Răspunsuri la cele mai mari provocări ale științei: cât de departe am plecat?

Multe lucruri nu se cunosc despre natura universului în sine. Este curiozitatea inerentă oamenilor, ducând la căutarea răspunsurilor la aceste întrebări, și avansează știința. Am acumulat deja o sumă incredibilă de cunoștințe, iar succesul celor două teorii de conducere - teoria câmpului cuantic, descriind Modelul Standard și relativitatea generală, care descriu gravitatea - demonstrează cât de departe am ajuns să înțelegem realitatea în sine.

Mulți oameni sunt pesimiști în privința noastrăîncercările actuale și planurile viitoare de a dezvălui marile mistere cosmice care ne-au pus astăzi într-un impas. Cele mai bune ipoteze pentru noi fizici, inclusiv supersimetrie, dimensiuni suplimentare, tehnicolor, teoria corzilor și altele, nu au reușit să obțină până acum nicio confirmare experimentală. Dar asta nu înseamnă că fizica este în criză. Aceasta înseamnă că totul este exact așa cum ar trebui să fie: fizica spune adevărul despre Univers. Următorii pași ne vor arăta cât de bine am ascultat.

Cele mai mari mistere ale universului

Cu un secol în urmă, cele mai mari întrebări pe care le-am putea pune au inclus ghicitori existențiale extrem de importante, cum ar fi:

• Care sunt cele mai mici componente ale materiei?
• Sunt teoriile noastre despre forțele naturii într-adevăr fundamentale sau avem nevoie de o înțelegere mai profundă?
• Cât de mare este universul?
• A existat universul nostru întotdeauna sau a apărut la un moment dat în trecut?
• Cum strălucesc stelele?

În acel moment, aceste puzzle-uri au ocupat mințile celor mai marioameni. Mulți nu au crezut nici măcar că li se poate răspunde. În special, aceștia au cerut investiția unor resurse atât de mari, încât ar fi sugerat pur și simplu să fie mulțumiți de ceea ce cunoșteam atunci și să folosim aceste cunoștințe pentru dezvoltarea societății.

Desigur, nu am făcut asta. Investiția în societate este extrem de importantă, dar este, de asemenea, importantă extinderea limitelor cunoscute. Datorită noilor descoperiri și metodologii de cercetare, am reușit să obținem următoarele răspunsuri:

• Atomii sunt compuși din particule subatomice, multe dintre ele fiind împărțite în constituenți chiar mai mici; acum știm întregul model Standard.
• Teoriile noastre clasice au fost înlocuite de cele cuantice care combină patru forțe fundamentale: puternic nucleare, electromagnetice, nucleare slabe și interacțiune gravitațională.
• Universul observabil extinde 46,1 miliarde de ani lumină în toate direcțiile; Universul observabil poate fi mult mai mare sau infinit.
• A fost nevoie de 13,8 miliarde de ani de la eveniment, cunoscut sub numele de Big Bang, care a dat viață Universului cunoscut. A fost precedată de o perioadă inflaționistă de durată nedeterminată.
• Stelele strălucesc datorită fizicii fuziunii nucleare, transformând materia în energie folosind formula lui Einstein E = mc2.

Și totuși, a adâncit numai secrete științifice,care ne înconjoară. Având tot ceea ce știm despre particulele fundamentale, suntem siguri că ar trebui să existe o mulțime de alte lucruri în Univers, care sunt încă necunoscute pentru noi. Nu putem explica prezența aparentă a materiei întunecate, nu înțelegem energia întunecată și nu știm de ce universul se extinde astfel și nu altfel.

Nu știm de ce particulele au așa cevamasa, care au; de ce Universul este copleșit de materie și nu de antimaterie; de ce neutrinii au masa. Nu știm dacă un proton este stabil, dacă va fi vreodată decăzut și dacă gravitatea este o forță cuantică a naturii. Și deși știm că Big Bang-ul a fost precedat de inflație, nu știm dacă a fost începutul inflației în sine sau a fost etern.

Poate oamenii să rezolve aceste puzzle-uri? Pot experimentele pe care le putem face folosind tehnologii actuale sau viitoare care aruncă o lumină asupra acestor puzzle-uri fundamentale?

Răspunsul la prima întrebare este posibil; nu știmce natură păstrează secrete până când vedem. Răspunsul la a doua întrebare este cu siguranță "da". Chiar dacă fiecare teorie pe care am citat-o ​​vreodată despre ceea ce depășește limitele cunoscute - modelul standard și GTR - este 100% greșită, există o cantitate imensă de informații care pot fi obținute prin efectuarea experimentelor pe care intenționăm să le lansăm generație. Nu pentru a construi toate aceste plante ar fi o nebunie mare, chiar dacă acestea confirmă un scenariu de coșmar pe care fizica particulelor le-a fost frică de mulți ani.

