Zawsze szukamy czegoś więcej. A nawet nasze najlepsze przypuszczenia często nie pozwalają nam wiedzieć, gdzie je znajdziemy. W XIX wieku dyskutowaliśmy o tym, dlaczego słońce płonie - grawitacja lub spalanie, nawet nie wiedząc, że w grę wchodzi fuzja termojądrowa. W XX wieku spieraliśmy się o losy wszechświata, nawet nie zakładając, że przyśpiesza on w nicość. Ale rewolucje w nauce są rzeczywiste, a kiedy się zdarzają, musimy zrewidować wiele wszystkiego - czasem nawet wszystko - co wcześniej uważano za prawdę.
W naszej wiedzy jest wiele fundamentalnych prawd, które rzadko kwestionujemy, ale być może powinniśmy. Jak pewni siebie jesteśmy w wieży wiedzy, którą zbudowaliśmy dla siebie?
Jak prawdziwa jest nasza nauka?
Zgodnie z hipotezą starzenia się przez światło, liczba fotonów, które otrzymujemy z każdego obiektu na sekundę, maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości do niego, podczas gdy liczba obiektów, które widzimy, rośnie wraz z kwadratem odległości. Obiekty powinny być bardziej czerwone, ale emitować stałą liczbę fotonów na sekundę w zależności od odległości. Jednak w rozszerzającym się wszechświecie z czasem otrzymujemy mniej fotonów na sekundę, ponieważ muszą one pokonywać duże odległości w miarę rozszerzania się wszechświata, a ich energia również spada podczas przesunięcia ku czerwieni. Jasność powierzchni maleje wraz z odległością - jest to zgodne z naszymi obserwacjami.
Gdyby neutrina szybsze od światła, o których mówiono kilka lat temu, okazały się prawdą, musielibyśmy ponownie rozważyć wszystko, co wiemy o względności i ograniczeniach prędkości we wszechświecie. Gdyby Emdrive lub inna perpetuum mobile okazała się prawdziwa, musielibyśmy zrewidować wszystko, co wiemy o mechanice klasycznej i prawie zachowania pędu. Chociaż te konkretne wyniki nie były wystarczająco wiarygodne - neutrina te pojawiły się z powodu błędu eksperymentalnego, a Emdrive nie został przetestowany na żadnym poziomie istotności - pewnego dnia możemy spotkać się z takim wynikiem.
Film promocyjny:
Najważniejszym sprawdzianem dla nie będzie to, czy dojedziemy do takiego skrzyżowania. Nasza prawdziwa wiara w prawdę naukową zostanie przetestowana, gdy będziemy musieli zdecydować, co z tym zrobić.
Eksperymentalna konfiguracja EmDrive w NASA Eagleworks, gdzie próbowano przeprowadzić izolowane testy silnika bez reakcji. Znaleźli mały pozytywny wynik, ale nie było jasne, czy jest to związane z nową fizyką, czy z systematycznym błędem. Wyniki nie wydawały się wiarygodne i nie można ich było powtórzyć niezależnie. Rewolucja jeszcze się nie wydarzyła.
Nauka jest jednocześnie:
- Zbiór wiedzy obejmujący wszystko, czego nauczyliśmy się z obserwacji, zmian i eksperymentów w naszym wszechświecie.
- Proces ciągłego kwestionowania naszych założeń, szukania luk w naszym rozumieniu rzeczywistości, szukania luk logicznych i niespójności oraz definiowania granic naszej wiedzy na nowe, fundamentalne sposoby.
Wszystko, co widzimy i słyszymy, wszystko, co znajdują nasze instrumenty i tak dalej - wszystko to może być przykładem naukowego dowodu, jeśli jest prawidłowo zarejestrowane. Kiedy próbujemy skomponować obraz wszechświata, musimy skorzystać z pełnego zestawu dostępnych danych naukowych. Nie możemy wybrać wyników lub dowodów, które pasują do naszych preferowanych wniosków; musimy zderzyć wszystkie nasze pomysły z każdym przykładem dobrych danych, które istnieją. Aby dobrze robić naukę, musimy zbierać te dane, umieszczać je kawałek po kawałku w spójną strukturę, a następnie poddawać je wszelkiego rodzaju testom, w dowolny możliwy sposób.
Najlepsza praca, do jakiej jest zdolny naukowiec, to ciągłe próby obalania, a nie udowadniania, najświętszych teorii i idei.
Kosmiczny Teleskop Hubble'a (po lewej) to nasze największe flagowe obserwatorium w historii astrofizyki, ale znacznie mniejsze i słabsze niż przyszły James Webb (w środku). Z czterech proponowanych misji flagowych na lata 30. XX wieku LUVOIR (po prawej) jest najbardziej ambitna. Próbując dotrzeć do najciemniejszego wszechświata, zobaczyć je w wysokiej rozdzielczości i przy wszystkich możliwych długościach fal, możemy poprawić i przetestować nasze zrozumienie kosmosu w niespotykany dotąd sposób.
