Vaš intervju: Z Matejem Mertikom o skrivnostih narave same

7.2.2016 | 09:15

Med predavanji na Fakulteti za informacijske študije v Novem mestu me je doletela posebna priložnost. Obiskal me je namreč učenec šestega razreda Osnovne iz Bršljina, Bor Brudar. Bor je zvedav in bister fant, ki me je želel spoznati, se z menoj pogovarjati o vesolju in ne o računalnikih, ter z mano narediti intervju. Izvedel je namreč, da že leto dni raziskujem v laboratoriju, kjer ustvarjajo razmere nastanka vesolja samega in čeprav sam raziskujem na področju računalniških znanosti v skupini za zaščito naprave in električno celovitost, kjer razvijamo orodje za pregled meritev, ki se izvajajo ob zagonu, sem mu na njegova vprašanja o organizaciji CERN in vesolju poskušal odgovoriti na kratkem predavanju po svojih najboljših zmožnostih. Bor je v predavalnici pred študenti vestno sedel v prvi vrsti in si stvari zapisoval. Po božiču mi je v pregled poslal intervju, ki ga je sestavil in me nemalo namučil z odgovori, a sem ga z veseljem dopolnil. Upam, da bova tako skupaj vam, ki ga boste prebrali, osvetlila nekatere stvari o Evropski organizaciji za jedrske raziskave CERN v Ženevi ter vam ob tej priložnosti zaželela še mnogo radovednega ustvarjanja in zvedavosti. Hvala Boru in njegovi učiteljici Simoni Žiberna, ki me je obiskala.

doc. dr. Matej Mertik
pridruženi znanstveni sodelavec / scientific associate
oddelek TE-MPE-EE, CERN
Fakulteta za informacijske študije Novo mesto

Bor: Kaj natanko proučujete v LHC-ju?

Matej: Z velikim hadronskim trkalnikom (LHC - Large Hadron Collider) raziskujemo skrivnosti narave same. Kako je sestavljeno vesolje in z vesoljem mi sami, kakšne so zakonitosti narave v najmanjšem možnem merilu, kako delujejo osnovne sile, kako je nastalo vesolje. Zato LHC imenujemo tudi stroj Velikega poka (Big Bang machine), ker z njim poustvarjamo razmere ob nastanku vesolja samega. Da pa je to mogoče, znanstveniki na njem izvajajo štiri eksperimente: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) in LHCb (LHC-beauty). V prvih dveh (ATLAS in CMS) so preizkušali teorijo o obstoju Higgsovega delca, ki nam govori o tem, zakaj imajo osnovni elementarni delci maso. Teorija je nastala pred 48 leti, a dokazati so ju uspeli šele s tema eksperimentoma LHC v letu 2012. LHCb služi t.i. preučevanju b-kvarka (beauty quark), iz katerega lastnosti je mogoče raziskovati, zakaj je v vesolju prevladala materija nad antimaterijo, ALICE pa je eksperiment, v katerem poustvarjajo razmere, kakršne so bile ob velikem poku.

Sam trkalnik LHC predstavlja pospeševalno stezo, v kateri se delci pospešijo do 99.99999% svetlobne hitrosti (299.792,458 km/s), da pa to lahko dosežejo, se pospešujejo že prej v kompleksu manjših pospeševalnikov: linearna pospeševalnika LINAC 2 in LINAC 3,  Proton Synchrotron Booster (PSB),  Proton Synchrotron (PS) in Super Proton Synchrotron (SPS). Iz teh pospeševalnikov se delci v zadnji fazi preusmerijo v veliki hadronski trkalnik LHC. V osnovi LHC deluje tako kot vsak ciklotronski pospeševalnik delcev, kjer se z izmeničnim električnim poljem delci pospešujejo, z magnetnim poljem pa ukrivljajo, sicer bi odleteli iz pospeševalnika. Ampak, ker je LHC megalomanska naprava in eden največjih znanstvenih eksperimentov, katerega obseg je kar 27 kilometrov, govorimo pri njeni gradnji in vzdrževanju o samih presežkih inženirstva in računalniških znanosti.