Când auziți despre un accelerator de particule,imaginați-vă probabil toate aceste descoperiri noi care ne așteaptă la energii superioare. Promisiunea de noi particule, noi forțe, noi interacțiuni sau chiar sectoare complet noi ale fizicii este ceea ce teoreticienii doresc să facă, chiar dacă experimentul după experiment este făcut și nu le îndeplinește aceste promisiuni.

Există un motiv bun pentru acest lucru: Majoritatea ideilor care pot fi gândite în fizică au fost deja excluse sau limitate puternic la datele pe care le avem deja. Dacă doriți să deschideți o nouă particulă, un câmp, o interacțiune sau un fenomen, nu ar trebui să postulați ceva incompatibil cu ceea ce deja știm sigur. Desigur, am putea face presupuneri care s-ar dovedi mai târziu incorecte, dar datele în sine ar trebui să fie în acord cu orice teorie nouă.

Acesta este motivul pentru care eforturile cele mai mari în fizică nu merg lanoile teorii sau idei noi și experimente care ne vor permite să lăsăm limitele a ceea ce am explorat deja. Desigur, descoperirea bosonului Higgs poate duce la hype, dar cât de puternic este asociat Higgs cu bosonul Z? Care sunt toate conexiunile dintre aceste două particule și altele în modelul standard? Cât de ușor este să le creați? Și după creare, vor exista destrămări reciproce care vor diferi de degradarea standardului Higgs plus bozonul standard Z?

Există o tehnică care poate fi folosităinvestigând acest lucru: creați o coliziune electron-positron cu o masă exactă a bosonilor Higgs și Z. În loc de câteva zeci sau sute de evenimente care creează Higgs și bozonul Z, cum face LHC, puteți crea mii, sute de mii sau chiar milioane de ele.

Desigur, publicul larg va fi mai entuziasmatdescoperirea unei particule noi decât orice altceva, dar nu orice experiment are scopul de a crea particule noi - da, nu este necesar. Unele sunt destinate să investigheze materia deja cunoscută și să studieze în detaliu proprietățile sale. Generatorul de electroni cu emisie mare de pozitroni, predecesorul LHC, nu a găsit o singură particulă fundamentală nouă. La fel ca experimentul DESY, care a ciocnit electronii cu protoni. Și colizorul relativist al ionilor grei.

Și asta era de așteptat; Scopul acestor trei colizoare a fost diferit. A fost să investigăm chestiunea care există cu adevărat fără precedent.

Nu pare ca aceste experimente sunt doar buneau confirmat modelul standard, deși toate acestea au corespuns numai modelului standard. Au creat noi particule compozite și au măsurat conexiunile dintre ele. Au fost găsite relații de decădere și ramificație, precum și diferențe subtile între materie și antimaterie. Unele particule s-au comportat diferit față de omologii lor din oglindă. Alții păreau să spargă simetria inversării timpului. Cu toate acestea, sa descoperit că alții se amestecă împreună, creând state înrudite pe care nici nu le-am dat seama.

Scopul următorului mare experiment științific nu esteîn căutarea unui singur lucru sau verificarea unei noi teorii. Este necesar să se colecteze un set imens de date inaccesibile în alt mod și să se permită aceste date să ghideze dezvoltarea industriei.

Desigur, putem proiecta și construiexperimente sau observatoare, concentrându-ne asupra a ceea ce așteptăm să găsim. Dar cea mai bună alegere pentru viitorul științei ar fi o mașină multifuncțională care poate colecta cantități mari și diverse de date care nu ar putea fi colectate fără o asemenea investiție uriașă. Acesta este motivul pentru care Hubble a avut un astfel de succes, de ce Fermilab și BAC au împins granițele mai mult decât înainte și de ce vor avea nevoie de misiuni viitoare cum ar fi Telescopul spațial James Webb, viitoarele observatoare de clasă de 30 de metri sau viitorii agenți de căutare, dacă ne dorește să răspundem într- întrebări de la toți.

În afaceri există o veche zicală, de asemeneaaplicabile științei: "Mai rapid. Mai bine. Mai ieftin. Alegeți două. " Lumea se mișcă mai repede decât oricând. Dacă începem economisirea și nu investim în "cel mai bun", va fi echivalentul renunțării.

Sunteți de acord? Spune-ne în chat-ul nostru în Telegramă.