Oznacza to zwiększenie precyzji do każdego dodatkowego miejsca po przecinku, jakie możemy dodać; oznacza to dążenie do wyższych energii, niższych temperatur, mniejszych skal i większych rozmiarów próbek; oznacza to wyjście poza znany zakres ważności teorii; Oznacza to teoretyzację nowych zaobserwowanych efektów i rozwój nowych metod eksperymentalnych.
W pewnym momencie nieuchronnie znajdziesz coś, co nie pasuje do ram nabytej mądrości. Znajdujesz coś sprzecznego z tym, czego się spodziewałeś. Otrzymasz wynik, który zaprzecza twojej starej, już istniejącej teorii. A kiedy to się stanie - jeśli potrafisz potwierdzić tę sprzeczność, jeśli wytrzyma ona analizę i faktycznie okaże się bardzo, bardzo istniejąca - osiągniesz coś doskonałego: będziesz miał naukową rewolucję.
Jednym z rewolucyjnych aspektów ruchu relatywistycznego, wysuniętym przez Einsteina, ale wcześniej przedstawionym przez Lorentza, Fitzgeralda i innych, było to, że szybko poruszające się obiekty zdawały się kurczyć w przestrzeni i zwalniać w czasie. Im szybciej poruszasz się względem czegoś w spoczynku, tym bardziej twoja długość się kurczy i tym bardziej zwalnia czas w stosunku do świata zewnętrznego. Ten obraz - mechanika relatywistyczna - zastąpił stary newtonowski pogląd na mechanikę klasyczną.
Rewolucja naukowa to jednak coś więcej niż tylko „stare prawdy są błędne”! To dopiero pierwszy krok. Może to być niezbędna część rewolucji, ale sama w sobie nie wystarczy. Moglibyśmy przejść dalej, po prostu zauważając, gdzie i jak zawodzi nasz stary pomysł. Aby posunąć naukę do przodu - i to znacząco - musimy znaleźć krytyczny błąd w naszym poprzednim sposobie myślenia i przemyśleć go, aż dotrzemy do prawdy.
Aby to zrobić, musimy pokonać nie jedną, ale trzy główne przeszkody w naszych wysiłkach na rzecz lepszego zrozumienia wszechświata. Istnieją trzy elementy składające się na rewolucyjną teorię naukową:
Powinien odtworzyć cały sukces już istniejącej teorii.
Musi wyjaśnić nowe wyniki, które były sprzeczne ze starą teorią.
Musi tworzyć nowe, sprawdzalne prognozy, które nie były wcześniej testowane i które można potwierdzić lub obalić.
Jest to niesamowicie wysoki pasek, który rzadko jest osiągany. Ale kiedy to zostanie osiągnięte, nagrody nie przypominają niczego innego.
Jedną z wielkich tajemnic XVI wieku było to, że planety poruszają się w pozornie wstecznym kierunku - to znaczy w przeciwnym kierunku. Można to wyjaśnić albo modelem geocentrycznym Ptolemeusza (po lewej), albo heliocentrycznym modelem Kopernika (po prawej). Jednak ustalenie szczegółów z dużą precyzją wymagało teoretycznych przełomów w naszym zrozumieniu reguł leżących u podstaw obserwowanego zjawiska, które doprowadziły do praw Keplera i teorii Newtona uniwersalnej grawitacji.
Nowicjusz - nowa teoria - zawsze ponosi ciężar udowodnienia, zastępując poprzednią dominującą teorię, a to wymaga od niej rozwiązania szeregu bardzo trudnych problemów. Kiedy pojawił się heliocentryzm, musiał on wyjaśniać wszystkie przewidywania dotyczące ruchów planet, uwzględniać wszystkie wyniki, których heliocentryzm nie potrafił wyjaśnić (na przykład ruch komet i księżyców Jowisza) oraz dokonywać nowych przewidywań, takich jak istnienie orbit eliptycznych.
Kiedy Einstein zaproponował ogólną teorię względności, jego teoria miała odtworzyć wszystkie sukcesy grawitacji Newtona, a także wyjaśnić precesję peryhelium Merkurego i fizykę obiektów, których prędkość zbliża się do światła, a ponadto musiała dokonać nowych przewidywań dotyczących tego, jak grawitacja ugina się w gwiazdę. połysk.