Danes LHC deluje z dvakratno močjo, kot je bila moč naprave ob odkritju Higssovega delca. To moč fiziki označujejo z 13 TeV (tera elektron voltov). En elektron volt je sicer energija, ki je potrebna, da premaknemo elektron za en meter. Če bi na primer za to uporabili 1V baterijo, bi za vso moč, ki jo danes ima trkalnik rabili toliko baterij, da bi na vsako zvezdo v galaksiji Andromede lahko nanizali 12 takšnih baterij, kar je ogromna številka. Sicer pa ta energija ni večja od tiste, ki jo ima komar v letu, kot rad pove Rolf Heuer, a komar je sestavljen iz nekaj milijard atomov (in toliko več protonov), zato taka zmanjšana na velikost ducata protonov seveda predstavlja izjemno gostoto energije, ob kateri lahko preučujemo nastanek novih delcev.

V študiji in izdelavah so tudi načrti za zmogljivejši trkalnik obsega 80 kilometrov, ki bi naj razširil LHC. Glede na situacijo v svetu, bazična znanost danes žal ni med prioritetami (čeprav predvsem zaradi nje nastajajo uporabne stvari; na CERNu je najbolj znan izum svetovnega spleta WWW, ki je nastal kot orodje za potrebe komuniciranja pri raziskovanju), zato je veliko vprašanje, ali bodo države in svet v prihodnje namenili sredstva v ta namen - za raziskovanje vprašanj, ki so ključna za naš obstoj - ali bodo le-ta v večji meri rezervirana za druge stvari, ki smo jim priča danes (reševanje ekonomskih kazalcev, oborožitev...), a nikoli ne smemo izgubiti upanja. Dobro je tudi vedeti, da je CERN svetovna organizacija, ki si prizadeva za povezovanje vseh različnih kultur in narodnosti s trajnim razvojem znanosti za mir, da njen nastanek sega v leto 1954 in, da so jo države ustanoviteljice  ustanovile v namene raziskovanja jedrske energije za miroljubne namene po uporabi le te v drugi svetovni vojni. CERN je tako tudi članica in stalna opazovalka Združenih Narodov. V njej sodeluje več kot 11.000 znanstvenikov po svetu iz več kot 100 različnih držav. Trenutno ima organizacija 21 članic, med katerimi je kot zadnja pristopil Izrael v letu 2014. Srbija, Turčija, Pakistan in Romunija so kandidatke za članstvo, medtem ko Slovenija danes žal še ni ne kandidatka in ne članica.

Bor: Kako zmogljivi so detektorji v LHC-ju?

Matej: LHC je v osnovi gargantumski mikroskop. Je največji in najbolj zmogljiv pospeševalnik delcev na svetu, najbolj kompleksen eksperiment, ki je bil kadarkoli zgrajen in največji aparat na planetu. Če govorimo o njegovi zmogljivosti, moramo najprej govoriti o tem, kam bi radi pogledali in pogledali bi radi v nastanek vesolja. S teleskopi se lahko oziramo v nebo in tako opazujemo v preteklost nastanka našega vesolja. Vendar, ker je bilo vesolje v začetni fazi ne-transparentno, zelo vroče in ker se v začetnem času niso tvorili stabilni atomi, ga lahko s teleskopi opazujemo le vse do nekje 400.000 let po velikem poku. Šele po tem se je namreč začelo vesolje ohlajati do te mere, da so se lahko sprostili delci, ki jih s teleskopi lahko zaznamo (fotoni). Pred tem so fotoni bili v tako močni interakciji z drugimi delci, da niso mogli uiti. To je tako imenovano skrito vesolje. Če hočemo torej pogledati v to skrito vesolje, potrebujemo mikroskop ali aparat v katerem to vesolje poustvarjamo. Večjo gostoto energije imamo v pospeševalniku, bližje se lahko približamo poustvarjanju razmer tega vročega vesolja. Z LHCjem je mogoče prodreti vse do 10 na minus 12 sekunde po velikem poku. To lahko poimenujemo premoščanje stene skritega vesolja in nobena naprava na Zemlji ne zmore videti dlje v nastanek vesolja kot to lahko Veliki hadronski pospeševalnik LHC. Treba pa je poudariti, da z LHCjem dejansko poustvarjamo to zgodnje vesolje v tem trenutku, kot sva rekla, medtem ko s teleskopi zremo v tistega v katerem smo, torej v našo preteklost.

