تد

جستجوی ما به دنبال پرسش‌های بی‌پاسخ مانده‌ی فیزیک.

جیمز بکام با استفاده از بزرگ‌ترین دستگاه علمی که ساخته شده است یعنی برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی «سرن»، به دنبال پاسخ‌هایی برای پرسش‌های مطرح مهم فیزیک است. در این سخنرانی مفرح و قابل فهم درمورد چگونگی کارهای علمی، بکام ما را در جستجوی ذرات بنیادی کشف نشده (و توضیحی در مورد اسرار گرانش) به سفری درون ابعاد فراتر از سوم می‌برد و دلایلش را برای ادامه‌ی جستجوها بیان می‌کند.

متن سخنرانی – جستجوی ما به دنبال پرسش‌های بی‌پاسخ مانده‌ی فیزیک.

موضوعی درمورد فیزیک هست که از زمان بچگی منفکرم رو درگیر کرده. و مربوط می‌شه به سوالی که دانشمندان ۱۰۰ ساله که مطرح‌اش می‌کنند، بدون هیچ پاسخی، چطور کوچک‌ترین ذرات طبیعت، ذرات دنیای کوانتوم، به وسیله‌ی جاذبه در کناربزرگترین‌های طبیعت — سیاره‌‌ها و ستاره‌‌ها و کهکشان‌هاقرار می‌گیرند؟ در کودکی، من با این سوال‌ها گیج می‌شدم. با میکروسکوپ‌ها و الکترومغناطیسوقتم رو می‌گذروندم، و درمورد نیروهای ذرات مطالعه می‌کردم و درمورد مکانیک کوانتومی و متحیر می‌شدم که چطور این تعاریف با مشاهدات ما هماهنگ هستند.

بعد به ستاره‌‌ها نگاه کردم، و درمورد این خوندم که چقدر خوبگرانش رو می‌شناسیم، و با اطمینان فکر می‌کردم،باید راه زیرکانه‌ای باشه که این دو سیستم رو ربط بده. اما چنین راهی نیست. و در کتاب‌ها نوشته‌اند، آره، ما خیلی زیاد در مورد ایندو دنیای متفاوت اطلاع داریم، اما وقتی سعی می‌کنیماز لحاظ ریاضی پیوندشون بدیم همه چیز خراب می‌شه.

و به مدت ۱۰۰ سال، هیچ یک از ایده‌های ما برای حل کردناین فاجعه‌ی اساسی در فیزیک، با شواهد همراه نبوده‌اند. و برای طفلی که من بودم — جیمز کوچولوی کنجکاو و شکاک — این پاسخی به شدت غیرقابل باور بود. خوب، من هنوزم اون طفل شکاک هستم.

به زمان حال بازگردیمدر دسامبر سال ۲۰۱۵، وقتی خودم رو در وسط دنیای فیزیک وارونه شده پیدا کردم. همه‌اش از زمانی شروع شد که ما در سرنچیز عجیبی در اطلاعاتمان دیدیم: اشاره‌ای به یک ذره‌ی جدید، سرنخی از یک پاسخ احتمالی خارق‌العادهبرای آن سوال. خوب من هنوز هم همان طفل کنجکاومفکر کنم، ولی حالا یک شکارچی ذرات هم هستم.

من یک فیزیکدان عضو برخورد دهنده‌یبزرگ هادرونی (ال‌اچ‌سی) در سرن هستم، بزرگترین سازه‌ی علمیکه تاکنون ساخته شده. این شتاب دهنده یک تونل ۲۷ کیلومتری استدر مرز فرانسه و سوئیس در عمق ۱۰۰ متری زمین. و در این تونل، ما از مغناطیس‌های ابررساناییکه سردتر از عمق فضا است برای شتاب دادن به پروتون‌هاتا حد سرعت نور استفاده می‌کنیم و میلیون‌ها بار در ثانیهبه هم می‌کوبیم‌شان، بعد بقایای این برخورد‌ها را جمع می‌کنیم برای جستجوی ذرات بنیادی کشف نشده و جدید.

طراحی و ساخت اونده‌ها سال وقت برده با تلاش هزاران فیزیکداناز سراسر جهان، و در تابستان سال ۲۰۱۵، داشتیم سخت کار می‌کردیمکه ال‌اچ‌سی رو برسونیم به بالاترین انرژی که انسان تا بحالدر یک برخورد دهنده به کار برده. حالا، انرژی بیشتر مهم است چون برای ذراتیک هم‌ارزی هست بین انرژی و جرم ذره، و جرم تنها یک عدد استکه توسط طبیعت بیان می‌شه. برای کشف ذرات جدید، باید به این اعداد بزرگتر دست پیدا کنیم.

و برای این کار، باید برخورد دهنده‌یبزرگتر و با انرژی بالاتری بسازیم، و بزرگترین و پر انرژی‌ترینبرخورد دهنده در دنیا برخورد دهنده بزرگ هادرونی است. و بعدش، پروتون‌ها رومیلیون‌ها میلیارد بار برخورد می‌دهیم، و این اطلاعات رو به آرامی طیچندین و چند ماه جمع‌آوری می‌کنیم. و بعد ذرات جدید شاید به صورتموج‌هایی در اطلاعات ما ظاهر شوند — تغییری کوچکتر از آنچه فکرش را کنید، چند نقطه‌ی اطلاعاتی کوچککه یک خط صاف را ناصاف می‌کنند.

مثلاً این موج، بعد از ماه‌ها اطلاعات‌گیریدر سال ۲۰۱۲، به کشف ذرات هیگز — بوزون هیگز — و به یک جایزه نوبلبه خاطر تأیید وجودش انجامید. و این پرش انرژیدر سال ۲۰۱۵ بیانگر بهترین شانسی بود کهتا به حال نوع بشر داشته در کشف ذرات — پاسخ‌های تازه به اینسوال‌های طولانی مدت، چون تقریباً دو برابر انرژی بیشتریصرف آن کردیم زمانی‌که ذرات بوزون هیگز را کشف کردیم. خیلی از همکاران من تمام ساعات کارشان رابه خاطر این لحظه کار کرده بودند، و راستش، برای طفل کنجکاوم، این لحظه‌ای بود که تمام عمرم منتظرش بودم.

پس سال ۲۰۱۵ بزنگاهش بود. حالا ژوئن سال ۲۰۱۵ دوباره ال‌اچ‌سی روشن شد. من و همکارانم نفس‌مون رو حبس کردهو ناخن‌هامون رو می‌ساییدیم.

و بالاخره شاهد اولینبرخورد پروتون‌ها بودیم در این بالاترین انرژی تاریخ. تشویق، شامپاین، جشن. مرحله‌ی مهمی از علم بود، و نمی‌دانستیم چه چیزی در ایناطلاعات جدید پیدا خواهیم کرد.

و چند هفته بعدش،یک موج پیدا کردیم. برجستگی بزرگی نبود، اما اونقدری بزرگ بود کهخم به ابروهاتون بیارید. ولی در نسبتی یک به ۱۰در بالابردن ابروها، اگر ۱۰ نشانگر کشف ذره‌ی جدیدی باشه، این ابرو از درجه‌ی ۴ بلند شد.

(خنده تماشاگران) من ساعت‌ها، روزها، هفته‌هادر جلسه‌های محرمانه گذراندم، در بحث با همکارانمسر این موج کوچک، عقب جلو کردنش با بی‌رحم‌ترینچوب‌های آزمایش‌گرمون که ببینیم آیا بررسی بیشتر رو طاقت میاره. اما بعد از ماه‌ها کار بی‌قرارانه — خوابیدن در دفتر کارمونو نرفتن به خونه، خوردن شکلات به جای شام، پارچ پارچ قهوه خوردن — فیزیکدان‌ها ماشین‌های تبدیل قهوهبه نمودار هستند — (خنده تماشاگران) این موج کوچک از جاش تکان نخورد. پس بعد از چند ماه، موج کوچک‌مان را با یکپیام روشن به دنیا ارائه دادیم: این موج کوچک جالب هستاما قطعی نیست، پس بیایید حواس‌مان به آن باشدتا اطلاعات جدید برسد.

بنابراین سعی داشتیم شدیداًدر قبال آن خونسرد باشیم. اما دنیا راه خودش رو رفت. خبرگزاری‌‌ها عاشق‌اش شدند.

مردم می‌گفتن این اون‌ها رومتوجه موج کوچکی کرده که راه کشف بوزن هیگز رونشون‌شون می‌ده. بهتر از اون،همکاران نظریه‌پرداز من — عاشق همکاران نظریه‌پردازم هستم — همکاران نظریه‌پرداز من ۵۰۰ مقالهدر مورد این موجک نوشتند. (خنده تماشاگران) دنیای فیزیک ذراتاز این رو به اون رو شد.

