onderzoek

Antwoorden op de grootste uitdagingen van de wetenschap: hoe ver zijn we gegaan?

Veel is onbekend over de aard van het universum zelf. Het is nieuwsgierigheid die inherent is aan mensen, die leidt tot het zoeken naar antwoorden op deze vragen en die de wetenschap vooruit helpt. We hebben al een ongelooflijke hoeveelheid kennis verzameld en het succes van onze twee toonaangevende theorieën - quantumveldentheorie, beschrijving van het standaardmodel en algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht beschrijft - laat zien hoe ver we gekomen zijn in het begrijpen van de werkelijkheid zelf.

Veel mensen zijn pessimistisch over onshuidige pogingen en toekomstige plannen om de grote kosmische mysteries die ons vandaag in een impasse brachten, te ontrafelen. Onze beste hypotheses voor nieuwe fysica, waaronder supersymmetrie, extra dimensies, technicolor, snaartheorie en andere, hebben tot nu toe geen enkele experimentele bevestiging gekregen. Maar dit betekent niet dat de natuurkunde in een crisis verkeert. Dit betekent dat alles precies is zoals het zou moeten zijn: de natuurkunde vertelt de waarheid over het universum. Onze volgende stappen zullen ons laten zien hoe goed we hebben geluisterd.

De grootste mysteries van het universum

Een eeuw geleden waren de grootste vragen die we konden stellen, buitengewoon belangrijke existentiële raadsels, zoals:

  • Wat zijn de kleinste bestanddelen van de materie?
  • Zijn onze theorieën over de krachten van de natuur echt fundamenteel, of hebben we een dieper inzicht nodig?
  • Hoe groot is het universum?
  • Is ons universum altijd al in het verleden bestaan ​​of verschenen?
  • Hoe schitteren de sterren?

In die tijd bezetten deze puzzels de geesten van de grootstemensen. Velen dachten niet eens dat ze konden worden beantwoord. In het bijzonder eisten ze een investering van zo ogenschijnlijk enorme middelen dat werd voorgesteld eenvoudigweg tevreden te zijn met wat we op dat moment wisten en deze kennis te gebruiken om de maatschappij te ontwikkelen.

Natuurlijk hebben we dat niet gedaan. Investeren in de samenleving is ontzettend belangrijk, maar het is ook belangrijk om de grenzen van het bekende uit te breiden. Dankzij nieuwe ontdekkingen en onderzoeksmethoden konden we de volgende antwoorden krijgen:

  • Atomen zijn samengesteld uit subatomaire deeltjes, waarvan er vele zijn verdeeld in nog kleinere bestanddelen; nu kennen we het hele standaardmodel.
  • Onze klassieke theorieën zijn vervangen door kwantum-theorieën die vier fundamentele krachten combineren: sterke nucleaire, elektromagnetische, zwakke nucleaire en gravitationele interactie.
  • Het waarneembare universum strekt zich uit voor 46,1 miljard lichtjaar in alle richtingen; het waarneembare heelal kan veel groter of oneindig zijn.
  • Het duurde 13,8 miljard jaar na de gebeurtenis, bekend als de Big Bang, die leven gaf aan het bekende universum. Het werd voorafgegaan door een inflatoir tijdperk van onbepaalde duur.
  • Sterren schitteren dankzij de fysica van kernfusie, materie in energie veranderen met Einsteins formule E = mc2.

En toch verdiepte het alleen de wetenschappelijke geheimen,die ons omringen. Omdat we alles bezitten wat we weten over fundamentele deeltjes, zijn we er zeker van dat er nog veel andere dingen in het universum moeten zijn die ons nog onbekend zijn. We kunnen de schijnbare aanwezigheid van donkere materie niet verklaren, we begrijpen geen duistere energie en we weten niet waarom het Universum zich op deze manier uitbreidt en niet anders.

We weten niet waarom deeltjes zulke hebbenmassa, die hebben; waarom het universum wordt overweldigd door materie, en niet door antimaterie; waarom neutrino's massa hebben. We weten niet of een proton stabiel is, of het ooit zal vergaan en of de zwaartekracht een kwantumkracht van de natuur is. En hoewel we weten dat de Big Bang werd voorafgegaan door inflatie, weten we niet of dit het begin was van de inflatie zelf of dat het eeuwig was.

Kunnen mensen deze raadsels oplossen? Kunnen de experimenten die we kunnen uitvoeren met huidige of toekomstige technologieën licht werpen op deze fundamentele puzzels?

Het antwoord op de eerste vraag is mogelijk; we weten het nietwat voor natuur houdt geheimen tot we het zien. Het antwoord op de tweede vraag is beslist "ja". Zelfs als elke theorie die we ooit hebben geciteerd over wat buiten de grenzen van het bekende valt - het Standaard Model en GTR - 100% fout is, is er een enorme hoeveelheid informatie die kan worden verkregen door de experimenten uit te voeren die we van plan zijn om te lanceren in de volgende generatie. Niet al deze installaties bouwen zou een grote dwaasheid zijn, zelfs als ze een nachtmerrieachtig scenario bevestigen dat de deeltjesfysica al vele jaren bang is.