Bor: Mar verjamete v »time travel«?

Matej: To sicer govorim iz osebnega vidika. Govori se, da je potovanje v času teoretično možno s pomočjo črnih lukenj, ki ustvarijo ukrivljenost Lorentzove mnogoterosti s svetovnico poimenovano zaprta časovna krivulja (closed timelike curve – CTC), vendar ta povzroča obstoj dedkovega paradoksa, ki pravi, da če v potovanju nazaj v preteklost umaknemo svojega dedka, sami ne moremo obstajati. Nisem specialist na tem področju, čeprav bi nam časovna potovanja še kako prišla prav, a se nagibam k tistemu, kar meni Stephen Hawking, namreč, da bi taka potovanja ustvarila velike logične probleme, morda večjih razsežnosti, kot so ljubezenski, zato upamo, da niso mogoča in jih onemogoča neke vrste zaščitni kronološki zakon. Ampak, ker v znanstveni fantastiki vseeno so, torej ni razloga, da bi izgubili upanje. Zato upamo na teorijo strun in smo že tam v aktualnih mnogoterih vesoljih, kjer lahko midva zamenjava vloge.

Bor: Pa imate kakršnekoli dokaze o obstoju belih lukenj?

Matej: Nisem prepričan, da sem slišal za njih, a se mi nekaj dozdeva, zato sem šel pogledat. Bele luknje so matematični konstrukt splošne relativnostne teorije, ki v realnosti ne obstajajo in jih lahko poimenujemo tudi anti-črne luknje, so torej del teorije črnih lukenj, a eksistirajo le kot matematično orodje pri rešitvah črnih lukenj in za razliko od slednjih fizikalno ne morejo obstajati. Sicer tudi neposrednih dokazov o obstoju črnih lukenj pravzaprav ni, a so danes na podlagi relativnostne teorije in posrednih opazovanj splošno sprejete kot del našega vesolja, čeprav obstaja nekaj polemike tudi o tem, da jih ni.

Bor: Letos (2015) so zaznali nekakšno sevanje, ki bi lahko prihajalo iz vzporednega vesolja. Kaj vi pravite na to?

Matej: Gre za anomalije kozmičnega ozadja/prasevanja, ki so jih odkrili na posnetkih podatkov Plankovega teleskopa v primerjavi s celotnim posnetkom nočnega neba. Kot sva že povedala, kozmično ozadje razkriva izbruhe starodavne svetlobe, ki razkrivajo podpise sevanja v vesolju približno 400.000 let po Velikem poku. Ta starodavna svetloba je posledica kombinacij, ko se elektroni in protoni prvič združili in ustvarili atom vodika (mimogrede, vodikovi atomi so tudi glavno gorivo za trkalnik LHC). Ker vodik oddaja omejen spekter vidne svetlobe, astronomi vedo, kakšne barve bi in bi ne morali biti ti starodavni izbruhi. V tem primeru je šlo za odstopanje enega takega izbruha, kjer so znanstveniki pojav argumentirali s teorijo mnogoterih vesolj, ki bi lahko pojasnila ta fenomen. Gre torej za teoretični poizkus, kakršnihkoli eksperimentalnih dokazov za obstoj vzporednih vesolj seveda nimamo. Je pa res, da je LHC naprava, ki bi se posrednim dokazom o tem lahko prva približala (potrditev Higssovega delca mnogoterih vesolj ni ovrgla, niti potrdila), če ta vesolja seveda so. Znanstveniki imajo o tem različna mnenja. Meni osebno se zdi, da je mnogoterost neka naravna danost, zato menim, da mnogotera vesolja obstajajo, ker ne vidim razloga, zakaj bi sicer obstajalo le eno samo. Res pa je, da je že eno samo precej naporno in da imamo zaenkrat popolnoma enako prav oboji, torej tudi tisti, ki pravijo, da so mnogotera vesolja le filozofski in imaginarni konstrukt. Sicer je pa Douaglas Adams napisal, da je vesolj toliko kot je ljudi. In s tem se gotovo strinjam. In če že govoriva o kozmičnem prasevanju, omeniva še to, da je to gotovo področje, kjer je v prihodnje pričakovati veliko Nobelovih nagrad. Tako pravi tudi italijanski kolega Alberto Olivia, astrofizik, ki raziskuje temno snov na eksperimentu AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), ki je del mednarodne vesoljske postaje ISS (International Space Station) in na kateri ima tudi CERN svoj modul.