Ta koncepcja rozciąga się nawet na nasze myśli o pochodzeniu samego wszechświata. Aby Wielki Wybuch stał się sławny, musiał zastąpić starą ideę statycznego wszechświata. Oznacza to, że musiał on odpowiadać ogólnej teorii względności, wyjaśniać ekspansję Wszechświata Hubble'a oraz stosunek przesunięcia ku czerwieni i odległości, a następnie dokonywać nowych prognoz:
- O istnieniu i widmie kosmicznego mikrofalowego tła
- O zawartości nukleosyntetycznej lekkich pierwiastków
- O tworzeniu wielkoskalowej struktury i właściwościach skupiania materii pod wpływem grawitacji.
Wszystko to było potrzebne tylko do zastąpienia poprzedniej teorii.
Zastanów się teraz, co należałoby zrobić, aby zastąpić jedną z wiodących obecnie teorii naukowych. Nie jest to tak trudne, jak można sobie wyobrazić: wystarczy jedna obserwacja dowolnego zjawiska, które przeczy przewidywaniom Wielkiego Wybuchu. W kontekście ogólnej teorii względności, gdybyście mogli znaleźć teoretyczną konsekwencję, że Wielki Wybuch nie odpowiada naszym obserwacjom, bylibyśmy naprawdę u progu rewolucji.
A oto, co jest ważne: nie będzie z tego wynikać, że wszystko w Wielkim Wybuchu jest złe. Ogólna teoria względności nie oznacza, że grawitacja Newtona jest zła; nakłada jedynie ograniczenia na to, gdzie i jak można z powodzeniem zastosować grawitację Newtona. Nadal będzie dokładnie opisywać Wszechświat zrodzony z gorącego, gęstego, rozszerzającego się stanu; opisać obserwowalny Wszechświat mający wiele miliardów lat (ale nie nieskończony wiek) w ten sam sposób; opowie także o pierwszych gwiazdach i galaktykach, pierwszych neutralnych atomach, pierwszych stabilnych jądrach atomowych.
Widoczna historia rozszerzającego się wszechświata obejmuje gorący, gęsty stan Wielkiego Wybuchu oraz późniejszy wzrost i tworzenie się struktury. Kompletny zbiór danych, w tym obserwacje elementów świetlnych i kosmicznego mikrofalowego tła, pozostawia jedynie Wielki Wybuch jako odpowiednie wyjaśnienie tego, co widzimy. Przewidywanie kosmicznego tła neutrinowego było jednym z ostatnich wielkich niepotwierdzonych przewidywań, jakie wyłoniły się z teorii Wielkiego Wybuchu.
Cokolwiek pojawi się w tej teorii - cokolwiek wykracza poza naszą obecną najlepszą teorię (i dotyczy to wszystkich dziedzin nauki) - pierwszym krokiem jest odtworzenie wszystkich sukcesów tej teorii. Teorie statycznego wszechświata, które zwalczają Wielki Wybuch? Nie mogą tego zrobić. To samo dotyczy wszechświata elektrycznego i plazmy kosmologicznej; to samo można powiedzieć o zmęczonym świetle, o defekcie topologicznym i kosmicznych strunach.
Być może kiedyś zrobimy wystarczający teoretyczny postęp, aby jedna z tych alternatyw przekształciła się w coś odpowiadającego pełnemu zestawowi obserwabli, albo może pojawi się nowa alternatywa. Ale ten dzień nie jest dniem dzisiejszym, a tymczasem inflacyjny Wszechświat z Wielkim Wybuchem, z promieniowaniem, zwykłą materią, ciemną materią i energią, wyjaśnia pełny zestaw absolutnie wszystkiego, co kiedykolwiek zaobserwowaliśmy. I na razie jest jedyna w swoim rodzaju.
Należy jednak pamiętać, że doszliśmy do tego obrazu właśnie dlatego, że nie skupiliśmy się na jednym wątpliwym wyniku, który mógłby się zawalić. Mamy dziesiątki niezależnych dowodów, które prowadzą nas w kółko do tego samego wniosku. Nawet jeśli okaże się, że w ogóle nie rozumiemy supernowych, nadal potrzebna będzie ciemna energia; nawet jeśli okaże się, że w ogóle nie rozumiemy rotacji galaktyk, nadal potrzebna będzie ciemna materia; nawet jeśli okaże się, że mikrofalowe tło nie istnieje, Wielki Wybuch będzie nadal potrzebny.
Wszechświat może być zupełnie inny w szczegółach. Mam nadzieję, że pożyję wystarczająco długo, aby zobaczyć, jak wyłania się nowy Einstein, który kwestionuje współczesne teorie - i wygrywa. Nasze najlepsze teorie nie są błędne, po prostu nie są wystarczająco kompletne. A to oznacza, że można je zastąpić tylko bardziej kompletną teorią, która nieuchronnie obejmie wszystko, ogólnie wszystko na tym świecie - i to wyjaśni.
Ilya Khel
