Brian Cox apie CERN dalelių greitintuvą

Tai - Didysis Hadronų Greitintuvas (LHC). Jo ilgis - 27 kilometrai; tai didžiausias kada nors vykdytas mokslinis eksperimentas. Daugiau nei 10 000 fizikų ir inžinierių iš 85 skirtingų pasaulio šalių per kelis dešimtmečius susirinko tam, kad sukonstruotų šią mašiną. Ką mes darome, tai greitiname protonus -- arba vandenilio branduolius -- iki apie 99,999999 procentų šviesos greičio. Ar ne? Tokiu greičiu jie apskrieja tuos 27 kilometrus 11 000 kartų per sekundę. Ir mes suduriame juos su kitu protonų pluoštu, skriejančiu priešinga kryptimi. Sudūrimai vyksta milžiniškuose detektoriuose.

Iš esmės jie - skaitmeninės kameros. O tai tas, su kurio dirbu aš - ATLAS. Galite pajusti, kokio jis dydžio - galite matyti standartinio dydžio europiečius apačioje.

(Juokas)

Kad įsivaizduotumėte dydį: 44 metrų plotis, 22 metrų skersmuo, 7 000 tonų. Ir mes atkuriame sąlygas, kurios egzistavo mažiau nei milijardinę sekundės dalį po visatos susikūrimo -- iki 600 milijonų kartų per sekundę šių detektorių viduje -- didžiuliai skaičiai. Ir, jei čia matote šias metalines detales, tai milžiniški magnetai, kurie lenkia įelektrintas daleles tam, kad būtų galima išmatuoti, kokiu greičiu jos skrieja. Ši nuotrauka daryta maždaug prieš metus. Tie magnetai jau viduje. Ir vėl, standartinio dydžio žmogus tam, kad įsivaizduotumėte dydį. Čia tie mini Didieji Sprogimai ir bus atkurti dar šių metų vasarą.

Ir, beje, šį rytą gavau elektroninį laišką, kuriame teigiama, jog mes tik ką, šiandien, baigėme konstruoti paskutinę ATLAS dalį. Nuo šiandienos detektorius jau užbaigtas. Norėčiau sakyti, kad aš tai suplanavau TED, tačiau aš to nedariau. Taigi šiandien konstrukcija buvo baigta.

(Plojimai)

Taip, tai nuostabus pasiekimas. Taigi jūs galite klausti - "Kodėl? Kodėl reikia atkurti sąlygas, kurios egzistavo mažiau nei vieną milijardinę sekundės dalį po visatos atsiradimo?" Na, dalelių fizikai yra labai ambicingi. Dalelių fizikos tikslas yra suprasti, iš ko viskas yra sudaryta ir kaip viskas laikosi kartu. Sakydamas "viskas" aš turiu galvoje, žinoma, save ir jus, Žemę, Saulę, šimtus milijardų saulių mūsų galaktikoje ir šimtus milijardų galaktikų matomoje visatoje. Absoliučiai viską.

Dabar jūs galėtumėte sakyti: "Na, gerai, bet kodėl tiesiog nepažiūrėti į tai?" Suprantate? Jei norite žinoti, iš ko aš sudarytas, tiesiog pažiūrėkite į mane". Na, mes atradome, kad kai žiūrime atgal į praeitį, visata tampa vis karštesnė ir karštesnė, tankesnė ir tankesnė, ir paprastesnė ir paprastesnė. Tam nėra jokios man žinomos rimtos priežasties, tačiau atrodo, kad būtent taip ir yra. Taigi labai tolimoje visatos praeityje, manome, viskas buvo labai paprasta ir suprantama. Visas šis sudėtingumas, iki pat tokių nuostabių dalykų kaip žmogaus smegenys, yra iš senos, šaltos ir sudėtingos visatos. Pačioje pradžioje, pirmąją milijardinę sekundės dalį, manome, ar tiksliau, pastebėjome, viskas buvo labai paprasta.

