Odpowiedzi Na Największe Wyzwania Nauki: Jak Daleko Zaszliśmy? - Alternatywny Widok

Spisu treści:

Odpowiedzi Na Największe Wyzwania Nauki: Jak Daleko Zaszliśmy? - Alternatywny Widok
Odpowiedzi Na Największe Wyzwania Nauki: Jak Daleko Zaszliśmy? - Alternatywny Widok

Wideo: Odpowiedzi Na Największe Wyzwania Nauki: Jak Daleko Zaszliśmy? - Alternatywny Widok

Wideo: Odpowiedzi Na Największe Wyzwania Nauki: Jak Daleko Zaszliśmy? - Alternatywny Widok
Wideo: Cyfrowo znaczy dostępnie. Audiodeskrypcja w Wirtualnych Muzeach Małopolski 2024, Marzec
Anonim

Wiele nie wiadomo o naturze samego wszechświata. To ciekawość tkwiąca w człowieku, prowadząca do poszukiwania odpowiedzi na te pytania, napędza naukę. Zgromadziliśmy już niesamowitą ilość wiedzy, a sukcesy naszych dwóch wiodących teorii - kwantowej teorii pola, która opisuje model standardowy, oraz ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację - pokazują, jak daleko zaszliśmy w zrozumieniu samej rzeczywistości.

Wielu ludzi pesymistycznie odnosi się do naszych obecnych wysiłków i przyszłych planów rozwiązania wielkich kosmicznych tajemnic, które wprawiają nas w zakłopotanie. Nasze najlepsze hipotezy dotyczące nowej fizyki, w tym supersymetrii, dodatkowych wymiarów, technikoloru, teorii strun i innych, nie zostały dotychczas w stanie uzyskać żadnego potwierdzenia eksperymentalnego. Ale to nie znaczy, że fizyka przechodzi kryzys. Oznacza to, że wszystko jest dokładnie tak, jak powinno: fizyka mówi prawdę o wszechświecie. Nasze kolejne kroki pokażą nam, jak dobrze słuchaliśmy.

Największe tajemnice wszechświata

Sto lat temu do największych pytań, jakie mogliśmy zadać, należały niezwykle ważne egzystencjalne zagadki, takie jak:

  • Jakie są najmniejsze składniki materii?
  • Czy nasze teorie sił natury są naprawdę fundamentalne, czy też potrzebne jest głębsze zrozumienie?
  • Jak duży jest wszechświat?
  • Czy nasz Wszechświat istniał zawsze, czy pojawił się w pewnym momencie w przeszłości?
  • Jak gwiazdy świecą?

W tym czasie te tajemnice zaprzątały umysły najwybitniejszych ludzi. Wielu nawet nie myślało, że można na nie odpowiedzieć. W szczególności wymagały zainwestowania tak pozornie ogromnych zasobów, że sugerowano, abyśmy po prostu byli zadowoleni z tego, co wiedzieliśmy w tamtym czasie i wykorzystali tę wiedzę dla rozwoju społeczeństwa.

Oczywiście tego nie zrobiliśmy. Inwestowanie w społeczeństwo jest niezwykle ważne, ale równie ważne jest przesuwanie granic tego, co znane. Dzięki nowym odkryciom i metodom badawczym udało nam się uzyskać następujące odpowiedzi:

  • Atomy składają się z cząstek subatomowych, z których wiele jest podzielonych na jeszcze mniejsze składniki; znamy teraz cały Model Standardowy.
  • Nasze klasyczne teorie zostały zastąpione teoriami kwantowymi, łączącymi cztery podstawowe siły: silne siły jądrowe, elektromagnetyczne, słabe siły jądrowe i grawitacyjne.
  • Obserwowalny wszechświat rozciąga się na 46,1 miliarda lat świetlnych we wszystkich kierunkach; obserwowalny wszechświat może być znacznie większy lub nieskończony.
  • Od wydarzenia znanego jako Wielki Wybuch, które dało początek wszechświatowi, który znamy, minęło 13,8 miliarda lat. Poprzedziła go epoka inflacji o nieokreślonym czasie trwania.
  • Gwiazdy świecą dzięki fizyce syntezy jądrowej, przekształcając materię w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E = mc2.

A jednak pogłębił tylko naukowe tajemnice, które nas otaczają. Mając wszystko, co wiemy o cząstkach podstawowych, jesteśmy pewni, że we Wszechświecie musi być wiele innych rzeczy, które są nam nadal nieznane. Nie potrafimy wyjaśnić widocznej obecności ciemnej materii, nie rozumiemy ciemnej energii i nie wiemy, dlaczego wszechświat rozszerza się w ten sposób, a nie inaczej.

Film promocyjny:

Nie wiemy, dlaczego cząsteczki są tak masywne jak one; dlaczego Wszechświat jest opanowany przez materię, a nie antymaterię; dlaczego neutrina mają masę. Nie wiemy, czy proton jest stabilny, czy kiedykolwiek ulegnie rozpadowi, czy też grawitacja jest kwantową siłą natury. I chociaż wiemy, że inflacja została poprzedzona Wielkim Wybuchem, nie wiemy, czy sama inflacja się rozpoczęła, czy też była wieczna.

Czy ludzie mogą rozwiązać te zagadki? Czy eksperymenty, które możemy przeprowadzić z obecną lub przyszłą technologią, mogą rzucić światło na te fundamentalne tajemnice?

