Los mayores misterios sin resuelto del universo

El universo es un lugar profundamente desconcertante. Cada avance que hacemos en nuestra comprensión del mismo engendra más misterios sobre cómo todo esto salvajemente) realmente sucedió. En el nuevo libro Rarezas espaciales: las misteriosas anomalías que’desafían nuestra comprensión del universo, el físico experimental Harry Cliff describe algunos de los fenómenos más confusos en juego en la física. Cliff traza el camino que han tomado los científicos para llegar a nuestra comprensión moderna de cómo funciona todo.

Desde masas tan pequeñas que funcionan más como ondas hasta agujeros negros que ocultan su funcionamiento interno con un éxito excepcional, Cliff cubre la mayor parte Enigmático fenómeno conocido por los humanos. También presenta a las personas extraordinarias que buscan derribar estas anomalías. Resolver incluso uno de estos misterios podría desbloquear una nueva era de comprensión científica.

A continuación se muestra mi conversación con Cliff, ligeramente editada para mayor claridad.

Isaac Schultz, Gizmodo: Este libro es el segundo , después Cómo hacer una tarta de manzana desde cero.¿Por qué decidiste embarcarte en este segundo proyecto? ¿Qué faltaba, ya sea en tu cuerpo de trabajo o en el material publicado? ¿En lo que se refiere a la física de partículas que era necesario abordar?

Harry Cliff: Realmente surgió de mi investigación. Trabajo en el Gran Colisionador de Hadrones. Llegué justo al comienzo del Gran Colisionador de Hadrones. El Colisionador de Hadrones, al final de la primera década del siglo XXI. Y he estado allí desde entonces. Básicamente, ¿qué pasó? es que descubrimos el bosón de Higgs, que es fantástico y muy emocionante, y que completó nuestra comprensión de la física del siglo XX. en cierto sentido. La gran esperanza era que habría nuevos descubrimientos de cosas que no sabíamos antes, como la materia oscura. o supersimetría o lo que sea, y nada de eso apareció. Todas estas expectativas no se cumplieron. Pero a lo largo de la física de altas energías, estábamos viendo estas anomalías, que estaban insinuando la posible existencia de nuevas partículas o nuevas fuerzas que no habíamos imaginado. realmente, realmente emocionante.

Mi propia investigación desde aproximadamente 2015 en adelante realmente se centró en estas anomalías. Es una idea interesante con la que la gente puede no estar tan familiarizada. Porque en la historia de la física y nuestra comprensión de la naturaleza, los mayores avances a menudo provienen de estos pequeños y extraños efectos que podrías descartar al principio, que nadie realmente entiende. Resultan ser una pista de algún gran cambio nuevo en la forma de ves el mundo.

El libro es realmente un intento de explorar lo que está sucediendo en la investigación, en la cosmología y en nuestra comprensión del universo en este momento. , pero también coloque esto en algún tipo de contexto y diga: “la razón por la que estas cosas son tan emocionantes es porque en el pasado, han conducido a estos avances realmente grandes, y miramos hacia dónde esto podría llevarnos en el futuro”.

Gizmodo: Hablo mucho con gente que busca signos de materia oscura. Parece que gran parte del trabajo ahora mismo es simplemente estrechando el rango de masa. Tiene que estar allí. O almenos esperamos que así . Pero la pregunta pendiente es, “¿cuándo sucederá esto?” Al público y obviamente a los medios les encantaría que fuera una gran “noticia de última hora”. Pero una cosa que usted menciona en el libro es que la ciencia, en la mayoría de los casos, no funciona de esa manera.

Acantilado: Por lo general, estas cosas surgen gradualmente. Obtienes las primeras pistas y, a veces, se necesitan décadas o más para desentrañar estas cosas. Los ejemplos en el libro es este extraño problema con la órbita de Mercurio que se observó en el siglo XIX, donde Mercurio aparece demasiado pronto, básicamente, para los tránsitos del Sol. Eso tomó alrededor de un siglo más para descubrir cuál era su causa.

Es bastante raro en la ciencia que hay este momento ‘eureka!' donde todo queda claro. Eso sucede más a menudo cuando descubres algo esperas ver. El bosón de Higgs fue un ejemplo de eso. Se había predicho 50 años antes; se construye un hadrón grande Colisionador para experimentar, ve este nuevo protuberancia en un gráfico, pero saben qué es, porque lo esperan. Usted puede digamos: El 4 de julio de 2012, se descubrió el Higgs. Cuando realmente estás descubriendo algo nuevo que está fuera de tus expectativas, lleva mucho más tiempo, porque tienes que convencerte a ti mismo de lo que estás viendo, tienes que convencer a los demás de Lo que estás viendo. Las personas están mucho más dispuestas a aceptar las cosas que esperaban y mucho más resistentes a aceptar las cosas que no ver venir.

Una de las historias del libro trata sobre Adam Riess, el cosmólogo ganador del Premio Nobel. Ha estado lidiando con este problema con el expansión del universo. Ha estado trabajando duro en esto durante una década y, desde su punto de vista, esta anomalía es como oro. -chapado. Han comprobado todos los efectos posibles, y parece que realmente existe esta anomalía allí. Pero porque no hay explicación teórica ya preparada de lo que está causando esto, el resto del campo es mucho más escéptico. Él tiene un verdadero trabajo en su manos de persuadir a sus colegas de que este es el verdadero negocio.

Gizmodo: Abres y cierras el libro con la tensión del Hubble. ¿Por qué? ¿Qué hace que ese sea el punto de pivote?

Acantilado: Es en parte porque el espacio es más atractivo que la física de partículas. Creo que es más fácil para la gente involucrarse con algo que está sucediendo en El espacio y las cosas que suceden a nivel subnuclear son un poco más abstractas y difíciles de entender. Es bastante romántico pensar en las galaxias y la expansión del universo. En el libro trato cinco grandes anomalías. Hay cinco importantes capítulos sobre cosas que están sucediendo en este momento.

Pienso que de todos ellos, la tensión del Hubble es la que personalmente encuentro más convincente, simplemente porque es la que donde la teoría es muy clara acerca de lo que debería suceder y la evidencia experimental parece muy sólida. No es solo el grupo de Adam Riess. son muchos grupos. Básicamente, cada medición que se ha hecho de la expansión del espacio utilizando elementos del universo local, y mediante local, estamos hablando, ya sabes, distancias enormes todavía, pero las galaxias y cosas que puedes ver, básicamente todas se alinean, más o menos. Hay algunos que se tambalean, pero parece muy improbable en esta etapa, después de una década de escrutinio, que hay algún error realmente grande que se ha pasado por alto. Hay algo que debe entenderse, con seguridad. Ahora, si eso es algo Eso es verdaderamente revolucionario, como una reescritura de las leyes de la gravedad o una nueva forma de energía en el universo que no tenemos. entendido antes, tal vez diciéndonos algo sobre la energía oscura. Puede que tenga algo que ver con las suposiciones que tenemos en cosmología sobre la idea de que el universo se ve igual en todas direcciones y que el lugar en el que nos encontramos no es particularmente especial. Es el tipo de suposición que hacemos para poder hacer cosmología. Creo que es la anomalía que se probablemente nos esté diciendo algo bastante profundo. Los otros cuatro, creo, son mucho más difíciles de decir qué está pasando.

Si se toman 100 anomalías (y las anomalías van y vienen en física todo el tiempo) la mayoría de ellas desaparecerán. uno de ellos que en realidad resulta ser la verdadera pista. La razón de elegí esos cinco particulares es porque son unos que han existido durante bastante tiempo. Aprenderemos algo importante en el proceso de desentrañar estos, pero creo que es menos probable que se conviertan en algún nuevo gran descubrimiento físico. Mientras que creo que la tensión del Hubble, de cualquiera de ellos, está para hacerlo. Ese es en el que pondría mi dinero.

Gizmodo: ¿Cómo elegiste los experimentos que destacarías y las entrevistas que harías con físicos para darle vida a cada uno? de estos misterios?

Acantilado: La primera parte del prólogo es una descripción de un experimento llamado ANITA, que es un experimento increíble. Básicamente es un gigante. antena de radio lanzada hacia los cielos antárticos en este enorme globo de helio. Parte de la razón para elegir esa historia, junto con la anomalía siendo muy interesante, es que el experimento es realmente genial. Al principio de escribir, estaba pensando, ¿cómo podría conseguir un ¿Cómo organizar un viaje a la Antártida a partir de esto? Pero me di cuenta de que eso no iba a ser práctico ni asequible. Así que tuve para ir de segunda mano. Pero algunas de las personas más importantes involucradas están en Londres, que es donde estoy basado. Así que eso fue una especie de primera victoria fácil.

Pero viajé mucho a los Estados Unidos y a otros lugares para ver a las personas por las otras anomalías. guiado más por las anomalías mismas y menos por los experimentos. Pero uno de ellos es sobre mi propia investigación y sobre el experimento LHCb. en el CERN. Ese es un entorno que conozco muy bien. Así que podría describirlo de primera mano, mientras que los otros, por ejemplo, Fermilab, fui Allí. Supongo que uno de los privilegios de trabajar en este tipo de libros es enviar correos electrónicos a la gente y decirles: “¿Puedo ir a tu guarida bajo la montaña donde haces tu experimento de materia oscura?” Y la gente es muy abierta. “Oh, sí, Claro. Ven y te mostraremos los alrededores”.

Muchos de los entornos en los que se realizan experimentos de física de partículas y astronomía son lugares realmente extraordinarios. Una parte importante para cruzar el La ciencia no son sólo los conceptos y los fenómenos que se estudian, sino estos entornos extraordinarios donde se lleva a cabo la investigación científica.

Gizmodo: A veces pienso en la física de dos maneras, “mirando hacia arriba” y “mirando hacia abajo” como ciencia. La investigación de partículas en las profundidades subterráneas, eso sería una Experimento de “mirar hacia abajo”. Mirar la constante de Hubble, estudiar las estrellas Cefeidas, sería mirar hacia arriba. En el libro, dices vivimos en un universo de campos más que un universo de partículas, pero nos centramos en las partículas porque tienen masa. ¿Se logra un equilibrio entre la ciencia que “mira hacia arriba” y la ciencia que “mira hacia abajo”, por así decirlo?

Acantilado: Básicamente tenemos dos formas de estudiar el universo. Una es, como usted dice, mirando hacia arriba y la otra, mirando adentro. Yo digo, tal vez no mirando tanto hacia abajo, sino hacia adentro. Puedes obtener cierta cantidad de información al mirar los cielos, pero el factor limitante es que la mayor parte del universo está incómodamente lejos y no puedes ir. Solo hemos estado hasta la Luna en términos de exploración humana. En términos de máquinas, hasta los bordes del sistema solar ahora, con Voyager. Pero esa es una pequeña, pequeña fracción del tamaño del universo.

Es realmente a través de la combinación de estas dos técnicas que hemos logrado tanto progreso. Uno de los descubrimientos más revolucionarios, y tal vez no apreciado en estos tiempos fuera de la astrofísica, fue el descubrimiento de la espectroscopia. El descubrimiento de que los átomos de elementos particulares emiten estos longitudes de onda características de la luz y absorberlas. Esa fue la clave absoluta para descubrir tanto sobre el universo. Ese descubrimiento fue realizado por usar elementos que tenemos en la Tierra, y luego nos permite decir de qué está hecho el Sol por primera vez, o de qué está hecha la estrella más distante. Entonces, al juntar estas dos cosas, en última instancia, así es como la física progresa. En realidad, son sólo dos maneras diferentes de ver el mismo fenómeno. Y al reunir estas dos ideas, así es como se obtiene una visión completa. imagen.

Gizmodo: el El Gran Colisionador de Hadrones de alta luminosidad está en el horizonte. ¿Estás particularmente emocionado por este LHC de próxima generación? ¿Qué crees que podría resultar de esto?

Acantilado: Va a ser realmente interesante. Sólo hemos analizado una pequeña fracción de los datos que finalmente serán registrados por el LHC de alta luminosidad. En cierto modo, este experimento se ha vuelto aún más crucial, porque lo que hemos aprendido en la última década o Entonces, si hay nueva física en las escalas de energía que estamos investigando en el LHC, se está ocultando de manera bastante efectiva. máquina de alta precisión donde se obtienen, ya sabes, órdenes de magnitud, más datos nos permitirán averiguar si existen estos mismos eventos raros, procesos raros que están ocultos en los datos. Esa será nuestra mejor oportunidad de verlos.

Pero la otra cosa que creo que muchos colegas ahora están enfatizando es cuál será el legado del LHC. si no descubrimos ninguna física nueva en el LHC, vamos a dejar este extraordinario legado de comprender los ingredientes básicos de nuestro universo y las leyes que gobiernan su comportamiento. El objetivo básico para finales de la década de 2030, cuando esta cosa se apague por última vez, es que tendremos medidas realmente hermosas y precisas del modelo estándar. Eso va a ser realmente crucial. , porque cuando vayamos al próximo experimento, sea lo que sea, será ese tipo de trabajo preliminar que hemos hecho el que permítanos ver cuándo finalmente surge lo nuevo. Pero, por supuesto, tal vez tengamos suerte y es posible que consigamos lo nuevo. cosa en el próximo año.

Gizmodo: Tienes un par de anécdotas en el libro sobre errores al estilo de la caída de Ícaro, donde experimentos enteros colapsaron debido a una mala comprensión de la números o tomando los números de lugares equivocados. Se conecta con lo que escribiste sobre el experimento muon G-2 de Fermilab, donde vale la pena a usted mismo un doble ciego a partir de sus propios experimentos. De lo contrario, los números son en cierto modo tentadores.

Acantilado: Sí, absolutamente. Una de las citas que me encanta y que puse en el libro es de Feynman, que es la “primera La regla es que no debes engañarte a ti mismo, y tú eres la persona más fácil de engañar”. La gente está en la ciencia porque quiere hacer descubrimientos. La tentación de creer cuando ves algún efecto en tu experimento es enorme, porque todo el mundo quiere esa emoción, ese momento de ver algo que nadie ha visto antes. Creo que la cualidad más importante para los físicos experimentales es el escepticismo y la precaución real. A veces Incluso personas muy, muy cautelosas y escépticas cometen errores. Eso puede no deberse a que, ya sabes, hayan manipulado los datos o hayan hecho algo mal. Es solo que hay algún efecto muy sutil en el que nadie pensó.

Y eso sucede. En mi propia área de investigación, tuvimos una serie de anomalías que al final resultaron ser algunos antecedentes muy sutiles que pensábamos que teníamos bajo control. Pero cuando por casualidad tropezamos con alguna evidencia de que estas cosas en realidad no bajo control, eventualmente desenredamos esto. En otros casos, es la teoría la que puede salir mal. Pueden invadir suposiciones incorrectas. O incluso a veces muy básicos, como errores de la escuela secundaria en los que accidentalmente pones un -1 en lugar de un +1 o algo así. sucedió en el experimento de muones al que se refería. Literalmente hubo un error de signo en un cálculo que hizo que la gente pensara que estaban viendo evidencias de nueva física.

Pero luego hay ejemplos en los que las personas toman atajos. Eso a veces proviene de este feroz deseo de ser el primero. Y si estás en Al competir con otro experimento, quieres ser el que haga el gran descubrimiento. Y ahí es donde surge la tentación de no hacer algo. completamente cuidadosamente pueden entrar, y eso puede ser bastante desastroso si luego haces alguna afirmación importante que resulta no ser correcta . Pero eso es lo bueno de la ciencia. Se autocorrige. E incluso si se publica algo que resulta incorrecto, casi siempre, al final, será descubierto.

Gizmodo: Un ejemplo de ese tipo de arrogancia científica es el asunto Mercurio-Vulcano donde, como usted describe en el libro, este prestigioso astrofísico irrumpe en la casa de un astrónomo aficionado, y de repente se lanza este descubrimiento erróneo. Como usted dice, se necesita un siglo de deshacer, pero se hace.

Acantilado: Fue una locura, porque el descubridor de este planeta inexistente obtuvo, como, el honor más alto de Francia, por descubrir algo que no existía. t existe.

Gizmodo: Está ese caso y otro momento que usted describe, donde un joven Richard Feynman está muy nervioso por dar un discurso frente a Paul Dirac. .

Acantilado: Una de las razones para incorporar la historia es poner en contexto los experimentos modernos. Son parte de un largo proceso que A menudo se remonta a décadas atrás, de experimentación y teorización. Estás construyendo todo este conocimiento acumulado y luego dando el siguiente paso. eso tal vez conduzca a algo emocionante.

Gizmodo: Estabas viajando mucho, hablando con gente en campos de la física diferentes al tuyo para el libro. ¿Qué aprendiste? ¿Eso fue nuevo para ti?

Acantilado: Supongo que lo que realmente aprecié es simplemente el esfuerzo que se dedica, en particular, a los experimentos. Hay personas que dedican décadas de su vida para medir un número. Tomemos el experimento del muón G-2 en Fermilab como ejemplo. Chris Polly, quien es portavoz del experimento, quien me mostró el Fermilab, ha estado trabajando en este número durante toda su carrera. Hizo su doctorado en la primera versión del experimento. Sus colegas lideraron el desarrollo de esta nueva versión, que implicó este enorme proyecto logístico de mover este anillo magnético desde Nueva York a Chicago a través del Atlántico y el Río Mississippi, y luego años y años y años de minucioso trabajo, comprender cada pequeño fragmento del experimento, medir los campos magnéticos con una precisión increíble, controlar el entorno dentro del almacén. Y es sólo Después de toda esta increíble atención, finalmente, al final de ese proceso, obtienes un número. Y eso es lo que Volviendo a apuntar. Siento una gran admiración por personas como esa que están dispuestas a pasar décadas de trabajo para realmente agregar una un poco de nuevo conocimiento al banco de nuestra comprensión sobre la naturaleza.

Gizmodo: ¿Puedes contarme un poco sobre tu trabajo en el experimento LHCb?

Acantilado: LHCb es uno de los cuatro grandes experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, este anillo de 27 kilómetros donde colisionamos partículas. de la belleza, que es el nombre de uno de los seis quarks de la naturaleza, también conocido más comúnmente como quark inferior. Pero Preferirían ser conocidos como físicos de la belleza que como físicos de fondo. Básicamente, cuando se descubrió, hubo este tipo de discusión sobre cómo se iba a llamar. La mayoría de la gente lo llama fondo; nosotros lo llamamos belleza.

La razón por la que estas cosas son interesantes es que la forma en que se comportan, la forma en que se deterioran, es muy sensible a la existencia de nuevas fuerzas o nuevas partículas que no hemos visto antes. Así que estos son un gran laboratorio para buscar evidencia indirecta de algo que No lo he visto antes. Es un cumplido para los otros experimentos en el LHC, donde se combinan cosas y se intenta crear nuevas partículas. Así que podrías buscar un bosón de Higgs o materia oscura o lo que sea. En el LHCb es un juego diferente, de precisión, de medición, y esencialmente, tratando de buscar otro lugar decimal donde podrías empezar a ver una desviación. Ese es el tipo de física eso hacemos. He estado tomando LHCb desde el inicio de mi carrera física. Entonces, desde 2008, y todavía estamos va fuerte. Acabamos de tener una gran actualización y el experimento está tomando datos a un ritmo cada vez mayor. Así que, con suerte, Obtendremos más información sobre estas anomalías en el próximo año o dos. Es un momento emocionante.

Gizmodo: ¿Cómo fue escribir el libro junto con el trabajo que estabas haciendo en el LHC?

Acantilado: Cuando comencé a escribir el libro, las anomalías que estábamos viendo en el Gran Colisionador de Hadrones parecían realmente, realmente convincentes y emocionantes. y hubo bastantes resultados que atrajeron mucha atención de los medios. Había una sensación real de que estábamos al borde de algo muy emocionante. Y luego, mientras escribía el libro al mismo tiempo, nos dimos cuenta de que Había algo que nos habíamos perdido. Así que fue una especie de experiencia saludable como científico, pasar por ese proceso de pensar. estás al borde de algo y luego te das cuenta, para tu horror, de que hay un error, esencialmente, en el análisis. No quiero evitar eso en el libro.

Quería dar una idea de cómo es realmente la ciencia. Y cuando trabajas en los límites de la comprensión, realmente tomando riesgos. Estás en verdadero peligro de cometer errores porque no sabes lo que estás haciendo. lo mejor que puedas, pero estás en un terreno inexplorado y existe un riesgo muy alto de cometer errores. Mi escepticismo, probablemente mi juventud entusiasmo, puede haber dado paso a un escepticismo un poco más propio de la mediana edad como resultado de toda esta experiencia, que espero que haga convertirme en un mejor científico a largo plazo.

Una versión de este artículo apareció originalmente en Gizmodo.