Отговори на най-големите предизвикателства на науката: докъде сме стигнали?

Много е неизвестно за природата на самата вселена. Любопитството е присъщо на хората, което води до търсене на отговори на тези въпроси и движи науката напред. Вече сме натрупали невероятно количество знания и успехите на двете водещи теории - квантовата теория на полето, описващи Стандартния модел и общата теория на относителността, описващи гравитацията - показват колко далеч сме стигнали до разбирането на самата реалност.

Много хора са песимисти на нашиянастоящите опити и бъдещи планове за разкриване на големите космически мистерии, които ни поставят в задънена улица днес. Най-добрите ни хипотези за новата физика, включително суперсиметрията, допълнителните измерения, техниколор, теорията на струните и други, досега не са успели да получат никакво експериментално потвърждение. Но това не означава, че физиката е в криза. Това означава, че всичко е точно както трябва да бъде: физиката казва истината за Вселената. Следващите ни стъпки ще ни покажат колко добре сме слушали.

Най-великите загадки на Вселената

Преди един век най-големите въпроси, които можем да зададем, включват изключително важни екзистенциални загадки, като:

• Кои са най-малките съставки на материята?
• Дали нашите теории за природните сили са наистина фундаментални, или се нуждаем от по-дълбоко разбиране?
• Колко голяма е Вселената?
• Дали нашата Вселена винаги е съществувала или се е появявала в някакъв момент в миналото?
• Как звездите блестят?

По това време тези пъзели заемаха умовете на най-големитехора. Мнозина дори не си мислеха, че може да им бъде отговорено. По-конкретно, те изискват инвестирането на толкова привидно огромни ресурси, че е било предложено просто да се задоволяват с това, което сме знаели по това време, и да използват това знание за развитието на обществото.

Разбира се, ние не направихме това. Инвестирането в обществото е изключително важно, но също така е важно да се разширят границите на познатото. Благодарение на новите открития и изследователски методи успяхме да получим следните отговори:

• Атомите са съставени от субатомни частици, много от които са разделени на още по-малки съставки; сега познаваме целия стандартен модел.
• Нашите класически теории са заменени от квантови, комбиниращи четири основни сили: силна ядрена, електромагнитна, слаба ядрена и гравитационна.
• Наблюдаваната вселена се простира на 46.1 милиарда светлинни години във всички посоки; наблюдаваната Вселена може да бъде много по-голяма или безкрайна.
• Отне 13,8 милиарда години след събитието, известно като Големия взрив, което даде живот на познатата вселена. Тя е предшествана от инфлационна епоха с неопределена продължителност.
• Звездите блестят благодарение на физиката на ядрения синтез, превръщайки материята в енергия, използвайки формулата на Айнщайн E = mc2.

И все пак, това само задълбочи научните тайни,които ни заобикалят. Притежавайки всичко, което знаем за фундаменталните частици, сме сигурни, че във Вселената трябва да има много други неща, които все още са непознати за нас. Не можем да обясним видимото присъствие на тъмна материя, не разбираме тъмната енергия и не знаем защо Вселената се разширява по този начин, а не по друг начин.

Не знаем защо частиците имат такивамаса, която има; защо Вселената е обзета от материя, а не от антиматерия; защо неутрино имат маса. Не знаем дали един протон е стабилен, дали някога ще се разпадне и дали гравитацията е квантова сила на природата. И макар да знаем, че Големият взрив е предшестван от инфлация, ние не знаем дали това е било началото на самата инфлация или е било вечно.

Може ли хората да решат тези пъзели? Може ли експериментите, които можем да направим, използвайки настоящи или бъдещи технологии, хвърлят светлина върху тези фундаментални пъзели?

Отговорът на първия въпрос е възможен; не знаемкаква природа пази тайни, докато не видим. Отговорът на втория въпрос определено е "да". Дори ако всяка теория, която някога сме цитирали върху това, което е извън границите на познатия - Стандартния модел и GTR - е 100% погрешна, има огромно количество информация, която може да бъде получена чрез извършване на експериментите, които планираме да започнем в следващия поколение. Да не се строят всички тези растения ще бъде голяма глупост, дори ако те потвърдят кошмарен сценарий, от който физиката на частиците се страхува от много години.

Когато чуеш за ускорител на частици, ти,може би си представяте всички тези нови открития, които ни очакват при по-високи енергии. Обещанието за нови частици, нови сили, нови взаимодействия или дори напълно нови сектори на физиката е това, което теоретиците обичат да правят, дори ако експериментират след експеримента и не изпълняват тези обещания.

Има добра причина за това: Повечето от идеите, които могат да бъдат намерени във физиката, вече са или изключени, или са силно ограничени до данните, които вече имаме. Ако искате да отворите нова частица, поле, взаимодействие или явление, не трябва да постулирате нещо, което е несъвместимо с това, което вече знаем със сигурност. Разбира се, бихме могли да направим предположения, които по-късно ще се окажат неточни, но самите данни трябва да са в съгласие с всяка нова теория.

Затова най-големите усилия във физиката не вървятнови теории или нови идеи и експерименти, които ще ни позволят да напуснем границите на това, което вече проучихме. Разбира се, откриването на бозона на Хигс може да доведе до свръх, но колко силно е Хигс, свързан с Z бозона? Какви са всички връзки между тези две частици и другите в Стандартния модел? Колко лесно е да ги създадете? И след създаването ще има ли взаимни разпад, които ще се различават от разпадането на стандартните Хигс плюс стандартния Z-бозон?

Има техника, с която може да се използваизследване на това: създаване на електрон-позитронно сблъсък с точна маса на Хигс и Z-бозон. Вместо няколко десетки или стотици събития, които създават Хигс и Z-бозон, както прави LHC, можете да създадете хиляди, стотици хиляди или дори милиони от тях.

Разбира се, широката общественост ще бъде по-развълнуванаоткриването на нова частица от всичко друго, но не всеки експеримент е предназначен да създава нови частици - да, не е необходимо. Някои от тях са предназначени да изследват вече познатата ни материя и да проучат подробно нейните свойства. Големият електронен-позитронният колайдер, предшественикът на LHC, не намери нито една основна частица. Подобно на DESY експеримента, който се сблъска с електрони с протони. И релативистичният сблъсък на тежки йони също.

И това трябваше да се очаква; Целта на тези три коладера беше различна. Тя беше да проучи въпроса, който наистина съществува, с безпрецедентна точност.

Изглежда, че тези експерименти не са справедливипотвърдиха стандартния модел, въпреки че всички открили съответстваха само на стандартния модел. Те създават нови композитни частици и измерват връзките между тях. Намерени са взаимовръзки и разклонения, както и фини различия между материята и антиматерията. Някои частици се държаха по различен начин от своите копия на огледалото. Други като че ли нарушиха симетрията на обратното време. Оказа се обаче, че други се смесват заедно, създавайки свързани държави, които дори не сме осъзнали.

Целта на следващия голям научен експеримент не ев търсене само на едно нещо или проверка на една нова теория. Необходимо е да се събере огромен набор от иначе недостъпни данни и да се позволи на тези данни да ръководят развитието на индустрията.

Разбира се, можем да проектираме и изградимексперименти или обсерватории, фокусирайки се върху това, което очакваме да намерим. Но най-добрият избор за бъдещето на науката ще бъде многофункционална машина, която може да събира големи и разнообразни количества данни, които не биха могли да бъдат събрани без такава огромна инвестиция. Ето защо Хъбъл беше толкова успешен, защо Фермилаб и БАК избутаха границите по-далеч от преди и защо бъдещите мисии като космическия телескоп Джеймс Уеб, бъдещите 30-метрови обсерватории или бъдещи колайдери ще имат нужда от нас, ако искаме някой ден да отговорим на най-основните въпроси от всички.

В бизнеса има и една стара поговоркаприложим към науката: “По-бързо. По-добро. По-евтино. Изберете две. " Светът се движи по-бързо от всякога. Ако започнем да спестяваме и не инвестираме в „най-добрите“, това ще бъде равносилно на отказ.

Съгласни ли сте? Разкажете ни в нашия чат в Telegram.