Απαντήσεις στις μεγαλύτερες προκλήσεις της επιστήμης: πόσο μακριά έχουμε πάει;

Πολλά είναι άγνωστα για τη φύση του ίδιου του σύμπαντος. Είναι η περιέργεια που είναι εγγενής στους ανθρώπους, οδηγώντας στην αναζήτηση απαντήσεων σε αυτές τις ερωτήσεις και κινεί την επιστήμη προς τα εμπρός. Έχουμε ήδη συγκεντρώσει μια απίστευτη ποσότητα γνώσης και η επιτυχία των δύο κορυφαίων θεωριών μας - η κβαντική θεωρία πεδίου, που περιγράφει το Τυπικό Μοντέλο και τη γενική σχετικότητα, περιγράφοντας τη βαρύτητα, δείχνει πόσο μακριά έχουμε καταλήξει στην κατανόηση της πραγματικότητας.

Πολλοί άνθρωποι είναι απαισιόδοξοι για μαςτις τρέχουσες προσπάθειες και τα μελλοντικά σχέδια για να ξεδιπλώσουμε τα σπουδαία κοσμικά μυστήρια που μας βάζουν σήμερα σε αδιέξοδο. Οι καλύτερες υποθέσεις μας για τη νέα φυσική, συμπεριλαμβανομένης της υπερσυμμετρίας, των πρόσθετων διαστάσεων, της τεχνολογίας, της θεωρίας των χορδών και άλλων, δεν μπόρεσαν να λάβουν μέχρι τώρα πειραματικές επιβεβαιώσεις. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η φυσική βρίσκεται σε κρίση. Αυτό σημαίνει ότι όλα είναι ακριβώς όπως πρέπει να είναι: η φυσική λέει την αλήθεια για το Σύμπαν. Τα επόμενα βήματα θα μας δείξουν πόσο καλά ακούσαμε.

Τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος

Πριν από έναν αιώνα, τα μεγαλύτερα ερωτήματα που μπορούσαμε να ζητήσουμε περιελάμβαναν εξαιρετικά σημαντικά υπαρξιακά αινίγματα, όπως:

• Ποια είναι τα μικρότερα συστατικά της ύλης;
• Είναι θεμελιώδεις οι θεωρίες μας για τις δυνάμεις της φύσης ή χρειάζεται μια βαθύτερη κατανόηση;
• Πόσο μεγάλο είναι το σύμπαν;
• Το σύμπαν μας υπήρξε πάντα ή εμφανίστηκε κάποια στιγμή στο παρελθόν;
• Πώς τα αστέρια λάμπουν;

Εκείνη την εποχή, αυτά τα παζλ κατέλαβαν το μυαλό των μεγαλύτερωνανθρώπους Πολλοί δεν πίστευαν καν ότι θα μπορούσαν να απαντηθούν. Συγκεκριμένα, απαίτησαν την επένδυση τόσο φαινομενικά τεράστιων πόρων που προτάθηκε απλώς να είναι ικανοποιημένοι με αυτό που γνωρίζαμε τότε και να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για την ανάπτυξη της κοινωνίας.

Φυσικά, δεν το κάναμε αυτό. Η επένδυση στην κοινωνία είναι εξαιρετικά σημαντική, αλλά είναι επίσης σημαντικό να επεκταθούν τα όρια των γνωστών. Χάρη σε νέες ανακαλύψεις και μεθόδους έρευνας, μπορέσαμε να λάβουμε τις ακόλουθες απαντήσεις:

• Τα άτομα αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια, πολλά από τα οποία χωρίζονται σε ακόμη μικρότερα συστατικά. τώρα γνωρίζουμε ολόκληρο το μοντέλο Standard.
• Οι κλασικές μας θεωρίες έχουν αντικατασταθεί από κβαντικές που συνδυάζουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: ισχυρή πυρηνική, ηλεκτρομαγνητική, αδύναμη πυρηνική και βαρυτική αλληλεπίδραση.
• Το παρατηρούμενο σύμπαν εκτείνεται σε 46,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις. το παρατηρούμενο Σύμπαν μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο ή άπειρο.
• Χρειάστηκαν 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά το γεγονός, γνωστό ως Big Bang, το οποίο έδωσε ζωή στο γνωστό Σύμπαν. Προηγήθηκε από μια πληθωριστική εποχή αόριστης διάρκειας.
• Τα αστέρια λάμπουν χάρη στη φυσική της πυρηνικής σύντηξης, μετατρέποντας την ύλη σε ενέργεια χρησιμοποιώντας τον τύπο του Einstein E = mc2.

