Hi-Tech

Ответы на величайшие задачи науки: насколько далеко мы зашли?

Именно любопытство, присущее людям, ведущее к поиску ответов на эти вопросы, и движет науку вперед. О природе самой Вселенной многое неизвестно. Мы уже накопили невероятное количество знаний, и успехи двух наших ведущих теорий — квантовой теории поля, описывающей Стандартную модель, и общей теории относительности, описывающей гравитацию — демонстрируют, насколько далеко мы продвинулись в понимании самой реальности.

Наши лучшие гипотезы для новой физики, включающие суперсимметрию, дополнительные измерения, техниколор, теорию струн и другие, не смогли получить никакого экспериментального подтверждения до сих пор. Многие люди пессимистично относятся к нашим нынешним попыткам и будущим планам по разгадыванию великих космических загадок, которые ставят нас в тупик сегодня. Это значит, что все ровно так, как и должно быть: физика говорит правду о Вселенной. Но это не значит, что физика в кризисе. Наши дальнейшие шаги покажут нам, насколько мы хорошо слушали.

Величайшие загадки Вселенной

Столетие назад самые большие вопросы, которые мы могли задать, включали и крайне важные экзистенциальные загадки, такие как:

  • Каковы самые маленькие составляющие материи?
  • Являются ли наши теории сил природы действительно фундаментальными или же необходимо получить более глубокое понимание?
  • Насколько велика Вселенная?
  • Наша Вселенная существовала всегда или появилась в определенный момент в прошлом?
  • Как светят звезды?

Многие даже не думали, что на них можно будет найти ответы. На тот момент эти загадки занимали умы величайших людей. В частности, они требовали вложения настолько, казалось бы, огромных ресурсов, что предлагалось просто довольствоваться тем, что мы знали в то время, и использовать эти знания для развития общества.

Инвестировать в общество чрезвычайно важно, но так же важно расширять границы известного. Конечно, мы так не поступили. Благодаря новым открытиям и методам исследования, мы смогли получить следующие ответы:

  • Атомы состоят из субатомных частиц, многие из которых делятся на еще более мелкие составляющие; теперь мы знаем всю Стандартную модель.
  • Наши классические теории заменились квантовыми, объединяющими четыре фундаментальные силы: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и гравитационное взаимодействие.
  • Наблюдаемая Вселенная простирается на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях; наблюдаемая Вселенная может быть гораздо больше, либо бесконечной.
  • Прошло 13,8 миллиарда лет после события, известного как Большой Взрыв, которое дало жизнь известной нам Вселенной. Ему предшествовала инфляционная эпоха неопределенной продолжительности.
  • Звезды светят благодаря физике ядерного синтеза, превращая вещество в энергию по формуле Эйнштейна E = mc2.

Обладая всем, что мы знаем о фундаментальных частицах, мы уверены, что во Вселенной должно быть много чего другого, пока неизвестного нам. И все же, это только углубило научные тайны, которые нас окружают. Мы не можем объяснить очевидное присутствие темной материи, не понимаем темную энергию и не знаем, почему Вселенная расширяется именно так, а не иначе.

Мы не знаем, является ли протон стабильным, распадется ли он когда-нибудь и представляет ли гравитация собой квантовую силу природы. Мы не знаем, почему частицы обладают такой массой, какой обладают; почему Вселенную переполняет материя, а не антиматерия; почему нейтрино обладают массой. И хотя мы знаем, что Большому Взрыву предшествовала инфляция, мы не знаем, было ли начало у самой инфляции или она была вечной.

Могут ли эксперименты, которые мы можем провести с использованием современных или будущих технологий, пролить свет на эти фундаментальные загадки? Могут ли люди разрешить эти загадки?

Ответ на второй вопрос — однозначно «да». Ответ на первый вопрос — возможно; мы не знаем, какие секреты хранит природа, пока не посмотрим. Не строить все эти установки было бы огромной глупостью, даже если подтвердят кошмарный сценарий, которого физики элементарных частиц боялись много лет. Даже если каждая теория, которую мы когда-либо приводили на тему того, что находится за пределами границ известного — Стандартная модель и ОТО — на 100% ошибочны, есть огромное количество информации, которую можно получить, выполняя эксперименты, которые мы планируем запустить в следующем поколении.