Tai beveik kaip... Įsivaizduokite snaigę savo rankoje, jūs žiūrite į ją ir matote, koks tai neįtikėtinai sudėtingas, gražus objektas. Bet kai jūs ją pakaitinate, ji ištirpsta į vandens lašelį ir jūs pamatote, kad iš tiesų ji tėra sudaryta tik iš H2O, vandens. Taigi, tokiu pačiu principu mes žiūrime atgal į praeitį tam, kad suprastumėme, iš ko sudaryta visata. Ir šiuo metu ji sudaryta iš šių dalykų. Tik 12 materijos dalelių, sujungtų keturių fundamentaliųjų gamtos sąveikų. Kvarkai, šie rožiniai dalykai, yra dalelės, kurios sudaro protonus ir neutronus, kurie sudaro atomo branduolį jūsų kūne. Elektronas - daiktas, kuris skrieja aplink atomo branduolį, yra laikomas orbitoje elektromagnetinės jėgos, kuri yra palaikoma šio daikto, fotono. Kvarkai tarpusavyje sujungti kitais dalykais, vadinamais gliuonais.

O čia šie draugužiai yra silpnoji branduolinė jėga, tikriausiai mažiausiai pažįstama. Bet be jų saulė nešviestų. O kai saulė šviečia, mes gauname gausius kiekius šių dalykų, vadinamų neutrinais, išsiliejimų. Iš tiesų, jeigu tik pažvelgtumėte į savo nykštį - maždaug vieną kvadratinį centimetrą - apie 60 milijardų neutrinų per sekundę iš saulės praeina pro kiekvieną jūsų kūno kvadratinį centimetrą. Bet jūs jų nejaučiate, nes silpnoji jėga yra teisingai pavadinta. Labai mažas ir silpnas bangų diapazonas, taigi jie tiesiog praskrenda pro jus.

Ir visos šios dalelės buvo atrastos, galima sakyti, per praėjusį amžių. Pirmoji dalelė - elektronas - buvo atrasta 1897 metais, ir paskutinė dalelė, šis dalykėlis, vadinamas "tau neutrinu", 2000 metais. Iš tiesų tik... Aš norėjau pasakyti, kad visiškai šalia, Čikagoje. Žinau, didelė šalis Amerika, ar ne? Visiškai šalia. Lyginant su visata, tai visiškai šalia.

(Juokas)

Taigi, šis dalykas buvo atrastas 2000 metais, vadinasi, tai pakankamai nauja informacija. Vienas iš nuostabiausių dalykų yra tai, kad kai mes juos atrandame, suprantame, kokie jie yra maži. Žinote, dydžiu jie vienu žingsniu nutolę nuo visos regimosios visatos. Vadinasi 100 milijardų galaktikų, esančių už 13,7 milijardų šviesmečių, nuo Monterėjaus yra nutolusios tiek pat, kiek ir Monterėjus nuo šių dalelių. Neabejotinai, ypač smulkūs, ir nepaisiant to, mes atradome beveik visą jų rinkinį.

Taigi vienas įžymiausių mano pirmtakų Mančesterio universitete, Ernest Rutherford, atomo branduolio atradėjas, pasakė: "Visas mokslas yra arba fizika, arba pašto ženklų kolekcionavimas". Nemanau, kad jis norėjo įžeisti likusias mokslo šakas; nors jis ir buvo iš Naujosios Zelandijos, taigi tai įmanoma.

