Чи може все наше наукове знання розсипатися як картковий будиночок?

Ми завжди в пошуках чогось більшого. І навіть наші найкращі здогади часто не дозволяють нам зрозуміти, де ми його знайдемо. У 19 столітті ми сперечалися про те, за рахунок чого горить Сонце - гравітації або згоряння, навіть не підозрюючи, що в справі замішаний термоядерний синтез. У 20 столітті ми сперечалися про долю Всесвіту, навіть не припускаючи, що вона розганяється в небуття. Але революції в науці реальні, і коли вони відбуваються, нам доводиться переглядати безліч всякого - часом навіть все - що раніше вважалося вірним.

У нашому знанні є маса фундаментальних істин, які ми рідко ставимо під сумнів, але, можливо, нам варто це робити. Наскільки ми впевнені в башті знань, яку побудували для себе?

Наскільки вірна наша наука?

Відповідно до гіпотези старіння світла, кількістьфотонів в секунду, яке ми отримуємо від кожного об'єкта, зменшується пропорційно квадрату відстані до нього, в той час як кількість видимих ​​нами об'єктів збільшується разом з квадратом відстані. Об'єкти повинні бути більш червоними, проте випускати постійне число фотонів в секунду в залежності від відстані. Однак, в розширюється всесвіту ми отримуємо менше фотонів в секунду з плином часу, оскільки їм доводиться долати великі відстані в міру розширення Всесвіту, і їх енергія також зменшується в процесі червоного зсуву. Яскравість поверхні зменшується з відстанню - це відповідає нашим спостереженням.

Несподіваний відповідь полягає в тому, що мивельми впевнені у всій сукупності наукових знань, які створили. Це буде залишатися вірним до певного моменту: поки не буде досягнутий єдиний надійний результат, який вступить в конфлікт з нашою картиною.

Якби нейтрино швидше за світло, про які зайшлирозмови кілька років тому, виявилися правдою, нам би довелося переглянути все, що ми знали про відносність і межі швидкості у Всесвіті. Якби Emdrive або інший вічний двигун виявився реальним, нам би довелося переглянути все, що ми знали про класичній механіці і закон збереження імпульсу. Хоча ці конкретні результати виявилися недостатньо надійними - ті нейтрино з'явилися внаслідок експериментальної помилки, а Emdrive не пройшов перевірку на жодному рівні значущості - одного разу ми цілком можемо зіткнутися з таким результатом.

Найважливішою перевіркою для буде не те, чи дійдемо ми до такого перехрестя. Наша щира віра в наукову істину буде перевірена, коли нам доведеться вирішувати, що з цим робити.

Експериментальна установка EmDrive в NASAEagleworks, де вони намагалися провести ізольовані випробування безреакціонного двигуна. Вони знайшли невеликий позитивний результат, але було незрозуміло, з чим він пов'язаний: з новою фізикою чи із систематичною помилкою. Результати ще з'явилися надійними і не змогли бути повторені незалежно. Революції не сталося - поки.

Наука це одночасно:

• Сукупність знань, що охоплює всі, що ми дізналися з спостереження, зміни і експериментування в нашому Всесвіті.
• Процес постійного усомненія в нашихприпущеннях, спроб знайти діри в нашому розумінні реальності, пошуку логічних лазівок і невідповідностей і визначення меж наших знань новими, фундаментальними способами.

Все, що ми бачимо і чуємо, все, що знаходять нашіінструменти і так далі - все це може бути прикладом наукових даних, будучи правильно записаними. Коли ми намагаємося скласти картину Всесвіту, ми повинні використовувати повний набір доступних наукових даних. Ми не можемо вибирати результати або докази, які відповідають нашим кращим висновків; нам доводиться зіштовхувати всі наші ідеї з кожним прикладом існуючих хороших даних. Щоб робити науку добре, ми повинні збирати ці дані, розміщувати їх по шматочках в самоузгоджену структуру і потім піддавати її всіляким випробуванням, будь-яких мислимих способом.

Краща робота, на яку здатний вчений, це намагатися постійно спростовувати, а не доводити, самі сакральні теорії та ідеї.

Космічний телескоп «Хаббл» (зліва) - це наша найбільша флагманська обсерваторія в історії астрофізики, але він набагато менше і менш потужний, ніж майбутній «Джеймс Вебб» (в центрі). З чотирьох запропонованих флагманських місій на 2030-і роки LUVOIR (праворуч) - сама амбітна. Намагаючись дотягнутися до самих тьмяних Всесвіту, побачити їх у високому дозволі і на всіляких довжинах хвиль, ми можемо поліпшити і перевірити наше розуміння космосу безпрецедентним чином.

Це означає збільшення нашої точності до кожноїдодаткової цифри після коми, яку ми тільки можемо додати; це означає погоню за більш високими енергіями, низькими температурами, меншими масштабами і великими розмірами вибірки; це означає вихід за межі відомого діапазону достовірності теорії; це означає теоретизування нових спостережуваних ефектів і розробку нових експериментальних методів.

У якийсь момент ви неминуче знаходите щось,що не вкладається в рамки знайденої мудрості. Ви знаходите щось, що суперечить тому, що ви очікували знайти. Ви отримуєте результат, який суперечить вашій старої, вже існуючої теорії. І коли це відбувається - якщо ви зможете підтвердити це протиріччя, якщо воно витримає ретельну перевірку і покаже себе насправді дуже і дуже існуючим - ви досягнете дечого чудового: у вас буде наукова революція.

Одним з революційних аспектів релятивістськомуруху, висунутим Ейнштейном, але перш за закладеним Лорентца, Фицжеральд та іншими, було те, що швидко рухомі об'єкти, здавалося, стискаються в просторі і сповільнюються в часі. Чим швидше ви рухаєтеся щодо чогось в стані спокою, тим більше стискається ваша довжина і тим більше сповільнюється час щодо зовнішнього світу. Ця картина - релятивістська механіка - замінила старий ньютоновский погляд на класичну механіку.

Наукова революція, проте, включає в себещось більше, ніж просто заява «старі істини помилкові!». Це всього лише перший крок. Може бути, це необхідна частина революції, але сама по собі вона є недостатньою. Ми могли б рухатися далі, просто помітивши, де і як наша стара ідея нас підводить. Щоб просунути науку вперед - і значно - нам потрібно знайти критичний недолік в нашому попередньому способі мислення і переглядати його, поки ми не доб'ємося правди.

Для цього нам потрібно подолати не одне, а три основні перешкоди в наших зусиллях щодо поліпшення нашого розуміння Всесвіту. Є три компонента, які входять в революційну наукову теорію:

• Вона повинна відтворювати весь успіх вже існуючої теорії.
• Вона повинна пояснювати нові результати, які суперечили старої теорії.
• Вона повинна давати нові, перевіряються прогнози, що не перевірялися раніше, і які можуть бути або підтверджені, або спростовані.

Це неймовірно висока планка, яка досягається дуже рідко. Але коли вона досягається, нагороди не схожі ні на що інше.

Однією з найбільших загадок 1500-х років було те,що планети рухаються очевидно ретроградно - тобто, в зворотному напрямку. Це можна було пояснити або за допомогою геоцентрической моделі Птолемея (зліва) або геліоцентричної Коперника (праворуч). Однак з'ясування деталей з високою точністю вимагало теоретичних проривів в нашому розумінні правил, що лежать в основі спостережуваного явища, що призвело до законів Кеплера і теорії універсальної гравітації Ньютона.

На новачка - нової теорії - завжди лежить тягардокази, заміщення колишньої панівної теорії і це вимагає від неї вирішення низки дуже важких завдань. Коли з'явився геліоцентрізм, він повинен був пояснити всі прогнози рухів планет, врахувати всі результати, які геліоцентрізм не міг пояснити (наприклад, рух комет і супутників Юпітера), і зробити нові передбачення - такі як існування еліптичних орбіт.

Коли Ейнштейн запропонував загальну теоріювідносності, його теорія мала відтворити все успіхи ньютонівської гравітації, а також пояснити прецесію перигелію Меркурія і фізику об'єктів, швидкість яких наближається до світлової, і більш того - їй потрібно було зробити нові прогнози про те, як гравітація згинає зоряне світло.