Και όμως, εμβαθύνει μόνο τα επιστημονικά μυστικά,που μας περιβάλλουν. Διαθέτοντας όλα όσα γνωρίζουμε για θεμελιώδη σωματίδια, είμαστε σίγουροι ότι θα πρέπει να υπάρχουν πολλά άλλα πράγματα στο Σύμπαν που είναι ακόμα άγνωστα για μας. Δεν μπορούμε να εξηγήσουμε την εμφανή παρουσία της σκοτεινής ύλης, δεν καταλαβαίνουμε τη σκοτεινή ενέργεια και δεν ξέρουμε γιατί το Σύμπαν επεκτείνεται με αυτόν τον τρόπο και όχι αλλιώς.

Δεν γνωρίζουμε γιατί τα σωματίδια έχουν τέτοιαμάζα, τα οποία έχουν? γιατί το Σύμπαν συγκλονίζεται από την ύλη και όχι από την αντιύλη. γιατί τα νετρίνα έχουν μάζα. Δεν γνωρίζουμε αν ένα πρωτόνιο είναι σταθερό, εάν θα υποχωρήσει ποτέ και αν η βαρύτητα είναι μια κβαντική δύναμη της φύσης. Και παρόλο που γνωρίζουμε ότι το Big Bang προηγήθηκε από τον πληθωρισμό, δεν γνωρίζουμε αν ήταν η αρχή του ίδιου του πληθωρισμού ή αν ήταν αιώνια.

Μπορούν οι άνθρωποι να λύσουν αυτά τα παζλ; Μπορούν τα πειράματα που μπορούμε να κάνουμε χρησιμοποιώντας τρέχουσες ή μελλοντικές τεχνολογίες να ρίξουν φως σε αυτά τα βασικά παζλ;

Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα είναι δυνατή. δεν ξέρουμετι η φύση κρατά μυστικά μέχρι να δούμε. Η απάντηση στο δεύτερο ερώτημα είναι σίγουρα "ναι". Ακόμα κι αν κάθε θεωρία που έχουμε ποτέ αναφέρει σε σχέση με τα όρια των γνωστών - το Πρότυπο Μοντέλο και το GTR - είναι 100% λανθασμένη, υπάρχουν τεράστιες ποσότητες πληροφοριών που μπορούν να ληφθούν κάνοντας τα πειράματα που σκοπεύουμε να ξεκινήσουμε στην επόμενη γενιάς Το να μην κατασκευάσεις όλα αυτά τα φυτά θα ήταν μια μεγάλη αηδία, έστω κι αν επιβεβαιώνουν ένα εφιαλτικό σενάριο που η φυσική των σωματιδίων φοβόταν για πολλά χρόνια.

Όταν ακούτε για ένα επιταχυντή σωματιδίων, εσείς,πιθανώς να φανταστούμε όλες αυτές τις νέες ανακαλύψεις που μας περιμένουν σε υψηλότερες ενέργειες. Η υπόσχεση νέων σωματιδίων, νέων δυνάμεων, νέων αλληλεπιδράσεων ή ακόμη και τελείως νέων τομέων της φυσικής είναι αυτό που οι θεωρητικοί προτιμούν να κάνουν, ακόμη και αν γίνει πείραμα μετά το πείραμα και δεν εκπληρώνουν αυτές τις υποσχέσεις.

Υπάρχει ένας καλός λόγος για αυτό: Οι περισσότερες από τις ιδέες που μπορούν να μελετηθούν στη φυσική έχουν ήδη αποκλειστεί ή περιορίζονται σε μεγάλο βαθμό στα δεδομένα που έχουμε ήδη. Αν θέλετε να ανοίξετε ένα νέο σωματίδιο, πεδίο, αλληλεπίδραση ή φαινόμενο, δεν πρέπει να δηλώσετε κάτι που είναι ασύμβατο με αυτά που γνωρίζουμε ήδη με βεβαιότητα. Φυσικά, θα μπορούσαμε να κάνουμε υποθέσεις που αργότερα θα αποδείχθηκαν λανθασμένες, αλλά τα ίδια τα δεδομένα θα πρέπει να συμφωνούν με οποιαδήποτε νέα θεωρία.

Αυτός είναι ο λόγος που οι μεγαλύτερες προσπάθειες στη φυσική δεν πηγαίνουννέες θεωρίες ή νέες ιδέες και σε πειράματα που θα μας επιτρέψουν να αφήσουμε τα όρια αυτού που έχουμε ήδη ερευνήσει. Φυσικά, η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημοσιότητα, αλλά πόσο Higgs που σχετίζονται με το Z-μποζόνιο; Ποιες είναι όλες οι συνδέσεις μεταξύ αυτών των δύο σωματιδίων και άλλων στο Πρότυπο Μοντέλο; Πόσο εύκολο είναι να δημιουργηθούν; Και μετά τη δημιουργία, θα υπάρξουν αλληλοδιαστολές που θα διαφέρουν από την αποσύνθεση του πρότυπου Higgs συν το πρότυπο Z-μποζόνιο;

Υπάρχει μια τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθείΈρευνες για αυτό: δημιουργήστε μια σύγκρουση ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων με μια ακριβή μάζα Higgs και Z-boson. Αντί για αρκετές δεκάδες ή εκατοντάδες γεγονότα που δημιουργούν το Higgs και το Z-boson, όπως κάνει ο LHC, μπορείτε να δημιουργήσετε χιλιάδες, εκατοντάδες χιλιάδες ή και εκατομμύρια από αυτά.

