ฟิสิกส์กำลังมุ่งหน้าไปที่ใด (และเราจะไปถึงที่นั่นได้เร็วแค่ไหน)

อนาคตเป็นของผู้ที่เตรียมพร้อมสำหรับมัน เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ที่ยื่นคำร้องต่อหน่วยงานของรัฐบาลกลางเช่น NASA และกระทรวงพลังงานเพื่อขอทุนวิจัยต่างทราบดี ราคาของเครื่องมือราคาแพงอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศหรือเครื่องเร่งอนุภาคอาจสูงถึง 1 หมื่นล้านดอลลาร์

และในเดือนมิถุนายนที่ผ่านมา ชุมชนฟิสิกส์เริ่มพิจารณาว่าพวกเขาต้องการทำอะไรต่อไปและทำไม

นั่นคืออำนาจหน้าที่ของคณะกรรมการที่แต่งตั้งโดย National Academy of Sciences ซึ่งเรียกว่า ฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน: ความก้าวหน้าและคำสัญญา. นักวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นสองคนร่วมกันเป็นประธาน: Maria Spiropulu ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Shang-Yi Ch’en ที่ California Institute of Technology และ Michael Turner นักจักรวาลวิทยาศาสตราจารย์กิตติคุณแห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกอดีตผู้ช่วยผู้อำนวยการ National Science มูลนิธิและอดีตประธาน American Physical Society

ในปี 1980 ดร. เทิร์นเนอร์เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่เริ่มใช้เครื่องมือทางฟิสิกส์ของอนุภาคเพื่อศึกษาบิกแบงและวิวัฒนาการของเอกภพ และใช้เอกภพเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ของอนุภาค ดร. สปิโรปูลู ซึ่งเกิดในกรีซ อยู่ในทีมในปี 2555 ที่ค้นพบฮิกส์โบซอนที่องค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือที่รู้จักกันในชื่อเซิร์น เธอตอนนี้ ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของรูหนอน. รายงานของคณะกรรมการมีกำหนดเผยแพร่ในเดือนมิถุนายน 2567

เมื่อเร็ว ๆ นี้ The Times ได้พบกับนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองเพื่อหารือเกี่ยวกับความก้าวหน้าของกลุ่ม ความผิดหวังในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา และความท้าทายที่รออยู่ข้างหน้า การสนทนาได้รับการแก้ไขเพื่อความชัดเจนและกระชับ

ทำไมถึงเรียกประชุมคณะนี้ตอนนี้?

ช่างกลึง: ฉันรู้สึกว่าสิ่งต่าง ๆ ที่น่าตื่นเต้นอย่างไม่เคยมีมาก่อนในฟิสิกส์ของอนุภาค ในแง่ของโอกาสในการเข้าใจอวกาศและเวลา สสารและพลังงาน และอนุภาคมูลฐาน — ถ้าพวกมันเป็นอนุภาคด้วยซ้ำ ถ้าคุณถามนักฟิสิกส์อนุภาคว่าสนามไปทางไหน คุณจะได้คำตอบที่แตกต่างกันมากมาย

แต่วิสัยทัศน์ที่ยิ่งใหญ่คืออะไร? สนามนี้มีอะไรน่าตื่นเต้น ฉันตื่นเต้นมากในปี 1980 เกี่ยวกับแนวคิดของการรวมเป็นหนึ่งที่ยิ่งใหญ่ และตอนนี้มันดูเล็กน้อยเมื่อเทียบกับความเป็นไปได้ข้างหน้า

คุณกำลังอ้างถึง Grand Unified Theories หรือ GUTs ซึ่งถือว่าเป็นวิธีการบรรลุความฝันของไอน์สไตน์เกี่ยวกับสมการเดียวที่ครอบคลุมพลังธรรมชาติทั้งหมด เราอยู่ที่ไหนในการรวมกัน?