Це поняття поширюється навіть на наші думки пропоходження самого Всесвіту. Щоб Великий Вибух став відомим, він повинен був замінити колишнє уявлення про статичної Всесвіту. Значить, йому повинна була відповідати загальній теорії відносності, пояснювати Хаббловском розширення Всесвіту і співвідношення червоного зсуву і відстані, а після цього робити нові передбачення:

• Про існування і спектрі космічного мікрохвильового фону
• Про нуклеосінтетіческом змісті легких елементів
• Про формування великомасштабної структури і властивості кластеризації речовини під впливом гравітації.

Все це було потрібно лише для того, щоб замінити попередню теорію.

А тепер подумайте про те, що було б потрібно,щоб замінити одну з провідних наукових теорій сьогодні. Це не так складно, як ви могли б уявити: знадобилося б усього одне спостереження будь-якого явища, яке суперечить прогнозам Великого Вибуху. В контексті ОТО, якби ви могли знайти теоретичне наслідок того, що Великий Вибух не відповідає нашими спостереженнями, ми реально були б на межі революції.

І ось що важливо: з цього не буде слідувати, що всі на тему Великого Вибуху - помилково. Загальна теорія відносності не означає, що ньютонівська гравітація невірна; вона лише накладає обмеження на те, де і як ньютонівська гравітація буде застосовна успішно. Вона все так само буде точно описувати Всесвіт, народжену з гарячого, щільного, розширюється стану; так само точно опише спостережувану Всесвіт віком багато мільярдів років (але не нескінченного віку); так само точно розповість про перші зірки і галактики, перше нейтральних атомах, перших стабільних атомних ядрах.

Видима історія Всесвіту включаєгаряче, щільне стан Великого Вибуху і подальше зростання і формування структури. Повний набір даних, включаючи спостереження за легкими елементами і космічним мікрохвильовим фоном, залишає тільки Великий Вибух в якості відповідного пояснення того, що ми бачимо. Передбачення космічного нейтринного фону було одним з останніх великих непідтверджених передбачень, що випливають з теорії Великого Вибуху.

Що б не прийшло на тему цієї теорії - що б невийшло за межі нашої нинішньої кращої теорії (і це відноситься до всіх наукових сфер) - насамперед доведеться відтворити все успіхи цієї теорії. Теорії статичної Всесвіту, які воюють з Великим Вибухом? Вони не здатні на це. Те ж стосується електричної Всесвіту і космологічної плазми; то ж можна сказати про втомлений світло, про топологічний дефект і космічні струни.

Можливо, коли-небудь ми досягнемо достатньоготеоретичного прогресу, щоб одна з цих альтернатив перетворилася на щось, відповідне повного набору спостережуваного або, можливо, з'явиться нова альтернатива. Але цей день - не сьогодні, а тим часом інфляційна Всесвіт з Великим Вибухом, з радіацією, звичайною матерією, темною матерією і енергією пояснює повний набір абсолютно все, що ми коли-небудь спостерігали. І вона єдина в своєму роді, поки що.

Але важливо пам'ятати, що ми прийшли до цієї картинияк раз тому, що не зосередилися на одному сумнівному результаті, який може впасти. У нас є десятки ліній незалежних доказів, які раз по раз приводять нас до одного і того ж висновку. Навіть якщо виявиться, що ми взагалі не розуміємо наднові, темна енергія все одно буде потрібна; навіть якщо виявиться, що ми взагалі не розуміємо обертання галактик, темна матерія все одно буде потрібна; навіть якщо виявиться, що мікрохвильового фону не існує, Великий Вибух все одно буде необхідний.

Всесвіт може виявитися зовсім інший вдеталях. І я сподіваюся, що проживу достатньо довго, щоб побачити, як з'являється новий Ейнштейн, який кидає виклик сучасним теоріям - і перемагає. Наші кращі теорії не помилкові, вони просто недостатньо повні. І це значить, що на зміну їм може прийти тільки більш повна теорія, яка неминуче буде включати всі, взагалі все в цьому світі - і пояснювати його.

Розкажіть про свої теоріях в нашому чаті в Телеграма.