Bor: Kaj pa mislite, da se je dogajalo v predinflacijski dobi?

Matej: Teorija o bliskovitem oz. inflacijskem razvoju vesolja zelo dobro pojasni težave modela velikega poka, kjer je eden izmed velikih problemov problem gladkosti vesolja, kjer se sprašujemo o tem, kako to, da imajo lahko oddaljeni deli vesolja tako podobno temperaturo, čeprav niso bili nikoli v stiku. Hipoteza te teorije težavo razreši tako, da predpostavi, da je bilo celotno opazljivo vesolje veliko le 10-35 svetlobne sekunde, preden se je gromozansko hitro napihnilo. Sevanje, ki potuje s svetlobno hitrostjo je imelo tako pred inflacijo dovolj časa, da je izravnalo razlike v temperaturi in gostoti materije v določeni regiji vesolja. V tej kratki predinflacijski dobi so se torej izravnavale razlike teh dveh količin zgodnjega vesolja. Kaj je bilo pred to dobo, nihče zagotovo ne ve. Spraševati se še naprej o dogajanju pred Velikim pokom pa postane logično nesmiselno, saj prostora-časa pred tem ni bilo, zato vprašanja ne moremo pravilno zastaviti.

Kot zanimivost, avtor inflacijske teorije prof. Alan Guth se je v okviru konference Lepton Photon 2015, ki so jo pripravili slovenski znanstveniki s prof. Marko Mikužem, vodjo slovenskih znanstvenikov na CERNu, mudil v Ljubljani skupaj s prof. John Ellisom, ki deluje na CERNu, prof. Rolf-Dieter Heuerjem, direktorjem CERNa in bodočo direktorico CERNa prof. Fabiolo Gianotti.

Bor: Kaj pa veliko poenotenje?

Matej: Standardni model, ki se je sklenil z zadnjim predvidenim Higgsovim delcem, je najpopolnejši model razlage strukture narave in sil, ki je na voljo danes, gotovo pa ni popoln. Model ima namreč nekaj pomanjkljivosti. Vsebuje precej prostih parametrov, kot so mase delcev, ki jih ne zna pojasniti in ne vključuje kvantne gravitacije, zato upravičeno domnevamo, da ni dokončen. Vsemu povrh pojasnjuje le 4% vsega vidnega vesolja, ostalih 26% zapolnjuje tako imenovana temna masa, skoraj tri četrtine pa temna energija, ki pravzaprav omogoča širjenje vesolja, ki se iz dneva v dan hitreje širi. Veliko poenotenje je teorija, ki skuša odpraviti nekatere pomanjkljivosti standardnega modela s poenotenjem znanih sil. Prav LHC z večjo energijo 13TeV omogoča vpoglede v te razloge in nekatere nove ideje, ki se naslavljajo na veliko poenotenje, kot so na primer danes zelo aktualne teorije superimetrije poimenovane SUSY. SUSY predvideva obstoj zrcalnih delcev delcem standardnega modela, ki, če ga tako razširimo, v teoriji omogoči, da se v skupni točki poenotijo elektromagnetna, šibka in močna jedrska sila, zato je SUSY ena izmed vročih polj trenutnega dogajanja na CERNu, saj se fiziki nadejajo, da bi iz novo pridobljenih podatkov lahko pogledali v zakulisje standardnega modela.

Bor: Kakšno funkcijo pa imajo pentakvarki?

Matej: Kvarki so osnovni delci narave, ki sestavljajo protone in nevtrone, iz njih nastanejo atomska jedra, z elektroni dobimo atom, z atomi molekule, spojine, DNA in nas. V osnovi kvarki v naravi obstajajo v trojčkih (nevtron in proton sestavljajo po trije različno obarvani kvarki) in v parih kvark-antikvark. Pentakvarki so do nedavnega bili predvideni le v teoriji, ki je nastala že v šestdesetih letih, vendar pa so v 2015 iz podatkov LHCja eksperimenta LHCb našli njihovo sled razpada in s tem njihov obstoj. To znanstvenikom omogoča nadaljnjo študijo in razumevanje delovanja močne jedrske sile za katero še niso poznani vsi vidiki. Kot zanimivost omeniva, da LHCb ni bil eksperiment, v katerem bil bil obstoj pentakvarkov eden izmed ciljev, gre bolj za odkritje, ki je nastalo ob ciljih LHCb, kar je sicer pogost pojav v znanosti. Znanstveniki se namreč veliko motimo, včasih tudi takrat, ko govorimo, da imamo prav, velikokrat pa se zgodi tudi to, da odkrijemo kaj pravilnega, ko se motimo in s tem odkrijemo stvari, brez katerih si danes ne predstavljamo sveta. Tudi sam se motim, a motiti se je potrebno, brez tega ne odkrijemo bistva.

Bor: Ljudje smo štiridimenzionalna bitja. Po M-teoriji obstaja 11 dimenzij. Pa ste na poti k odkritju pete dimenzije?

Matej: Zaenkrat v našem običajnem svetu zaznamo tri prostorske in eno časovno dimenzijo. To kar opazimo okrog nas je, kar sva že povedala, 4% tistega, kar lahko danes pojasnimo. Teorija strun točkaste delce nadomesti z majhnimi strunami, odpravlja veliko pomanjkljivosti standardnega modela in združuje splošno relativnostno teorijo s kvantno mehaniko ter tako odgovore na nekatera vprašanja konstant in vrednosti, ki jih imajo osnovni delci, saj s konfiguracijo Calabi-Yauevih 11 dimenzionalnih prostorov proizvede natančno tisto konfiguracijo vesolja, v katerem so parametri uglašeni tako, da lahko naše vesolje obstaja in se lahko sprašujemo o njem. M teorija združuje vse vidike teorije strun v skupno teorijo, za svoje delovanje pa potrebuje 11 dimenzionalni prostor, v katerem bi naj preostalih sedem dimenzij bilo zvitih in nam nevidnih, obstajajo pa tudi interpretacije o tako velikih, ki segajo čez celotno opazovano vesolje. Težava teorije strun in s tem M teorije pa je ena sama in sicer v potrditvi eksperimentalnih dokazov. Gre namreč za velikostni razred prostora-časa na ravni Planckove konstante, za kar potrebujemo ogromne količine energije, ki je na Zemlji ni mogoče poustvariti. Kljub temu velja, da je LHC trenutno edina naprava, ki lahko posredno odkrije zabrisane sledi, ki bi lahko nakazovale smer in obstoj teh novih zvitih dimenzij. Niso pa mogoče seveda le nove prostorske dimenzije temveč tudi kakšna časovna. Če se malo pošaliva in se poigrava z mislijo, kaj bi se zgodilo, če bi bila na voljo nova časovna dimenzija, bi lahko rekla, da bi se midva v tej novi časovni dimenziji edina sprehajala naokrog, vsi okoli naju pa bi bili zamrznjeni kot na fotografiji.

Bor: Pa imate kakšno lastnost Higgsovega delca, ki bi nam povedala, zakaj ta delce zavira različno hitro (enih pa sploh ne)?