Wanneer je hoort over een deeltjesversneller,stel je waarschijnlijk al deze nieuwe ontdekkingen voor die op hogere energieën op ons wachten. De belofte van nieuwe deeltjes, nieuwe krachten, nieuwe interacties of zelfs volledig nieuwe sectoren van de fysica willen de theoretici graag ploppen, zelfs als het experiment na het experiment is voltooid en ze niet aan deze beloften voldoen.

Daar is een goede reden voor: De meeste ideeën die in de natuurkunde kunnen worden bedacht, zijn al uitgesloten of sterk beperkt tot de gegevens die we al hebben. Als je een nieuw deeltje, veld, interactie of fenomeen wilt openen, moet je niet iets postuleren dat onverenigbaar is met wat we al zeker weten. Natuurlijk kunnen we veronderstellingen maken die later onjuist blijken te zijn, maar de gegevens zelf moeten in overeenstemming zijn met elke nieuwe theorie.

Dit is waarom de grootste inspanningen in de natuurkunde niet gaannieuwe theorieën of nieuwe ideeën, en experimenten die ons in staat zullen stellen om de grenzen te verleggen van wat we al hebben onderzocht. Natuurlijk kan de detectie van het Higgs-deeltje leiden tot hype, maar hoe sterk zijn de Higgs geassocieerd met het Z-boson? Wat zijn alle verbindingen tussen deze twee deeltjes en anderen in het standaardmodel? Hoe gemakkelijk is het om ze te maken? En na de creatie, zullen er onderlinge aftakeling zijn die zal verschillen van het verval van de standaard Higgs plus het standaard Z-boson?

Er is een techniek die kan worden gebruiktdit onderzoeken: maak een botsing met een elektron-positron met een exacte Higgs- en Z-boson-massa. In plaats van een paar tientallen of honderden gebeurtenissen die het Higgs en Z-boson creëren, zoals de LHC doet, kun je duizenden, honderdduizenden of zelfs miljoenen creëren.

Natuurlijk zal het publiek meer opgewonden zijnde ontdekking van een nieuw deeltje dan iets anders, maar niet elk experiment is bedoeld om nieuwe deeltjes te creëren - ja, het is niet nodig. Sommige zijn bedoeld om de zaak die ons al bekend is te onderzoeken en om de eigenschappen ervan gedetailleerd te bestuderen. De Large Electron-Positron Collider, de voorloper van de LHC, vond geen enkel fundamenteel deeltje. Zoals het DESY-experiment, dat elektronen met protonen in botsing bracht. En ook de relativistische rijder van zware ionen.

En dit was te verwachten; het doel van deze drie botsers was anders. Het was om de kwestie die echt bestaat met ongekende nauwkeurigheid te onderzoeken.

Het lijkt er niet op dat deze experimenten rechtvaardig zijnbevestigde het standaardmodel, hoewel alles wat ze vonden alleen overeenkwam met het standaardmodel. Ze creëerden nieuwe composietdeeltjes en maten de onderlinge verbanden. Ontbinding en vertakkende relaties werden gevonden, evenals subtiele verschillen tussen materie en antimaterie. Sommige deeltjes gedroeg zich anders dan hun spiegel tegenhangers. Anderen leken de symmetrie van tijdomkering te doorbreken. Er werd echter ontdekt dat anderen zich vermengen, waardoor gerelateerde staten ontstaan ​​die we zelfs niet vermoedden.

Het doel van het volgende grote wetenschappelijke experiment is dat nietdoor simpelweg naar één ding te zoeken of één nieuwe theorie te bekijken. Het is noodzakelijk om een ​​enorme hoeveelheid anders ontoegankelijke gegevens te verzamelen en deze gegevens te gebruiken als richtlijn voor de ontwikkeling van de industrie.

Natuurlijk kunnen we ontwerpen en bouwenexperimenten of observatoria, gericht op wat we verwachten te vinden. Maar de beste keuze voor de toekomst van de wetenschap zou een multifunctionele machine zijn die grote en diverse hoeveelheden gegevens kan verzamelen die onmogelijk te verzamelen zouden zijn zonder zo'n enorme investering. Dat is waarom Hubble zo succesvol was, waarom Fermilab en BAC de grenzen verder dan voorheen verlegden, en waarom toekomstige missies zoals de James Webb Space Telescope, toekomstige 30-meterklasse observatoria of toekomstige botsers ons nodig hebben als we op een dag de meest fundamentele vragen willen beantwoorden vragen van iedereen.

In het bedrijfsleven is er ook een oud gezegdevan toepassing op de wetenschap: "Sneller. Better. Goedkoper. Kies er twee. " De wereld gaat sneller dan ooit tevoren. Als we beginnen met sparen en we niet investeren in de "beste", dan komt dat neer op opgeven.

Ben je het daarmee eens? Vertel het ons in onze chat in Telegram.