Труд
Автор:
Елена Симеонова
Представете си, че използвате магнит, за да вземете кламер. Магнитната сила на малък магнит дърпа кламера нагоре, докато гравитационната сила на цяла планета го дърпа надолу – и магнитът печели.
Може да приемате действието на магнита за даденост, но това е доказателство, което разкрива защо учените смятат гравитацията за много слаба сила. Това може да изглежда нелогично, но едно обяснение за очевидната слабост на гравитацията може да е, че гравитацията не е ограничена до трите измерения на пространството, които познаваме, пише Popular Mechanics.
Помислете за това: Можем да определим количествено разликата в силата на електромагнетизма спрямо гравитацията по прост начин, като изчислим съотношението на двете сили в атома, където те свързват електрон с протон. Електромагнетизмът превъзхожда гравитацията с колосални 1039. Това е хиляда, трилиона, трилиона, трилиона пъти по-силно.
Сравняването на електромагнетизма и гравитацията обаче е само началото на разбирането на една голяма – и много странна – картина. През последния век учените са осъзнали, че всички явления, които преживявате в живота си, от бутането на люлка до статичното залепване на чорапи от сушилнята, до ядрения синтез, който захранва слънцето, могат да бъдат обяснени като произлизащи от четири „фундаментални“ сили. Те са електромагнетизъм, гравитация и две сили, които имат ефект само върху скали с дължина, подобна на размера на атомно ядро. Тези други две сили се наричат, доста необуздано, силни и слаби ядрени сили.
Когато сравним силата на тези сили, възниква поразителен контраст за гравитацията. Използвайки теглото като аналогия, силната, електромагнитната и слабата сила съответстват приблизително на Великата пирамида в Гиза, Емпайър Стейт Билдинг и средно голяма американска къща с две спални. Вярно е, че тези обекти имат забележимо различно тегло, но когато ги сравним с теглото, аналогично на силата на гравитацията, те изглеждат доста сходни. Това е така, защото силата на гравитацията е равна само на теглото на един електрон - невероятно по-малка от другите три.
Защо гравитацията е толкова по-слаба от другите известни фундаментални сили е трайна мистерия на съвременната физика. Честно казано, никой не знае защо. Въпреки това, през 1998 г. физиците Нима Аркани-Хамед, Савас Димопулос и Гия Двали направиха смело предложение, наречено накратко ADD.
Може би очевидната слабост на гравитацията не се дължи на самата природа на гравитацията, а по-скоро на природата на пространството.
Както гравитацията, така и електромагнетизмът имат позната характеристика: те са по-силни, когато два обекта са близо един до друг, и по-слаби с увеличаване на разстоянието между тях. Това най-често се наблюдава, когато играете с два магнита. Източникът на това как тези сили се променят с разстоянието е може би изненадващ. Това е просто заради геометрията на триизмерното пространство.
Айнщайн не можа да реши кода на квантовата гравитация. Учените току-що се приближиха с една крачка.
Трима учени твърдят, че Айнщайн е грешал леко за пространство-времето
Да разгледаме точков електрически заряд, тоест заряд без размер, концентриран на едно място в пространството. Той може да повлияе на околностите си и този ефект зависи изцяло от големината на заряда. Сега обградете този заряд със сфера. Ефектът от този заряд се разпределя равномерно по площта на повърхността на тази сфера.
Площта на сфера зависи от квадрата на радиуса (който е половината от диаметъра на сферата). Така че, ако заменим тази сфера с такава, която има двоен радиус, площта на по-голямата сфера е четири пъти по-голяма. За радиус три пъти по-голям, площта се увеличава с коефициент 9. При по-големи сфери ефектът на заряда има повече място за „разпространение“ и с увеличаването на площта, силата върху обектите с този радиус намалява.
Сферата е триизмерен обект. Но какво ще стане, ако живеем в двуизмерен свят? В този случай, щяхме да обграждаме точков заряд не със сфера, а с кръг, и ефектът на заряда щеше да се разпространи по цялата обиколка на кръга. За разлика от площта на сферата, обиколката на кръга нараства пропорционално на радиуса. Ако удвоите радиуса, обиколката също се удвоява. Ако утроите радиуса, обиколката се утроява. Така виждаме, че в триизмерна вселена силата на електромагнетизма спада по-бързо, отколкото в двуизмерен свят.
Хипотезата за ADD предполага, че може би причината гравитацията да ни се струва толкова слаба е, че за разлика от другите три сили, тя не е ограничена до три измерения на пространството. Може би тя може да се разшири в четири, пет, шест или повече. Гравитацията може да е също толкова силна, колкото и другите сили, но с повече измерения, в които да се разшири, тя просто има повече възможности да се разпространи.
Човекът, който ходи по въже, може да ходи по него само в едно измерение, напред или назад. Но мравката може да достигне до допълнително измерение на въжето, като също така ходи около него.
По подобен начин гравитацията може да се разпространява в повече от трите измерения, които можем да открием в нашата реалност.
Макар хипотезата за ADD да е много провокативна, тя има един привидно фатален недостатък.
Очевидно живеем в триизмерна реалност и теориите за гравитацията както на Нютон, така и на Айнщайн зависят от триизмерна вселена. Тъй като тези теории много точно предсказват движението на планетите, предположението, че съществуват повече измерения на пространството, изглежда доста убедително опровергано.
Има обаче един възможен начин да се спести ADD. Може би тези допълнителни измерения на пространството не са безкрайно големи като познатите ни измерения, а са изключително малки.
Това може да звучи като супер странна идея, но помислете за въжеиграч. Той е ограничен да ходи само в едно измерение, напред или назад. Но сега нека помислим за мравка, която ходи по същото въже. За мравката въжето не е едноизмерен свят. То е двуизмерно. Мравката може да ходи по въжето по същия начин като човек, но може да ходи и около въжето. А около въжето е много по-малко измерение, отколкото по дължината му.
Идеята, че гравитацията може да се разпространява в повече пространствени измерения от три, е интригуваща, но как бихме могли да проверим това експериментално? Всъщност съществуват два такива теста. Първият е да се доближат две много малки маси една до друга и да се види дали силата между тях се променя с разстоянието, следвайки същата зависимост, която определя как планетите се привличат от слънцето. Експерименти, проведени в Университета на Вашингтон, са в добро съответствие с познатия закон за гравитацията на Нютон – и по този начин потвърждават триизмерното поведение на Вселената – до разстояние от 50 микрометра.
Авторът използва детектора CMS в ЦЕРН, за да търси някои от многото възможни сигнатури на изпаряващи се микроскопични черни дупки, включително лъчението на Хокинг, споменато в текста. Съществуването на това лъчение може да е индикация, че гравитацията всъщност е силна сила, но изглежда слаба, защото се разпространява в допълнителни измерения на Вселената.
За изследване на още по-малки мащаби е необходим ускорител на частици. Ако приемем, че гравитацията всъщност е силна сила, маскирана от съществуването на допълнителни измерения, тогава изследването на разстояния, приблизително равни на размера на тези допълнителни измерения, ще разкрие силната природа на гравитацията. Ако гравитацията е толкова силна, колкото другите сили, това означава, че ще бъде възможно да се създадат микроскопични черни дупки, които ще се разпадат чрез лъчението на Хокинг. Използвайки ускорител на частици за създаване на частици с много висока енергия – което предполага много малки разстояния – бихме могли да търсим изблик на фотони, излизащи от едно място и пътуващи във всички посоки. Това е един от възможните признаци на изпаряваща се черна дупка.
Детекторът Compact Muon Solenoid (CMS), с който провеждам изследвания, се използва (наред с други цели) за търсене на лъчението на Хокинг, което би съпътствало изпаряваща се микроскопична черна дупка. Този детектор е част от ЦЕРН , Европейската организация за ядрени изследвания, чийто Голям адронен колайдер (LHC) е най-мощният съществуващ ускорител на частици.
