cientistas podem precisar de mais energia e, portanto, de um colisor maior para compreender um universo menor do que uma maçã.
Quanto mais? Talvez forças nucleares fortes e fracas pudessem ser combinadas com um colisor construído em torno de Marte. Mas, para adicionar gravidade a esta equação, “de acordo com algumas estimativas aproximadas, um colisor seria necessário para circundar a órbita de Netuno. Além disso, alguns cientistas argumentam que esta estimativa é muito aproximada e teremos que construir um anel maior. Os benefícios seriam enormes - tal colisor seria capaz de testar as escalas de Planck, as menores escalas que podemos examinar que a mecânica quântica permite. “Nós entenderíamos tudo sobre a gravidade, sobre a mecânica quântica e, entretanto, também obteríamos uma força eletrofraca e eletrofronga combinada assim, seguida pela viagem no tempo, teoria das cordas, matéria escura, energia escura, o problema da medição, a teoria dos universos múltiplos etc.
O que? Viagem no tempo? De acordo com Beecham, obteríamos uma compreensão tão detalhada do universo e de como o espaço-tempo funciona que possivelmente poderíamos colocar nosso conhecimento na base de tecnologias futuras para manipular o tempo.
"É possível que a força da gravidade e outras forças da natureza se combinem em algumas energias extremamente altas, mas para investigar essa questão, precisaremos criar um colisor como o LHC, circundando os confins do sistema solar ou até mais."
Infelizmente, a experiência de pensamento de Beecham não é viável neste momento:
“A tecnologia, a força humana e os recursos para criar um colisor de partículas que circunde os confins do sistema solar simplesmente não existem. Mesmo se pegássemos as tecnologias do acelerador e detector existentes no LHC, a escala seria um problema no sentido mais prático: não está claro se existe material suficiente para criar esse colosso no sistema solar, em todas as fontes - Terra, Lua, planetas, asteróides, etc. …
E para acelerar prótons a energias tão altas, mesmo no LHC, usamos ímãs supercondutores. Os ímãs tornam-se supercondutores apenas se forem muito frios. Alguém poderia pensar que isso seria útil para criar um acelerador de partículas no espaço. O cosmos está muito frio. Mas para supercondutividade, não é muito frio. O espaço exterior tem uma temperatura de 2,7 Kelvin, mas os ímãs requerem 1,9 Kelvin. Perto, mas ainda não. No LHC, essas temperaturas são alcançadas usando hélio líquido. Não está claro se há hélio líquido suficiente em qualquer lugar próximo para resfriar um acelerador circular do tamanho do sistema solar.
Nessas energias, os detectores devem ser enormes. Você terá que treinar físicos e adquirir uma quantidade incompreensível de capacidade de computação. Você precisará de robótica avançada, proteção contra asteróides, cometas e outros detritos. E tudo isso ainda precisa ser posto em movimento. Você não pode usar a energia do Sol, porque a máquina rodeia o Sol à distância de Netuno. Um dispositivo desse tamanho exigirá descobertas de energia que não serão viáveis em um futuro próximo.
Tal experimento mudaria a física. Afinal, esses experimentos ajudam os físicos a entender como as coisas funcionam, e esse acelerador fornecerá respostas convincentes para muitas perguntas. Isso mudará a maneira como as pessoas pensam. Mudará o que queremos dizer com "compreensão".
Se estivéssemos construindo um colisor em torno da fronteira externa do sistema solar, o conhecimento que adquiriríamos é sobre a natureza da gravidade, sobre como combinar mecânica quântica e relatividade geral em um, sobre viagem no tempo, sobre o que aconteceu na época do Big Bang, sobre se o nosso Universo pode ser apenas um de um número infinito de múltiplos universos - mudaria nossa ideia de realidade, nossa atitude para com a natureza, esta linguagem dela, compreensão do mundo, humanidade em geral, nosso lugar no universo tanto que tivemos que inventaria um novo conceito de compreensão para descrevê-lo.
Obviamente, ninguém está trabalhando em tal experimento, embora o CERN já esteja desenvolvendo no papel o Future Circular Collider, cujo túnel terá 80-100 quilômetros de comprimento. No entanto, talvez em algum lugar do Universo esteja trabalhando em tal projeto.
Seria fantástico se alguma civilização distante em algum outro lugar do Universo já estivesse trabalhando nisso e tivéssemos pelo menos a oportunidade de encontrá-la e contatá-la para perguntar sobre os resultados até de experimentos físicos comuns. Eles têm a mesma massa do bóson de Higgs? Eles encontraram bósons X e Y que demonstram a unificação das forças eletrofracas e eletro-fortes? Eles chegaram à escala de Planck? O que é matéria escura? Podemos voltar no tempo?
O universo continuará a operar de acordo com as mesmas leis. A verdadeira questão é se os humanos algum dia serão capazes de entender essas leis.
Ilya Khel