(Juokas)

Bet jis turėjo galvoje, kad tai, ką atlikome, iš tiesų tėra pašto ženklų kolekcionavimas - taip, mes atradome daleles, bet jei nesuprantate esminių tokios struktūros priežasčių, t.y. kodėl tai sudaryta būtent tokiu būdu, jūs tik rinkote pašto ženklus, o ne užsiėmėte mokslu. Laimei, mes turime turbūt vieną didžiausių 20 amžiaus mokslinių pasiekimų, kuris pagrindžia šią struktūrą. Tai, galima sakyti, Niutono dėsniai dalelių fizikoje. Tai vadinama "standartiniu modeliu" - graži, paprasta matematinė lygtis. Galite pasidaryti marškinėlius su ja, kas visada yra elegancijos ženklas. Štai lygtis.

(Juokas)

Aš buvau kiek nesąžiningas, nes išplėčiau lygtį su visomis smulkmenomis Vis dėlto ši lygtis suteikia galimybę suskaičiuoti viską, kas vyksta visatoje, išskyrus gravitaciją. Taigi jei norite žinoti, kodėl dangus mėlynas, kodėl atomo branduolio dalelės jungiasi, iš esmės, turimas pakankamai didelis "kompiuteris", kad galima būtų apskaičiuoti, kodėl DNR yra būtent tokios formos. Iš principo, jūs turėtumėte sugebėti tai suskaičiuoti naudodamiesi šia lygtimi.

Tačiau yra viena problema. Ar kas nors mato, kur ji? Šampano butelis tam, kuris man pasakys. Iš tiesų, padarysiu paprasčiau ir padidinsiu vieną lygties eilutę. Trumpai tariant, kiekviena iš šių lygties dalių atitinka kažkurią dalelę. Taigi šios W atitinka W daleles ir aiškina, kaip jos jungiasi. Taip pat ir Z, silpnosios branduolinės sąveikos nešiotojos. Tačiau šioje lygtyje yra vienas papildomas simbolis - H. Taip, H. H reiškia Higso dalelę. Higso dalelės dar nėra atrastos. Bet jos yra reikalingos, reikalingos tam, kad ši matematika veiktų. Taigi visi detalūs skaičiavimai, kuriuos mes atliekame šios lygties pagalba, nebūtų įmanomi be papildomos dalelės. Vadinasi, tai yra spėjimas, spėjimas, kad yra nauja dalelė.

Ką ji daro? Na, mes užtrukome ilgai, kol sugalvojome geras analogijas. Ir grįžtant į 1980-uosius, kai mes ieškojome pinigų LHC statyboms iš Jungtinės Karalystės vyriausybės, tuo metu Margaret Thatcher pasakė: "Jeigu jūs galite paaiškinti tokia kalba, kurią politikai suprastų, ką čia po velnių darote, tada jūs gausite pinigus. Aš noriu žinoti, ką ta Higso dalelė daro." Ir mes sugalvojome šią analogiją, kuri, rodos, suveikė. Na, Higso dalelė duoda masę fundamentaliosioms dalelėms. Ir esmė tokia, kad visa visata, ir tai nereiškia tik kosmoso, tai reiškia ir mane, ir tai, kas yra jūsų viduje, visa visata yra pilna, kažko, kas vadinimas Higso lauku. Kitaip tariant, Higso dalelių.

Analogija tokia, kad šie žmonės kambaryje yra Higso dalelės. Taigi, kai kokia nors dalelė skrieja per visatą, ji gali sąveikauti su šiomis Higso dalelėmis. Bet įsivaizduokite, kad nepopuliarus žmogus eina per kambarį. Tada visi jį ignoruoja. Jie gali tiesiog labai greitai praeiti pro kambarį, iš esmės, šviesos greičiu. Jis neturi masės. O įsivaizduokite kažką nepakartojamai svarbų, populiarų ir intelektualų įeinantį į kambarį. Jį apsupa žmonės ir jo kelias per kambarį yra sukliudytas. Tai lyg jis taptų sunkesnis. Jis įgauna masę. Ir būtent taip dirba Higso mechanizmas. Esmė ta, kad elektronai ir kvarkai jūsų kūne ir visatoje, kurią mes matome aplink, tam tikra prasme yra sunkūs ir masyvūs, nes jie yra apsupti Higso dalelėmis. Jie sąveikauja su Higso lauku.

Jeigu tai yra teisybė, tuomet mes turime atrasti šias Higso daleles LHC. Jiegu tai nėra tiesa -- nes tai ganėtinai sudėtingas mechanizmas, tačiau paprasčiausias, kurį mums pavyko sugalvoti -- tokiu atveju mes žinome kad tai, kas atlieka Higso dalelių pareigą, turi pasirodyti LHC. Tai viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl pastatėme šią milžinišką mašiną. Džiaugiuosi, kad atpažinote Margaret Thatcher. Iš tiesų norėjau padaryti labiau kultūriškai susijusį paveikslėlį, bet... (Juokas) tiek to. Taigi tai viena dalykas. Tai iš esmės garantija, ką LHC atras.

Tačiau yra ir daug kitų dalykų. Turbūt girdėjote apie didžiąsias dalelių fizikos problemas. Vieną iš jų girdėjote - tamsioji materija, tamsioji energija. Yra ir kita problema, tai, kad fundamentaliosios gamtos jėgos (kas yra labai gražu, iš tiesų), panašu, kad keliaujant atgal į praeitį, jų galingumas keičiasi. Na, jos tikrai keičia savo jėgą. Taigi elektromagnetinė jėga, jėga kuri laiko mus kartu, tampa vis stipresnė ir stipresnė kylant temperatūrai. Stiprioji branduolinė jėga, kuri laiko atomo branduolį kartu, tampa silpnesnė. Ir standartiniame modelyje galite matyti ir apskaičiuoti, kaip jėgos keičiasi - šios trys jėgos, išskyrus gravitaciją, beveik sueina į vieną tašką. Lyg būtų buvusi viena nuostabi super jėga, pačioje laiko pradžioje. Tačiau jos tiesiog prasilenkia.

Taigi yra teorija, vadinama "super simetrija", kuri padvigubina dalelių skaičių standartiniame modelyje. Kas, iš pradžių, neskamba paprasčiau. Tačiau iš tiesų su šia teorija mes pamatėme, jog panašu, kad fundamentalios gamtos jėgos susijungia Didžiojo sprogimo metu. Labai gražus spėjimas. Modelis nebuvo sukurtas tam, kad tai paaiškintų, tačiau panašu, kad jis tai daro. Taip pat šios super simetriškos dalelės yra svarbios kandidatės tamsiajai energijai. Taigi labai sudėtinga teorija, kuri, iš tiesų, dabar vyrauja fizikoje. Ir jeigu aš lažinčiausi, pinigus statyčiau už tai, (labai nemokslišku būdu), kad šios dalelės taip pat bus rastos LHC. Yra ir kitų dalykų, kuriuos LHC gali atrasti.

Tačiau per paskutines kelias minutes aš tiesiog noriu jums pateikti kiek kitokį požiūrį į tai, ką dalelių fizika iš tiesų man reiškia - dalelių fizika ir kosmologija. Aš manau, kad tai mums pateikia nuostabų pasakojimą, beveik, sakykime, sutvėrimo istoriją, apie visatą, parašytą modernaus mokslo per paskutinius kelis dešimtmečius. Ir aš sakyčiau, kad ši istorija nusipelnė, Wade Davis kalbos stiliumi, būti kartu su šiomis nuostabiomis sutvėrimo istorijomis apie žmones iš aukštų Andų ir užšalusios šiaurės. Manau, kad ši sutvėrimo istorija tiek pat nuostabi.

O istorija tokia: mes žinome, kad visata prasidėjo prieš 13,7 milijardų metų be galo karštoje ir tankioje būsenoje, kur kas mažesnėje nei vienas atomas. Ji pradėjo plėstis po vieno milijono milijardų milijardų milijardų milijardinės sekundės dalies (manau, kad pasakiau teisingai) po Didžiojo Sprogimo. Gravitacija atsikyrė nuo kitų jėgų. Tada visata pradėjo eksponentinį plėtimąsi, vadinamą infliacija. Per pirmąją milijardinę sekundės dalį atsirado Higso laukas, kvarkai, gliuonai ir elektronai - dalelės, kurios mus sudaro, įgavo masę. Visata toliau plėtėsi ir šalo. Po maždaug kelių minučių, visatoje jau buvo vandenilio ir helio. Ir viskas. Visata buvo sudaryta iš maždaug 75 procentų vandenilio ir 25 procentų helio. Taip yra ir šiandien.

Visata toliau plėtėsi apie 300 milijonų metų. Tuomet šviesa pradėjo keliauti per visatą. Ji jau buvo pakankamai didelė, kad praleistų šviesą ir būtent tai mes matome kosminių mikrobangų fone, kurį George Smoot apibūdino kaip žiūrėjimą į Dievo veidą. Po maždaug 400 milijonų metų susiformavo pirmosios žvaigždės, ir tas vandenilis ir helis pradėjo virsti į sunkesnius elementus. Taigi gyvybės elementai - anglis, deguonis ir geležis, - visi elementai, kurie yra reikalingi, kad mes atsirastumėme, buvo "išvirti" šiose pirmose žvaigždžių kartose, kurios vėliau pabaigė visą savo kurą, susprogo ir išmetė šiuos elementus atgal į visatą. Tada jie susijungė į kitas žvaigždžių ir planetų kartas.

Ir kai kuriose planetose deguonis, kuri buvo sukurtas pirmosiose žvaigždžių kartose, galėjo susijungti su vandeniliu, kad suformuotų vandenį, skystą vandenį ant paviršiaus. Bent jau vienoje, ir gal tik vienoje iš šių planetų išsivystė primityvi gyvybė, kuri per milijonus metų įšsivystė į dalykus, kurie vaikščiojo statūs ir paliko pėdsakus prieš maždaug tris su puse milijono metų Tanzanijos purvo lygumoje ir galiausiai paliko pėdsaką kitame pasaulyje. Ir sukūrė šią civilizaciją, šį nuostabų paveikslėlį, kuris pakeitė tamsą šviesa, ir šią civilizaciją galima matyti iš kosmoso. Kaip vienas didžiausių mano herojų, Carl Sagan, yra pasakęs, tai yra tie dalykai, ir iš tiesų ne tik tie, bet aš apsidairiau aplink, ir šie dalykai, kaip Saturno V raketa, Sputnikas, ir DNR, ir literatūra, ir mokslas - šie dalykai yra sukuriami vandenilio atomų per 13,7 milijardus metų.

Absoliučiai neįtikėtina. Ir fizikos dėsnių. Taip? Taigi teisingi fizikos dėsniai yra nuostabiai subalansuoti. Jeigu silpnoji atominė jėga būtų buvusi šiek tiek kitokia, tuomet anglis ir deguonis nebūtų stabilūs žvaigždžių širdyse, ir tuomet nieko tokio nebūtų visatoje. Ir aš manau, kad tai - nuostabi ir ypatinga istorija. Prieš 50 metų aš nebūčiau galėjęs jos papasakot, nes mes tiesiog jos nežinojome. Tai verčia mane jausti, kad ši civilizacija, kuri, kaip aš sakiau, jeigu tikite moksline sutvėrimo istorija, atsirado tik dėl fizikos dėsnių, ir kelių vandenilio atomų, tuomet aš manau, ar bent jau man atrodo, kad tai verčia mane jaustis nepaprastai vertingu.

Taigi tai yra LHC. LHC neabejotinai, kai bus įjungtas šią vasarą, pradės rašyti naują šios knygos skyrių. Ir aš be jokių abejonių laukiu, su milžinišku nekantrumu, kada jis bus įjungtas. Ačiū.

(Plojimai)