Matej: Higssov mehanizem pravi, da se vsi elementarni delci sprehajajo skozi tako imenovano Higgsovo polje, s katerim izmenjavajo virtualne Higgsove delce. Več je izmenjave, večjo maso imajo. Tisti, ki z njim ne interirajo, sploh nimajo elementarne mase, tak je na primer foton. Da bi lahko potrdili obstoj Higssovega delca, je to polje v realnosti treba vzpodbuditi z dovolj veliko energijo, da se pojavi pravi Higgsov delec (če tako polje seveda obstaja), ki nato zelo hitro razpade. Tak eksperiment je bil potrjen z LHC leta 2012 v CERNu, kjer je LHC bil načrtovan prav za doseg tega razreda energije, da bi lahko dokazal Higgsov delec za katerega obstoj je bila leta 2013 podeljena tudi Nobelova nagrada Petru Higgsu in Françoisu Englertu, še živečima avtorjema omenjene teorije o izvoru mase elementarnih delcev. V naslednji fiziki (to na CERNu imenujemo Fizika II) bodo znanstveniki lahko odkrili več lastnosti o tem Higssovem delcu. Ravno ko tole govoriva, so fiziki na CERNu poročali o preliminarnih namigih o obstoju novega delca na podatkih, ki smo jih zbrali v letu 2015 na novi energiji in sicer v velikostnem razredu 750 GeV. Če bodo nadaljnji podatki pokazali večjo statistično verjetnost, lahko odkrijemo obstoj težje različice Higssovega delca ali celo obstoj gravitona, a tega ne moremo prav zares trditi. Treba je biti potrpežljiv in izvajati poskuse ter zbirati ter analizirati podatke ter upati, da bo nam narava hvaležno odkrila še kakšno njeno skrivnost.

Bor: Ne tako dolgo nazaj so odkrili kvantno teleportacijo. Mislite, da bi človeštvu uspelo »uničiti« načelo kvantne nedoločenosti ter se tako uspeti teleportirati?

Matej: Za teleportacijo po trenutno veljavni fiziki velja, da je omejena s hitrostjo svetlobe. Torej tudi če uspemo zagotoviti dva prepletena delca, ki sta med seboj povezana tako, da ko vplivamo na enega hkrati izvedemo hipno spremembo na drugem ne glede na lokacijo, ta je lahko pri nama v predavalnici, ali pa sta delca lahko vsak v svoji galaksiji, še vedno velja, da moramo prenesti informacijo iz točke A v točko B. Tega pa po trenutno veljavni fiziki ne zmoremo hitreje od svetlobe, čeprav se je prav na eksperimentu na CERNu, ko so nevtrine pošiljali in jih zaznavali v Italiji, ugotovilo, da bi lahko nevtrini potovali hitreje od svetlobe, a se je pokazalo tudi, da je šlo za sistemsko napako na poskusu. Ali kot se je v nekem intervjuju pošalil Lawrence Krauss: »Kako neki bi lahko nevtrini pripotovali 60 nano sekund prezgodaj in s tem predlagali, da so hitrejši od svetlobe? Vsi smo vedeli, da je to narobe. Sam sem vedel, da je to narobe, iz enega samega očitnega razloga. Če ste bili kdaj v Italiji -  tam nič ne prispe prezgodaj!«    

Matej Mertik je pridruženi znanstveni sodelavec Evropske organizacije za jedrske raziskave CERN, kjer deluje na tehnološkem oddelku v skupini za zaščito naprave in njeno električno celovitost (MPE - Machine Protection and Electrical Integrity Group). Ukvarja se z razvojem programske opreme za analitiko meritev podatkov električne celovitosti naprave in je prvi slovenski znanstvenik, ki deluje na tehnološkem oddelku v CERNu.

Matej je predavatelj na Fakulteti za informacijske študije, kjer predava predmete iz področja podatkovnega rudarjenja, informacijskih sistemov in razvoja programske opreme.

Fakulteta za informacijske študije v Novem mestu