Відповіді на найбільші завдання науки: наскільки далеко ми зайшли?

Про природу самого Всесвіту багато чого не знають. Саме цікавість, властиве людям, що веде до пошуку відповідей на ці питання, і рухає науку вперед. Ми вже накопичили неймовірну кількість знань, і успіхи двох наших провідних теорій - квантової теорії поля, яка описує Стандартну модель, і загальної теорії відносності, яка описує гравітацію - демонструють, наскільки далеко ми просунулися в розумінні самої реальності.

Багато людей песимістично ставляться до нашихтеперішні спроби і майбутнім планам з розгадування великих космічних загадок, які ставлять нас в глухий кут сьогодні. Наші кращі гіпотези для нової фізики, що включають суперсиметрії, додаткові виміри, Техніколор, теорію струн і інші, не змогли отримати жодного експериментального підтвердження досі. Але це не означає, що фізика в кризі. Це означає, що все рівно так, як і повинно бути: фізика говорить правду про Всесвіт. Наші подальші кроки покажуть нам, наскільки ми добре слухали.

Найбільші загадки Всесвіту

Століття тому найбільші питання, які ми могли задати, включали і вкрай важливі екзистенційні загадки, такі як:

• Які найменші складові матерії?
• Чи є наші теорії сил природи дійсно фундаментальними або ж необхідно отримати більш глибоке розуміння?
• Наскільки велика Всесвіт?
• Наша Всесвіт існував завжди або з'явилася в певний момент у минулому?
• Як світять зірки?

На той момент ці загадки займали уми найбільшихлюдей. Багато хто навіть не думали, що на них можна буде знайти відповіді. Зокрема, вони вимагали вкладення настільки, здавалося б, величезних ресурсів, що пропонувалося просто задовольнятися тим, що ми знали в той час, і використовувати ці знання для розвитку суспільства.

Звичайно, ми так не надійшли. Інвестувати в суспільство надзвичайно важливо, але так само важливо розширювати межі відомого. Завдяки новим відкриттям і методам дослідження, ми змогли отримати такі відповіді:

• Атоми складаються з субатомних частинок, багато з яких діляться на ще дрібніші складові; тепер ми знаємо всю Стандартну модель.
• Наші класичні теорії замінилися квантовими, що об'єднують чотири фундаментальні сили: сильне ядерне, електромагнітне, слабке ядерне і гравітаційна взаємодія.
• Видимий Всесвіт простягається на 46,1 мільярда світлових років у всіх напрямках; спостережуваний Всесвіт може бути набагато більше, або нескінченної.
• Минуло 13,8 мільярда років після події, відомого як Великий Вибух, яке дало життя відомої нам Всесвіту. Йому передувала інфляційна епоха невизначеної тривалості.
• Зірки світять завдяки фізиці ядерного синтезу, перетворюючи речовина в енергію за формулою Ейнштейна E = mc2.

І все ж, це тільки поглибило наукові таємниці,які нас оточують. Володіючи всім, що ми знаємо про фундаментальні частинки, ми впевнені, що у Всесвіті має бути багато чого іншого, поки невідомого нам. Ми не можемо пояснити очевидне присутність темної матерії, не розуміємо темну енергію і не знаємо, чому Всесвіт розширюється саме так, а не інакше.

Ми не знаємо, чому частинки мають такиймасою, який мають; чому Всесвіт переповнює матерія, а не антиматерія; чому нейтрино мають масу. Ми не знаємо, чи є протон стабільним, чи розпадеться він коли-небудь і чи представляє гравітація собою квантову силу природи. І хоча ми знаємо, що Великого Вибуху передувала інфляція, ми не знаємо, чи було початок у самій інфляції або вона була вічною.

Чи можуть люди вирішити ці загадки? Чи можуть експерименти, які ми можемо провести з використанням сучасних або майбутніх технологій, пролити світло на ці фундаментальні загадки?

Відповідь на перше питання - можливо; ми не знаємо,які секрети зберігає природа, поки не побачимо. Відповідь на друге питання - однозначно «так». Навіть якщо кожна теорія, яку ми коли-небудь приводили на тему того, що знаходиться за межами кордонів відомого - Стандартна модель і ОТО - на 100% помилкові, є величезна кількість інформації, яку можна отримати, виконуючи експерименти, які ми плануємо запустити в наступному поколінні. Чи не будувати всі ці установки було б величезною дурістю, навіть якщо підтвердять кошмарний сценарій, якого фізики елементарних частинок боялися багато років.