اما چه چیزی در این موج خاص بود که باعث شد هزاران فیزیکدانبا هم سر از پای خود نشناسند؟ این موج کوچک خاص بود. این موج کوچک می‌گفت که ما به طور غیر منتظره‌ای شاهدتعداد زیادی برخورد بودیم که بقایای آن‌‌ها فقطاز دو فوتون تشکیل شده، دو ذره‌ی نور. و این کمیابه.

برخورد ذره‌‌ها مثل برخورد خودرو‌ها نیست. قانون‌هاشون فرق داره. وقتی دو ذره تقریبا با سرعت نوربه هم برخورد می‌کنن، وارد دنیای کوانتوم می‌شیم.

و در دنیای کوانتوم، این دو ذره به ندرتمی‌توانند ذره‌ای جدید بسازند که برای کسری از ثانیه ماندگار شود قبل از اینکه به ذرات دیگری تجزیه شدهو جذب آشکارساز ما بشود. تصادف خودرو‌ها را در نظر بگیرید کهبر اثر برخورد ناپدید شوند، و یک دوچرخه به جایشان ظاهر شود — (خنده تماشاگران) بعدش دوچرخه منفجر شدهو به دو تخته اسکیت تبدیل شود، که به آشکارساز ما برسد. (خنده تماشاگران) با امید، نه با یقین.

خیلی گران‌قیمت‌اند. رویدادهایی که در آن تنها دو فوتونبه آشکارساز ما برسند کمیاب هستند. و به خاطر ویژگی مخصوص فوتون‌ها، تعداد احتمالی خیلی کمیاز ذرات جدید هستند — این دوچرخه‌های اسرارآمیز — که می‌توانند تنها دو فوتون تولید کنند.

اما یکی از این گزینه‌ها خیلی مهم است، و مربوط می‌‌شود به آن سوال طولانی مدت که از زمان بچگی‌ام آزارم می‌داد، در مورد گرانش. گرانش شاید برای شما خیلی عجیب باشد، اما در واقع نسبت به دیگر نیروهای طبیعتنیرویی است به شدت ضعیف. می‌توانم با پریدن شکستش دهم، اما نمی‌توانم یک پروتون را در دست بگیرم.

قدرت گرانش در مقایسه بادیگر نیروهای طبیعت؟ ۱۰ به توان منفی ۳۹ است. یعنی یک اعشارو ۳۹ تا صفر پشتش. بدتر، بقیه‌ی نیروهای شناخته شده‌ی طبیعتبه خوبی توسط چیزی که مدل استاندارد می‌‌نامیم توصیف شده‌اند، که بهترین توصیف طبیعت درکوچکترین مقیاس‌‌ها است، و به واقع، یکی از موفق‌ترین دستاوردهای بشریت — به جز گرانش، که درمدل استاندارد حضور نداره.

این دیوانگیه. انگار که بیشترِ گرانش گم شده باشه. ما بخش کوچکی از اون رو احساس می‌کنیم، اما بقیه‌ش کجاست؟ کسی نمی‌دونه.

اما یک توضیح نظریراه حل عجیبی ارائه می‌ده. من و شما — حتی شما اون پشت — همگی در فضایی سه بعدی زندگی می‌کنیم. امیدوارم این جمله بحث‌انگیز نباشه.

(خنده تماشاگران) تمام ذرات شناخته شده همدر فضایی سه بعدی هستند. در واقع، ذره نام دیگری است برای یک برانگیختگی در میدان سه بعدی، یک محدوده‌ی مرتعش در فضا. مهم‌تر آنکه، همه‌ی ریاضیاتی کهبرای این موضوع به کار می‌بریم با این فرض است که فضا فقط سه بعدی است.

اما ریاضی ریاضی است، و می‌توانیمهرطور بخواهیم با آن بازی کنیم. و بعضی‌‌ها هم با استفاده ازابعاد بیشتر فضا در دوره‌ای طولانی مشغول آن شدند، اما این همیشه یک مفهومانتزاعی ریاضی بوده است. حالا فقط به اطرافتون نگاه کنید –تو اون عقب، نگاه کن — واضحه که تنها سه بعد در فضا هست.