ช่างกลึง: เท่าที่เราทราบ องค์ประกอบพื้นฐานของสสารคือควาร์กและเลปตอน กฎที่ควบคุมพวกมันถูกอธิบายโดยทฤษฎีสนามควอนตัมที่เรียกว่า Standard Model นอกจากโครงสร้างแล้ว ยังมีตัวพาแรงซึ่งก็คือโฟตอนของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แปดกลูออนของแรงสีที่แข็งแกร่ง โบซอน W และ Z ของแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน และฮิกส์โบซอน ซึ่งอธิบายว่าทำไมอนุภาคบางชนิดจึงมีมวล การค้นพบฮิกส์โบซอนทำให้แบบจำลองมาตรฐานเสร็จสมบูรณ์

แต่การแสวงหากฎพื้นฐานยังไม่สิ้นสุด เหตุใดจึงต้องสร้างบล็อกสองประเภทที่แตกต่างกัน ทำไมจึงมีอนุภาค “มูลฐาน” มากมาย ทำไมต้องสี่แรง? สสารมืด พลังงานมืด แรงโน้มถ่วง และกาลอวกาศเข้ากันได้อย่างไร? การตอบคำถามเหล่านี้เป็นผลงานของฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

สไปโรปูลู: เส้นโค้งคือเราไม่เข้าใจมวลของฮิกส์ซึ่งมีมวลประมาณ 125 เท่าของอะตอมไฮโดรเจน

เมื่อเราค้นพบฮิกส์ สิ่งแรกที่เราคาดหวังคือการหาอนุภาคที่มีความสมมาตรยิ่งยวดใหม่เหล่านี้ เนื่องจากมวลที่เราวัดได้นั้นไม่เสถียรหากไม่มีอนุภาคเหล่านี้ แต่เรายังไม่พบพวกมัน (หากสนามฮิกส์พังทลาย เราอาจแตกออกเป็นจักรวาลอื่นได้ และแน่นอนว่ามันยังไม่เกิดขึ้น)

ที่บดขยี้เล็กน้อย เป็นเวลา 20 ปีที่ฉันไล่ตามอนุภาคที่มีความสมมาตรยิ่งยวด เราก็เหมือนกวางบนไฟหน้า เราไม่พบความสมมาตร เราไม่พบสสารมืดในรูปของอนุภาค

ช่างกลึง: การรวมพลังเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสิ่งที่เกิดขึ้น แต่มันน่าเบื่อเมื่อเทียบกับคำถามที่ใหญ่กว่าเกี่ยวกับอวกาศและเวลา การอภิปรายว่าอวกาศและเวลาคืออะไรและมาจากไหนนั้นอยู่ในขอบเขตของฟิสิกส์ของอนุภาค

จากมุมมองของจักรวาลวิทยา บิ๊กแบงคือจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา อย่างน้อยก็จากมุมมองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ดังนั้นจุดกำเนิดของเอกภพ อวกาศ และเวลาจึงเชื่อมโยงกันทั้งหมด และจักรวาลมีจุดสิ้นสุดหรือไม่? มีลิขสิทธิ์หรือไม่? มีช่องว่างและเวลาเท่าไร? คำถามนั้นสมเหตุสมผลหรือไม่?

สไปโรปูลู: สำหรับฉันแล้ว การรวมเป็นหนึ่งไม่ได้น่าเบื่อ แค่พูด.

ช่างกลึง: ฉันหมายถึงการพูดที่ค่อนข้างน่าเบื่อ ยังคงน่าสนใจมาก!

สไปโรปูลู: คำใบ้ที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับเอกภาพของธรรมชาติมาจากฟิสิกส์ของอนุภาค ที่พลังงานสูงเพียงพอ แรงพื้นฐาน — แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์แบบเข้มและอ่อน — ดูเหมือนจะเท่ากัน

แต่เราไม่ถึงระดับพระเจ้าในเครื่องเร่งอนุภาคของเรา ดังนั้น เราอาจต้องเปลี่ยนคำถามเสียใหม่ ในมุมมองของฉัน กฎสูงสุดยังคงเป็นปริศนาที่ยืดเยื้อ และวิธีที่เราจะแก้ปัญหานั้นจะต้องผ่านการคิดใหม่

ช่างกลึง: ฉันชอบสิ่งที่มาเรียพูด รู้สึกเหมือนเรามีปริศนาทั้งหมดอยู่บนโต๊ะ ดูเหมือนว่ากองกำลังทั้งสี่ที่เราเห็นเป็นเพียงแง่มุมที่แตกต่างกันของกองกำลังที่เป็นหนึ่งเดียว แต่นั่นอาจไม่ใช่วิธีที่เหมาะสมในการตั้งคำถาม

นั่นคือจุดเด่นของวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่: คุณถามคำถาม และมักจะกลายเป็นคำถามที่ผิด แต่คุณต้องถามคำถามเพียงเพื่อที่จะได้รู้ว่าคำถามนั้นผิด ถ้าใช่คุณถามใหม่

ทฤษฎีสตริง – “ทฤษฎีของทุกสิ่ง” ที่โอ้อวด – อธิบายอนุภาคพื้นฐานและแรงในธรรมชาติว่าเป็นพลังงานที่สั่นสะเทือน มีความหวังบนขอบฟ้าของเราที่จะเข้าใจได้ดีขึ้นหรือไม่? ความเข้มงวดที่ถูกกล่าวหานี้แสดงให้เห็นเฉพาะที่พลังงานที่สูงกว่าที่เครื่องเร่งอนุภาคใดๆ จะสามารถบรรลุได้นับล้านเท่า นักวิทยาศาสตร์บางคนวิจารณ์ทฤษฎีสตริงว่าเป็นวิทยาศาสตร์นอกตำรา

สไปโรปูลู: ไม่สามารถทดสอบได้

ช่างกลึง: แต่มันเป็นเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่ทรงพลัง และถ้าคุณดูความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ในช่วง 2,500 ปีที่ผ่านมา ตั้งแต่ชาว Milesians ที่เริ่มต้นโดยไม่มีคณิตศาสตร์ จนถึงปัจจุบัน เรขาคณิต พีชคณิต นิวตันและแคลคูลัส ไอน์สไตน์และเรขาคณิตที่ไม่ใช่รีมันน์

สไปโรปูลู: ฉันจะกล้าพูดมากขึ้นว่าทฤษฎีสตริงเป็นเฟรมเวิร์ก เช่นเดียวกับเฟรมเวิร์กอื่นๆ ที่เราค้นพบ ซึ่งภายในนั้นเราพยายามอธิบายโลกทางกายภาพ โมเดลมาตรฐานเป็นเฟรมเวิร์ก และในช่วงของพลังงานที่เราสามารถทดสอบได้ เฟรมเวิร์กได้พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์

ช่างกลึง: พูดอีกอย่างก็คือเรามีคำและภาษาใหม่เพื่ออธิบายธรรมชาติ คณิตศาสตร์เป็นภาษาของวิทยาศาสตร์ และยิ่งภาษาของเราสมบูรณ์มากขึ้น เราก็สามารถอธิบายธรรมชาติได้ครบถ้วนมากขึ้น เราจะต้องรอดูสิ่งที่มาจากทฤษฎีสตริง แต่ฉันคิดว่ามันจะใหญ่

ในบรรดาคุณสมบัติหลายอย่างของทฤษฎีสตริงก็คือ สมการดูเหมือนจะมีคำตอบ 10⁵⁰⁰ — อธิบายถึงจักรวาลที่เป็นไปได้ที่แตกต่างกัน 10⁵⁰⁰ หรือมากกว่านั้น เราอาศัยอยู่ในลิขสิทธิ์หรือไม่?

ช่างกลึง: ฉันคิดว่าเราต้องจัดการกับมันแม้ว่ามันจะฟังดูบ้าๆ และลิขสิทธิ์ทำให้ฉันปวดหัว ไม่สามารถทดสอบได้ อย่างน้อยก็ยังไม่ใช่วิทยาศาสตร์ แต่อาจเป็นแนวคิดที่สำคัญที่สุดในยุคของเรา มันเป็นหนึ่งในสิ่งที่อยู่บนโต๊ะ ปวดหัวหรือไม่เราต้องจัดการกับมัน ต้องขึ้นหรือลง ไม่ว่าจะเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์หรือไม่ใช่ส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์

ทำไมจึงถือเป็นชัยชนะที่แบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยาไม่ได้บอกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ของเอกภพคืออะไร? มีเพียงร้อยละ 5 เท่านั้นที่เป็นวัสดุปรมาณู เช่น ดวงดาวและผู้คน 25 เปอร์เซ็นต์เป็น “สสารมืด” อื่นๆ และอีกประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์เป็นสิ่งที่แปลกกว่านั้น — ไมค์ตั้งชื่อมันว่า “พลังงานมืด” — ซึ่งทำให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราเร่ง

ช่างกลึง: นั่นเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ ใช่ เราได้ตั้งชื่อองค์ประกอบหลักทั้งหมดแล้ว

แต่คุณไม่รู้ว่าส่วนใหญ่เป็นอย่างไร

สไปโรปูลู: เราจนตรอกเมื่อเราเข้าไปลึกมาก และเมื่อถึงจุดหนึ่ง เราต้องเปลี่ยนเกียร์ เปลี่ยนคำถามหรือวิธีการ ท้ายที่สุดแล้ว การเข้าใจฟิสิกส์ของจักรวาลไม่ใช่การเดินเล่นในสวน คำถามที่ไม่ได้รับคำตอบมีมากกว่าคำตอบ

หากการรวมกันเป็นคำถามที่ผิด อะไรคือสิ่งที่ถูกต้อง

ช่างกลึง: ฉันไม่คิดว่าคุณจะพูดถึงอวกาศ เวลา สสาร พลังงาน และอนุภาคมูลฐานได้ โดยไม่พูดถึงประวัติศาสตร์ของจักรวาล

บิ๊กแบงดูเหมือนจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา เราจึงถามได้ว่า จริงๆ แล้วอวกาศและเวลาคืออะไร? ไอน์สไตน์แสดงให้เราเห็นว่าสถานที่เหล่านั้นไม่ได้เป็นเพียงสถานที่ที่สิ่งต่างๆ เกิดขึ้น ดังที่นิวตันกล่าวไว้ มีพลวัต: อวกาศสามารถโค้งงอได้และเวลาสามารถบิดงอได้ แต่ตอนนี้เราพร้อมที่จะตอบคำถาม: พวกเขามาจากไหน?

เราเป็นสิ่งมีชีวิตแห่งเวลา ดังนั้นเราจึงคิดว่าจักรวาลเป็นเรื่องของเวลา และนั่นอาจเป็นวิธีที่ผิดในการมองจักรวาล

เราต้องจำสิ่งที่คุณพูดก่อนหน้านี้ เครื่องมือจำนวนมากในฟิสิกส์ของอนุภาคใช้เวลานานมากในการพัฒนาและมีราคาแพงมาก การลงทุนเหล่านี้มักจะให้ผลตอบแทนเสมอ มักจะมาพร้อมกับความประหลาดใจครั้งใหญ่ที่เปลี่ยนแนวทางของวิทยาศาสตร์

และนั่นทำให้ความคืบหน้ามีความท้าทาย แต่ฉันมีความเชื่อมั่นในฟิสิกส์ของอนุภาคเพราะโอกาสไม่เคยยิ่งใหญ่กว่านี้มาก่อนและสาขานี้อยู่ในแนวหน้าของวิทยาศาสตร์มาหลายปีแล้ว ฟิสิกส์ของอนุภาคได้คิดค้นวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ระดับโลกและสิ่งอำนวยความสะดวกระดับชาติและระดับโลก หากประวัติศาสตร์เป็นแนวทาง ไม่มีอะไรจะขัดขวางพวกเขาจากการตอบคำถามสำคัญ!

ใช้เวลาสามทศวรรษในการสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์

สไปโรปูลู: อวกาศ — บิงโก!

เทอร์เนอร์: ฉันหมายความว่าวิทยาศาสตร์เป็นเรื่องของความฝันที่ยิ่งใหญ่ บางครั้งความฝันก็อยู่ไกลเกินเอื้อม แต่วิทยาศาสตร์อนุญาตให้มนุษยชาติทำสิ่งที่ยิ่งใหญ่ได้ เช่น วัคซีนโควิด, Large Hadron Collider, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, กล้องโทรทรรศน์ Webb ซึ่งขยายวิสัยทัศน์และพลังของเราในการกำหนดอนาคตของเรา เมื่อเราทำสิ่งใหญ่ ๆ ในปัจจุบัน เราทำร่วมกัน หากเรายังคงฝันให้ใหญ่และทำงานร่วมกัน สิ่งที่น่าทึ่งยิ่งกว่ารออยู่ข้างหน้า