Коли ви чуєте про прискорювачі часток, ви,ймовірно, уявляєте всі ці нові відкриття, які очікують нас при більш високих енергіях. Обіцянка нових частинок, нових сил, нових взаємодій або навіть зовсім нових секторів фізики - це те, чим люблять погрезіть теоретики, навіть якщо експеримент за експериментом пасуть задніх і не виконують ці обіцянки.

Для цього є вагома причина: більшість ідей, які можна придумати в фізиці, вже були або виключені, або сильно обмежені даними, які у нас вже є. Якщо ви хочете відкрити нову частинку, поле, взаємодія або явище, вам не варто постулювати щось, що є несумісним з тим, що ми вже знаємо напевно. Звичайно, ми могли зробити припущення, які пізніше виявляться невірними, але ці дані повинні бути в угоді з будь-якої нової теорією.

Ось чому найбільші зусилля в фізиці йдуть не нанові теорії або нові ідеї, а на експерименти, які дозволять нам покинути межі того, що ми вже досліджували. Звичайно, виявлення бозона Хіггса може привести до галасу, але як сильно Хіггс пов'язаний з Z-бозоном? Які всі ці зв'язки між цими двома частинками і іншими в Стандартної моделі? Наскільки легко їх створити? А після створення, будуть взаємні розпади, які будуть відрізнятися від розпаду стандартного Хіггса плюс стандартного Z-бозона?

Є методика, яку можна використовувати длядослідження цього: створити електрон-позитронне зіткнення з точною масою Хіггса і Z-бозона. Замість кількох десятків або сотень подій, які створюють хіггсовський і Z-бозон, як це робить БАК, ви зможете створити тисячі, сотні тисяч або навіть мільйони таких.

Звичайно, широкий загал більше схвилюєвиявлення нової частинки, ніж що-небудь ще, але не кожен експеримент призначений для створення нових частинок - та це й не потрібно. Деякі призначені для того, щоб досліджувати вже відому нам матерію і докладно вивчати її властивості. Великий електрон-позитронний колайдер, попередник БАК, так і не знайшов жодної нової фундаментальної частинки. Як і експеримент DESY, який скидав електрони з протонами. І релятивістський коллайдер важких іонів теж.

І цього слід було очікувати; мета у цих трьох коллайдеров була інша. Вона полягала в тому, щоб дослідити матерію, яка дійсно існує, з небаченою раніше точністю.

Не схоже, що ці експерименти простопідтвердили Стандартну модель, хоча все, що вони знайшли, відповідало тільки Стандартної моделі. Вони створили нові складові частинки і виміряли зв'язку між ними. Були виявлені відносини розпаду і розгалуження, а також тонкі відмінності між речовиною і антиречовиною. Деякі частинки вели себе не так, як їх дзеркальні побратими. Інші ніби як порушували симетрію звернення часу. Проте, було виявлено, що інші змішуються разом, створюючи зв'язані стани, про які ми навіть не підозрювали.

Мета наступного великого наукового експерименту нев тому, щоб просто шукати щось одне або перевірити одну нову теорію. Потрібно зібрати величезний набір недоступних в інших відносинах даних, і дозволити цими даними направити розвиток галузі.

Звичайно, ми можемо проектувати і будуватиексперименти чи обсерваторії, орієнтуючись на те, що ми очікуємо знайти. Але кращим вибором для майбутнього науки буде багатоцільова машина, яка зможе збирати великі і різноманітні обсяги даних, які було б неможливо зібрати без таких величезних інвестицій. Ось чому Хаббл був настільки успішним, чому Fermilab і БАК розсунули межі далі, ніж раніше, і чому майбутні місії на кшталт космічного телескопа Джеймса Вебба, майбутні обсерваторії 30-метрового класу або майбутні колайдери знадобляться нам, якщо ми хочемо коли-небудь відповісти на самі фундаментальні питання з усіх.

У бізнесі є стара приказка, яка так самозастосовна і до науки: «Швидше. Краще. Дешевше. Виберіть два ». Світ рухається швидше, ніж будь-коли раніше. Якщо ми почнемо економити і не будемо інвестувати в «краще», це буде рівнозначно тому, щоб здатися.

Чи згодні? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.