اما اگر اینطور نباشه چی؟ اگر گرانش نیست شده به یک بعدچهارمی نشت کرده باشه که برای من و شما قابل درک نیست چی؟ اگر گرانش درست به اندازه‌یدیگر نیروها قوی باشه چی اگر شما این بُعد فراتر از سوم رو می‌دیدید، و چیزی که من و شما حس می‌کنیمتنها بخشی کوچکی از گرانش باشه باز هم ضعیف به نظر می‌رسید؟ اگر اینطور بود، مجبور بودیم مدل استانداردذرات رو گسترش بدیم تا شامل ذره‌ی دیگری باشه،یک ذره‌ی چندین بعدی مربوط به گرانش، یک گراویتون که در ابعادبیشتر از سوم قرار داره. چهره‌های متعجب‌تون رو می‌بینم. حتما می‌‌خواید ازم سوال کنید، «چطور قراره در واقعیت این ایده‌یعلمی تخیلی دیوانه‌وار رو آزمایش کنیم، در حالیکه توی سه بعد محدود شدیم؟» کاری که همیشه می‌کنیم، با کوبیدن دو پروتون به یکدیگر — (خنده تماشاگران) اونقدر شدید که برخوردشون بازتاب کنه در یک بعد فراتر از سومیکه ممکنه وجود داشته باشه، که در لحظه این گراویتون رو خلق کنه که بعدش کشیده بشه به ایندنیای سه بعدی ال‌اچ‌سی و دو تا فوتون آزاد کنه، دو ذره از نور.

و این گراویتون بعد اضافه‌ی فرضی یکی از تنها ذرات فرضی ممکن است که مشخصات کوانتومی خاصی داره که یک موج دو فوتونی کوچک ایجاد کنه. پس، احتمال برملا کردن اسرار گرانش و کشف ابعاد جدید فضا — شاید الان حسی داشته باشید که چرا هزاران خوره‌ی فیزیکهمگی با هم عنان از کف دادند به خاطر یه موج کوچیک دو فوتونی. کشفی از این دستهکتاب‌های درسی رو بازنویسی می‌کنه.

اما یادتون نره، پیام ما متخصصین آزمایشگاه که مدت‌هاست این کارو می‌کنیم خیلی واضح بود: به اطلاعات بیشتری نیاز داریم. با اطلاعات بیشتر، این موج کوچک یا به یکجایزه نوبل زیبا و ظریف تبدیل می‌شه — (خنده تماشاگران) یا فضای اطراف اون موج رو پر کرده و به یک خط صاف و معمولی تبدیلش می‌کنه. پس اطلاعات بیشتری گرفتیم، و با اطلاعاتی پنج برابری،و چندین ماه وقت بیشتر این موج کوچک به یک خط صاف تبدیل شد.

خبرگزاری‌ها «یک نا امیدی بزرگ»و «امید از دست رفته» رو گزارش کردن و اینکه فیزیکدانان ذرات «ناراحت هستند». طوری به گزارش شون آب و تاب دادن، انگار تصمیم گرفتیم کرکره‌ی ال‌اچ‌سی روبکشیم پایین و بریم خونه. (خنده تماشاگران) اما این کارو نکردیم.

ولی چرا؟ حالا اگر ذره‌ای کشف نکردم– که نکردم — اگر ذره‌ای کشف نکردمچرا اومدم براتون سخنرانی می‌کنم؟ چرا از خجالت سرم رو نینداختم پایین و برم خونه؟ متخصصان فیزیک ذره‌ای کاوشگرانند. و عمده‌ی کاری که ما می‌کنیمنقشه‌نگاری است. بگذارید اینطور بگم: یک ثانیهال‌اچ‌سی را فراموش کنید.

تصور کنید فضانوردی هستید کهوارد یک سیاره‌ی دوردست می‌‌شوید، به دنبال موجودات بیگانه. اولین وظیفه‌تون چیه؟ اینکه فوراً در مدار قرار بگیرید،فرود بیایید، مختصر نگاهی کنید به دنبال نشانه‌های بزرگ و آشکار حیات، و به پایگاه اصلی گزارش بدید. ما الان در همین مرحله هستیم.