Обещание новых частиц, новых сил, новых взаимодействий или даже совершенно новых секторов физики — это то, чем любят погрезить теоретики, даже если эксперимент за экспериментом плошают и не выполняют эти обещания. Когда вы слышите об ускорителе частиц, вы, вероятно, представляете все эти новые открытия, которые ожидают нас при более высоких энергиях.

Если вы хотите открыть новую частицу, поле, взаимодействие или явление, вам не стоит постулировать что-то, что несовместимо с тем, что мы уже знаем наверняка. Тому есть веская причина: большинство идей, которые можно придумать в физике, уже были либо исключены, либо сильно ограничены данными, которые у нас уже имеются. Конечно, мы могли сделать допущения, которые позже окажутся неверными, но сами данные должны быть в соглашении с любой новой теорией.

Конечно, обнаружение бозона Хиггса может привести к шумихе, но как сильно Хиггс связан с Z-бозоном? Вот почему наибольшие усилия в физике идут не на новые теории или новые идеи, а на эксперименты, которые позволят нам покинуть пределы того, что мы уже исследовали. Насколько легко их создать? Каковы все эти связи между этими двумя частицами и другими в Стандартной модели? А после создания, будут ли взаимные распады, которые будут отличаться от распада стандартного Хиггса плюс стандартного Z-бозона?

Вместо нескольких десятков или сотен событий, которые создают хиггсовский и Z-бозон, как это делает БАК, вы сможете создать тысячи, сотни тысяч или даже миллионы таких. Есть методика, которую можно использовать для исследования этого: создать электрон-позитронное столкновение с точной массой Хиггса и Z-бозона.

Некоторые предназначены для того, чтобы исследовать уже известную нам материю и подробно изучать ее свойства. Конечно, широкую общественность больше взволнует обнаружение новой частицы, чем что-либо еще, но не каждый эксперимент предназначен для создания новых частиц — да это и не нужно. Как и эксперимент DESY, который сталкивал электроны с протонами. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник БАК, так и не нашел ни одной новой фундаментальной частицы. И релятивистский коллайдер тяжелых ионов тоже.

Она заключалась в том, чтобы исследовать материю, которая действительно существует, с невиданной ранее точностью. И этого следовало ожидать; цель у этих трех коллайдеров была иная.

Они создали новые составные частицы и измерили связи между ними. Не похоже, что эти эксперименты просто подтвердили Стандартную модель, хотя всё, что они нашли, соответствовало только Стандартной модели. Некоторые частицы вели себя не так, как их зеркальные собратья. Были обнаружены отношения распада и разветвления, а также тонкие различия между веществом и антивеществом. Тем не менее, было обнаружено, что другие смешиваются вместе, создавая связанные состояния, о которых мы даже не подозревали. Другие вроде как нарушали симметрию обращения времени.

Нужно собрать огромный набор недоступных в других отношениях данных, и позволить этим данным направить развитие отрасли. Цель следующего великого научного эксперимента не в том, чтобы просто искать что-то одно или проверить одну новую теорию.

Но лучшим выбором для будущего науки будет многоцелевая машина, которая сможет собирать большие и разнообразные объемы данных, которые было бы невозможно собрать без таких огромных инвестиций. Конечно, мы можем проектировать и строить эксперименты или обсерватории, ориентируясь на то, что мы ожидаем найти. Вот почему Хаббл был настолько успешным, почему Fermilab и БАК раздвинули границы дальше, чем прежде, и почему будущие миссии вроде космического телескопа Джеймса Вебба, будущие обсерватории 30-метрового класса или будущие коллайдеры понадобятся нам, если мы хотим когда-нибудь ответить на самые фундаментальные вопросы из всех.

Лучше. В бизнесе есть старая поговорка, которая так же применима и к науке: «Быстрее. Выберите два». Дешевле. Если мы начнем экономить и не будем инвестировать в «лучшее», это будет равносильно тому, чтобы сдаться. Мир движется быстрее, чем когда-либо прежде.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. Согласны?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть