بحث

إجابات لأكبر تحديات العلم: إلى أي مدى وصلنا؟

الكثير غير معروف عن طبيعة الكون نفسه. إنه فضول متأصل في الناس ، مما يؤدي إلى البحث عن إجابات لهذه الأسئلة ، ويدفع العلم إلى الأمام. لقد جمعنا بالفعل قدرًا لا يصدق من المعرفة ، ونجاح نظريتنا الرائدة - نظرية الحقل الكمومي ، ووصف النموذج القياسي ، والنسبية العامة ، التي تصف الجاذبية - توضح مدى تقدمنا ​​في فهم الواقع نفسه.

كثير من الناس متشائمون لديناالمحاولات الحالية والخطط المستقبلية لكشف الألغاز الكونية العظيمة التي وضعتنا في طريق مسدود اليوم. أفضل فرضياتنا للفيزياء الجديدة ، بما في ذلك التناظر الفائق ، الأبعاد الإضافية ، التقنية ، نظرية الأوتار وغيرها ، لم تتمكن من الحصول على أي تأكيد تجريبي حتى الآن. لكن هذا لا يعني أن الفيزياء في أزمة. هذا يعني أن كل شيء كما يجب أن يكون بالضبط: الفيزياء تحكي الحقيقة عن الكون. ستبين لنا خطواتنا التالية مدى استماعنا الجيد.

أعظم أسرار الكون

منذ قرن مضى ، تضمنت أكبر الأسئلة التي يمكن أن نطرحها الألغاز الوجودية البالغة الأهمية ، مثل:

  • ما هي أصغر مكونات المادة؟
  • هل نظرياتنا حول قوى الطبيعة أساسية حقًا ، أم أننا بحاجة إلى فهم أعمق؟
  • ما حجم الكون؟
  • هل كان الكون موجودًا دائمًا أو ظهر في وقت ما في الماضي؟
  • كيف تألق النجوم؟

في ذلك الوقت ، احتلت هذه الألغاز عقول أعظمالناس. لم يفكر الكثيرون في إمكانية الرد عليهم. على وجه الخصوص ، طالبوا باستثمار موارد هائلة على ما يبدو بحيث اقتُرح ببساطة أن يكونوا راضين بما عرفناه في ذلك الوقت وأن يستخدموا هذه المعرفة لتنمية المجتمع.

بالطبع ، نحن لم نفعل ذلك. الاستثمار في المجتمع مهم للغاية ، ولكن من المهم أيضًا توسيع حدود المعلوم. بفضل الاكتشافات الجديدة وأساليب البحث ، تمكنا من الحصول على الإجابات التالية:

  • تتكون الذرات من جزيئات دون ذرية ، ينقسم الكثير منها إلى مكونات أصغر ؛ الآن نحن نعرف النموذج القياسي بأكمله.
  • تم استبدال نظرياتنا الكلاسيكية بنظريات الكم التي تجمع بين أربع قوى أساسية: التفاعل النووي القوي ، والكهرومغناطيسي ، والنووي ، والجاذبية.
  • يمتد الكون المرئي إلى 46.1 مليار سنة ضوئية في جميع الاتجاهات ؛ يمكن أن يكون الكون الذي يمكن ملاحظته أكبر بكثير ، أو غير محدود.
  • استغرق الأمر 13.8 مليار سنة بعد الحدث ، والمعروف باسم الانفجار الكبير ، الذي أعطى الحياة للكون المعروف. وقد سبقته فترة تضخمية لمدد غير محددة.
  • تتألق النجوم بفضل فيزياء الانصهار النووي ، وتحول المادة إلى طاقة باستخدام صيغة آينشتاين E = mc2.

وحتى الآن ، تعمقت فقط الأسرار العلمية ،من يحيط بنا مع امتلاك كل ما نعرفه عن الجزيئات الأساسية ، نحن على يقين من أنه يجب أن يكون هناك الكثير من الأشياء الأخرى في الكون التي لا تزال غير معروفة لنا. لا يمكننا تفسير الوجود الظاهر للمادة المظلمة ، نحن لا نفهم الطاقة المظلمة ولا ندري لماذا يتسع الكون بهذه الطريقة وليس بطريقة أخرى.

نحن لا نعرف لماذا هذه الجزيئاتالكتلة ، التي لديها ؛ لماذا غمر الكون المادة ، وليس المادة المضادة ؛ لماذا النيوترونات لها كتلة. نحن لا نعرف ما إذا كان البروتون مستقرًا ، وما إذا كان سيتحلل على الإطلاق وما إذا كانت الجاذبية هي قوة الكم الطبيعية. وعلى الرغم من أننا نعلم أن الانفجار الكبير كان مسبوقًا بالتضخم ، فإننا لا نعرف ما إذا كانت بداية التضخم بحد ذاته أم أنها كانت أبدية.

يمكن للناس حل هذه الألغاز؟ هل يمكن للتجارب التي يمكننا إجراؤها باستخدام التقنيات الحالية أو المستقبلية أن تلقي الضوء على هذه الألغاز الأساسية؟

الجواب على السؤال الأول ممكن ؛ نحن لا نعرفما الطبيعة تحافظ على الأسرار حتى نرى. الإجابة على السؤال الثاني هي بالتأكيد "نعم". حتى لو كانت كل نظرية سبق أن أشرنا إليها فيما وراء حدود النموذج المألوف - النموذج القياسي و GTR - خاطئة بنسبة 100٪ ، فهناك كمية هائلة من المعلومات التي يمكن الحصول عليها من خلال إجراء التجارب التي نخطط لإطلاقها في المرحلة التالية جيل. إن عدم بناء كل هذه التركيبات سيكون حماقة كبيرة ، حتى لو أكدت سيناريو كابوسًا مفاده أن فيزياء الجسيمات كانت تخشى منذ سنوات عديدة.

عندما تسمع عن مسرع الجسيمات ،ربما تخيل كل هذه الاكتشافات الجديدة التي تنتظرنا في طاقات أعلى. إن وعد الجسيمات الجديدة ، أو القوى الجديدة ، أو التفاعلات الجديدة ، أو حتى القطاعات الجديدة تمامًا من الفيزياء ، هو ما يرغب المنظرون في الغرق فيه ، حتى لو تم إجراء تجربة بعد التجربة ولم يلبوا هذه الوعود.

هناك سبب وجيه لهذا: معظم الأفكار التي يمكن التفكير بها في الفيزياء قد تم بالفعل استبعادها أو حصرها بشدة في البيانات الموجودة لدينا بالفعل. إذا كنت ترغب في فتح جسيم أو حقل أو تفاعل أو ظاهرة جديدة ، يجب ألا تفترض شيئًا لا يتوافق مع ما نعرفه بالفعل بالتأكيد. بالطبع ، يمكن أن نفترض افتراضات غير صحيحة فيما بعد ، لكن البيانات نفسها يجب أن تكون متفقة مع أي نظرية جديدة.

هذا هو السبب في أن أعظم الجهود في الفيزياء لا تذهب إلىنظريات جديدة أو أفكار جديدة ، وتجارب تتيح لنا ترك حدود ما اكتشفناه بالفعل. بالطبع ، يمكن أن يؤدي اكتشاف بوزون هيغز إلى الضجيج ، ولكن إلى أي مدى يرتبط Higgs ب Z-boson؟ ما هي جميع الروابط بين هاتين الجسيمتين وغيرها في النموذج القياسي؟ ما مدى سهولة إنشائها؟ وبعد الخلق ، هل سيكون هناك انحطاطات متباينة تختلف عن انحطاط هيغز القياسية بالإضافة إلى Z-boson القياسية؟

هناك تقنية يمكن استخدامها لالتحقيق في هذا: إنشاء اصطدام الإلكترون - بوزيترون مع كتلة هيغز و Z- بوسون بالضبط. بدلاً من بضع عشرات أو مئات الأحداث التي تنشئ Higgs و Z-boson ، كما يفعل LHC ، يمكنك إنشاء الآلاف أو مئات الآلاف أو حتى ملايين منها.

بالطبع ، سيكون الجمهور أكثر حماسااكتشاف جسيم جديد أكثر من أي شيء آخر ، ولكن ليس كل تجربة تهدف إلى إنشاء جزيئات جديدة - نعم ، ليست ضرورية. يهدف البعض إلى التحقيق في المسألة المعروفة بالفعل لدينا وإلى دراسة خصائصها بالتفصيل. لم يجد Collider-Positron Collider ، سلف LHC ، جسيمًا أساسيًا واحدًا. مثل تجربة DESY ، التي اصطدمت الإلكترونات بالبروتونات. والمصادم النسبي للأيونات الثقيلة أيضًا.

وكان هذا متوقعا ؛ كان الهدف من هذه المصادمات الثلاثة مختلفة. لقد كان التحقيق في الأمر موجودًا بالفعل ، بدقة غير مسبوقة.

لا يبدو أن هذه التجارب عادلةأكد النموذج القياسي ، على الرغم من أن كل ما وجدوه يتوافق مع النموذج القياسي فقط. لقد ابتكروا جزيئات مركبة جديدة وقاسوا الروابط بينها. تم العثور على التحلل والعلاقات المتفرعة ، وكذلك الاختلافات الدقيقة بين المادة والمادة المضادة. بعض الجسيمات تصرفت بشكل مختلف عن نظيراتها المرآة. بدا البعض الآخر لكسر التماثل في انعكاس الوقت. ومع ذلك ، تم اكتشاف أن الآخرين يجتمعون معًا ، مما يخلق حالات ذات صلة لم نشتبه فيها.

الغرض من التجربة العلمية العظيمة القادمة ليس كذلكفي مجرد البحث عن شيء واحد أو التحقق من نظرية واحدة جديدة. من الضروري جمع مجموعة كبيرة من البيانات التي يتعذر الوصول إليها ، والسماح لهذه البيانات بتوجيه تطور الصناعة.

بالطبع ، يمكننا تصميم وبناءالتجارب أو المراصد ، مع التركيز على ما نتوقع العثور عليه. لكن الخيار الأفضل لمستقبل العلوم سيكون آلة متعددة الأغراض يمكنها جمع كميات كبيرة ومتنوعة من البيانات التي يتعذر جمعها دون مثل هذا الاستثمار الضخم. لهذا السبب كان هابل ناجحًا للغاية ، ولماذا دفعت Fermilab و BAC الحدود إلى أبعد من السابق ، ولماذا ستحتاج البعثات المستقبلية مثل James Webb Space Telescope ، أو مراصد الفصل في المستقبل التي يبلغ طولها 30 مترًا أو مصادمات المستقبل في المستقبل إذا أردنا أن نجيب يومًا ما على الأسئلة الأكثر أهمية أسئلة من الجميع.

في العمل هناك قول مأثور ذلك أيضاينطبق على العلوم: "أسرع. على نحو أفضل. أرخص. اختيار اثنين. " العالم يتحرك بشكل أسرع من أي وقت مضى. إذا بدأنا في الادخار ولم نستثمر في "الأفضل" ، فسيكون ذلك بمثابة التخلي.

هل توافق أخبرنا في محادثتنا في Telegram.