Φυσικά, το ευρύ κοινό θα είναι πιο ενθουσιασμένοη ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου από οτιδήποτε άλλο, αλλά όχι κάθε πείραμα έχει σκοπό να δημιουργήσει νέα σωματίδια - ναι, δεν είναι απαραίτητο. Μερικοί σκοπεύουν να διερευνήσουν θέματα που είναι ήδη γνωστά σε εμάς και να μελετήσουν λεπτομερώς τις ιδιότητές τους. Ο μεγάλος συντονιστής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, ο προκάτοχος του LHC, δεν βρήκε ούτε ένα νέο θεμελιώδες σωματίδιο. Όπως το πείραμα DESY, το οποίο συγκρούσε τα ηλεκτρόνια με πρωτόνια. Και ο σχετικιστικός συγκρουστής των βαριών ιόντων επίσης.

Και αυτό ήταν αναμενόμενο. Ο στόχος αυτών των τριών συγκρούσεων ήταν διαφορετικός. Ήταν να διερευνήσει το θέμα που πραγματικά υπάρχει, με πρωτοφανή ακρίβεια.

Δεν φαίνεται ότι αυτά τα πειράματα είναι απλάεπιβεβαίωσε το Τυπικό Μοντέλο, αν και το μόνο που βρήκαν αντιστοιχούσε μόνο στο Τυπικό Μοντέλο. Δημιούργησαν νέα σύνθετα σωματίδια και μέτρησαν τις συνδέσεις μεταξύ τους. Οι σχέσεις αποσύνθεσης και διακλάδωσης βρέθηκαν, καθώς και οι λεπτές διαφορές μεταξύ ύλης και αντιύλης. Μερικά σωματίδια συμπεριφέρθηκαν διαφορετικά από τους αντίστοιχους αντικατοπτρισμού. Άλλοι φαινόταν να σπάσουν την συμμετρία της αντιστροφής του χρόνου. Ωστόσο, ανακαλύφθηκε ότι άλλοι συνδυάζονται μαζί, δημιουργώντας συναφείς καταστάσεις που δεν συνειδητοποιήσαμε.

Ο σκοπός του επόμενου μεγάλου επιστημονικού πειράματος δεν είναιαπλά ψάχνοντας για ένα πράγμα ή εξετάζοντας μια νέα θεωρία. Είναι απαραίτητο να συγκεντρωθεί ένα τεράστιο σύνολο διαφορετικών μη προσβάσιμων δεδομένων και να επιτραπεί στα δεδομένα αυτά να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη της βιομηχανίας.

Φυσικά, μπορούμε να σχεδιάσουμε και να οικοδομήσουμεπειράματα ή παρατηρητήρια, εστιάζοντας σε αυτά που περιμένουμε να βρούμε. Αλλά η καλύτερη επιλογή για το μέλλον της επιστήμης θα είναι μια μηχανή πολλαπλών χρήσεων που μπορεί να συλλέξει μεγάλα και ποικίλα ποσά δεδομένων που θα ήταν αδύνατο να συγκεντρωθούν χωρίς μια τέτοια τεράστια επένδυση. Γι 'αυτό το Hubble ήταν τόσο επιτυχημένη, γιατί Fermilab και LHC πίεσε περισσότερο από ποτέ τα όρια, και γιατί θα χρειαστούν μελλοντικές αποστολές, όπως ο James Webb Space Telescope, το μέλλον Παρατηρητήριο τάξης των 30 μέτρων ή μελλοντικές επιταχυντές, αν θέλουμε να απαντήσουμε ποτέ στο πιο θεμελιώδες ερωτήσεις από όλους.

Στην επιχείρηση υπάρχει ένα παλιό ρητό που επίσηςισχύουν για την επιστήμη: "Ταχύτερα. Καλύτερα Φθηνότερο. Επιλέξτε δύο. " Ο κόσμος κινείται πιο γρήγορα από ποτέ. Αν αρχίσουμε να εξοικονομούμε χρήματα και δεν επενδύουμε στο "καλύτερο", αυτό θα ισοδυναμούσε με την εγκατάλειψη.

Συμφωνείτε; Πείτε μας στο chat μας στο Telegram.