Image
Image

Odpowiedź na pierwsze pytanie jest możliwa; nie wiemy, jakie sekrety skrywa natura, dopóki nie zobaczymy. Odpowiedź na drugie pytanie jest jednoznacznie twierdząca. Nawet jeśli każda teoria, jaką kiedykolwiek poruszyliśmy, na temat tego, co wykracza poza znane nam granice - Model Standardowy i Ogólna Teoria Względności - jest w 100% błędna, istnieje ogromna ilość informacji, które można uzyskać wykonując eksperymenty, które planujemy przeprowadzić w następnej kolejności. Pokolenie. Nie zbudowanie wszystkich tych instalacji byłoby wielkim szaleństwem, nawet jeśli potwierdzałyby one koszmarny scenariusz, którego fizycy cząstek obawiali się od wielu lat.

Kiedy słyszysz o akceleratorze cząstek, prawdopodobnie wyobrażasz sobie wszystkie te nowe odkrycia, które czekają na nas przy wyższych energiach. Obietnica nowych cząstek, nowych sił, nowych interakcji lub nawet zupełnie nowych sektorów fizyki jest tym, co teoretycy uwielbiają popełniać błędy, nawet jeśli eksperyment za eksperymentem kończy się niepowodzeniem i nie dotrzymuje tych obietnic.

Jest ku temu dobry powód: większość pomysłów, które można wymyślić w fizyce, została już wykluczona lub poważnie ograniczona przez dane, które już mamy. Jeśli chcesz odkryć nową cząstkę, pole, interakcję lub zjawisko, nie powinieneś postulować czegoś, co jest niezgodne z tym, co już wiemy na pewno. Oczywiście moglibyśmy przyjąć założenia, które później okazałyby się błędne, ale same dane muszą być zgodne z każdą nową teorią.

Dlatego największy wysiłek w fizyce nie idzie w kierunku nowych teorii lub nowych pomysłów, ale do eksperymentów, które pozwolą nam wyjść poza to, co już zbadaliśmy. Jasne, znalezienie bozonu Higgsa może być dużym szumem, ale jak mocno jest on powiązany z bozonem Z? Jakie są te wszystkie powiązania między tymi dwiema a innymi cząstkami w Modelu Standardowym? Jak łatwo jest je tworzyć? Czy po utworzeniu wystąpią wzajemne rozpady różniące się od rozpadu standardowego bozonu Higgsa i standardowego bozonu Z?

Istnieje technika, którą można wykorzystać do zbadania tego: stwórz zderzenie elektron-pozyton z dokładną masą bozonu Higgsa i bozonu Z. Zamiast kilkudziesięciu lub setek zdarzeń, które tworzą bozony Higgsa i Z, jak robi to LHC, możesz stworzyć ich tysiące, setki tysięcy, a nawet miliony.

Oczywiście opinia publiczna będzie bardziej podekscytowana znalezieniem nowej cząstki niż czymkolwiek innym, ale nie każdy eksperyment ma na celu stworzenie nowych cząstek - i nie musi. Niektóre mają na celu zbadanie już znanej nam materii i szczegółowe zbadanie jej właściwości. Wielki Zderzacz Elektronów i Pozytonów, prekursor LHC, nigdy nie znalazł ani jednej nowej fundamentalnej cząstki. Podobnie jak w eksperymencie DESY, w którym zderzano elektrony z protonami. Podobnie jest z relatywistycznym zderzaczem ciężkich jonów.

Image
Image

I tego należało się spodziewać; cel tych trzech zderzaczy był inny. Polegał na badaniu materii, która naprawdę istnieje, z niespotykaną dotąd precyzją.

Nie wydaje się, że te eksperymenty właśnie potwierdziły Model Standardowy, chociaż wszystko, co znaleźli, było zgodne z Modelem Standardowym. Stworzyli nowe cząstki złożone i zmierzyli wiązania między nimi. Odkryto związki rozpadu i rozgałęzień, a także subtelne różnice między materią a antymaterią. Niektóre cząstki zachowywały się inaczej niż ich lustrzane odpowiedniki. Inni wydawali się łamać symetrię odwrócenia czasu. Jednak odkryto, że inne mieszają się razem, tworząc stany związane, których nawet nie byliśmy świadomi.

Celem następnego wielkiego eksperymentu naukowego nie jest po prostu poszukiwanie jednej rzeczy lub testowanie jednej nowej teorii. Musimy zebrać ogromny zestaw danych, które w przeciwnym razie byłyby niedostępne, i pozwolić, aby te dane kierowały branżą.

Oczywiście możemy projektować i budować eksperymenty lub obserwatoria w oparciu o to, czego oczekujemy. Ale najlepszym wyborem dla przyszłości nauki będzie maszyna wielofunkcyjna, która może gromadzić duże i zróżnicowane ilości danych, co nie byłoby możliwe bez tak ogromnych inwestycji. To dlatego Hubble odniósł taki sukces, dlaczego Fermilab i LHC przesunęły granice dalej niż kiedykolwiek wcześniej i dlaczego przyszłe misje, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, przyszłe 30-metrowe obserwatoria lub przyszłe zderzacze będą potrzebne, jeśli mamy kiedykolwiek odpowiedzieć na najbardziej fundamentalne pytania od wszystkich.

W biznesie jest stare powiedzenie, które odnosi się również do nauki: „Szybciej. To jest lepsze. Taniej. Wybierz dwa”. Świat porusza się szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Jeśli zaczniemy oszczędzać, a nie będziemy inwestować w „najlepszych”, będzie to jak rezygnacja.

Ilya Khel