یک نظر به ال‌اچ‌سی می‌کنیم به دنبال هر ذره‌ی تازه‌ی بزرگیکه چشمگیر باشه، و می‌توانیم گزارش کنیم که هیچی ندیدیم. ما یک موج بیگانه‌ی عجیب رودر کوهی دوردست دیدیدم، ولی همین که نزدیک شدیم،فهمیدیم صخره است. ولی بعدش چه کار کنیم؟ولش کنیم و برگردیم؟ معلومه که نه؛ در اون صورت دانشمندان ضعیفی بودیم.

نه، ما ده‌ها سال بعدش رو همبه جستجو پرداختیم، منطقه رو نقشه‌برداری کردیم، شن‌‌ها رو با بهترین ابزارغربال کردیم. زیر هر سنگی رو گشتیم، به زیر سطح سوراخ زدیم. هر ذره‌ی جدیدی باید فوراً پیدا می‌شد به شکل موج‌های بزرگ و چشمگیر یا تنها در صورتی دیده می‌شن کهسال‌ها اطلاعات جمع آوری کنیم.

بشریت تازه کاوشگری‌اش رو درال‌اچ‌سی با این انرژی بالا شروع کرده، و جستجوهای زیادی باید انجام بدیم. اما اگر ۱۰ یا ۲۰ سال دیگه،هنوز ذره‌ی جدیدی پیدا نکنیم چی؟ دستگاه بزرگتری می‌سازیم. (خنده تماشاگران) در انرژی‌های بالاتر جستجو می‌کنیم.

در انرژی‌های بالاتر جستجو می‌کنیم. طرحی در جریانه برای یکتونل ۱۰۰ کیلومتری که ذرات رو با ده برابرانرژی ال‌اچ‌سی برخورد می‌ده تصمیم جاگیری ذراتدر طبیعت با ما نیست. فقط تصمیم ادامه‌ی کاوشگری با ماست.

اما اگر با آن تونل ۱۰۰ کیلومتری یا با تونلی ۵۰۰ کیلومتری یا با تونلی ۱۰/۰۰۰ کیلومتریبه عنوان برخورد دهنده در فضا بین زمین و ماه، باز هم ذره‌ای پیدا نکنیم چی؟ در آن صورت شایدفیزیک ذرات را اشتباه برداشت کرده‌ایم. (خنده تماشاگران) شاید باید مسائل را از نو مرور کنیم. شاید به منابع، فناوریتخصص‌های بیشتری نیاز داریم نسبت به آنچه که الان داریم.

ما الان از هوش مصنوعی وفنون یادگیری ماشین استفاده می‌کنیم در بخش‌هایی از ال‌اچ‌سی، اما طراحی یک آزمایش فیزیک ذرات رامجسم کنید به وسیله از این الگوریتم‌های پیچیده که می‌تواند به خودش کشف کردنگراویتون‌های چندبعدی را آموزش دهد. اما چی می‌شه؟ چی می‌شه‌ی نهایی: چی می‌شه اگر هوش مصنوعی نتواندبه ما در یافتن پاسخمان کمک کند؟ چی می‌شه اگر این سوال‌های بی‌پاسخ دوران‌ها، مقدر باشد که تا آینده‌ای قابل پیش‌بینیبی‌پاسخ بمانند؟ چی می‌شه اگر این موضوعاتی کهاز زمان کودکی مرا آزار می‌داده مقدر باشد که در تمام عمرم بی‌پاسخ بماند؟ در آن صورت . .

. بیش از پیش شگفت زده می‌شویم. مجبور خواهیم بود بهروش‌های کاملاً جدیدی فکر کنیم.

مجبور می‌شویم به پیش فرض‌هایمان رجوع کنیم، و ببینیم که کجا را اشتباه کرده‌ایم. و باید افراد بیشتری را تشویق کنیمکه در مطالعه‌ی علم به ما بپیوندند چرا که به دیدگاه‌های نویندر حل این مسائل قدیمی نیاز داریم. من پاسخی نیافتم،و هنوز هم در جستجوی آنم.

اما یک نفر — که شایدالان در مدرسه باشد، شاید هنوز متولد هم نشده باشد — بالاخره راهنمایی‌مان کندفیزیک را به شیوه‌ای کاملاً تازه ببینیم. و شاید به ما بفهماندکه سؤالمان غلط است. که این به آخر رسیدن فیزیک نیست، بلکه شروع ماجراست.

سپاسگزارم. (تشویق)

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا