Mycket är okänt om universumets natur. Det är nyfikenheten hos människor som leder till svar på dessa frågor som driver vetenskapen framåt. Vi har redan samlat en otrolig mängd kunskap, och framgångarna för våra två ledande teorier - kvantfältteori, som beskriver standardmodellen och allmän relativitet, som beskriver tyngdkraften - visar hur långt vi har kommit för att förstå själva verkligheten.
Många människor är pessimistiska om våra nuvarande ansträngningar och framtida planer för att lösa de stora kosmiska mysterierna som förbrylper oss idag. Våra bästa hypoteser för ny fysik, inklusive supersymmetri, extra dimensioner, teknikfärg, strängteori och andra, har inte lyckats få någon experimentell bekräftelse hittills. Men detta betyder inte att fysiken är i kris. Detta betyder att allt är exakt som det borde vara: fysiken berättar sanningen om universum. Våra nästa steg visar hur bra vi lyssnade.
Universumets största mysterier
För ett århundrade sedan inkluderade de största frågorna vi kunde ställa några extremt viktiga existentiella gåtor som:
- Vilka är de minsta beståndsdelarna i materien?
- Är våra teorier om naturens krafter verkligen grundläggande, eller behövs en djupare förståelse?
- Hur stort är universum?
- Har vårt universum alltid existerat eller såg det ut i ett visst ögonblick i det förflutna?
- Hur lyser stjärnorna?
På den tiden ockuperade dessa mysterier hjärnan hos de största människorna. Många trodde inte ens att de skulle kunna besvaras. I synnerhet krävde de en investering av så till synes enorma resurser att det föreslogs att vi helt enkelt skulle vara nöjda med det vi visste då och använda denna kunskap för samhällsutvecklingen.
Naturligtvis gjorde vi inte det. Att investera i samhället är oerhört viktigt, men det är lika viktigt att driva gränserna för de kända. Tack vare nya upptäckter och forskningsmetoder kunde vi få följande svar:
- Atomer består av subatomära partiklar, av vilka många är indelade i ännu mindre beståndsdelar; Vi känner nu hela standardmodellen.
- Våra klassiska teorier har ersatts med kvantiska teorier som kombinerar fyra grundläggande krafter: starka kärnkrafts-, elektromagnetiska, svaga kärnkrafts- och gravitationskrafter.
- Det observerbara universum spänner över 46,1 miljarder ljusår i alla riktningar; det observerbara universum kan vara mycket större eller oändligt.
- 13,8 miljarder år har gått sedan händelsen känd som Big Bang som födde det universum vi känner. Det föregicks av en inflationstiden av obestämd varaktighet.
- Stjärnor lyser tack vare fysiken i kärnfusion och omvandlar materia till energi enligt Einsteins formel E = mc2.
Och ändå fördjupade det bara de vetenskapliga mysterierna som omger oss. Med allt vi vet om grundläggande partiklar är vi säkra på att det måste finnas många andra saker i universum som fortfarande är okända för oss. Vi kan inte förklara den uppenbara förekomsten av mörk materia, vi förstår inte mörk energi och vi vet inte varför universum expanderar på detta sätt och inte på annat sätt.
Kampanjvideo:
Vi vet inte varför partiklarna är lika stora som de är; varför universum överväldigas av materia, inte antimateria; varför neutrino har massa. Vi vet inte om protonen är stabil, om den någonsin kommer att förfalla eller om tyngdkraften är en kvantkraft i naturen. Och även om vi vet att inflationen föregicks av Big Bang, vet vi inte om inflationen själv började eller var evig.
Kan människor lösa dessa gåtor? Kan de experiment vi kan göra med nuvarande eller framtida teknik belysa dessa grundläggande mysterier?
Svaret på den första frågan är möjligt; vi vet inte vilka hemligheter naturen rymmer förrän vi ser. Svaret på den andra frågan är entydigt ja. Även om varje teori som vi någonsin har gjort om vad som ligger utanför gränserna för det kända - Standardmodellen och allmän relativitet - är 100% fel, finns det en enorm mängd information som kan erhållas genom att utföra experiment som vi planerar att lansera nästa. generation. Att inte bygga alla dessa installationer skulle vara en enorm dårskap, även om de bekräftar mardrömsscenariot som partikelfysiker har fruktat i många år.
När du hör om en partikelaccelerator kan du föreställa dig alla dessa nya upptäckter som väntar oss med högre energier. Löfte om nya partiklar, nya krafter, nya interaktioner eller till och med helt nya fysiska sektorer är det som teoretiker gillar att blundra, även om experiment efter experiment går fel och inte håller dessa löften.
Det finns en god anledning till detta: de flesta idéer som man kan komma på med i fysiken har antingen uteslutits eller allvarligt begränsats av de data vi redan har. Om du vill upptäcka en ny partikel, fält, interaktion eller fenomen, bör du inte posulera något som är oförenligt med det vi redan vet säkert. Naturligtvis kan vi göra antaganden som senare skulle visa sig vara felaktiga, men själva uppgifterna måste överensstämma med någon ny teori.
Det är därför den största ansträngningen inom fysik inte går till nya teorier eller nya idéer, utan till experiment som gör att vi kan gå längre än vad vi redan har utforskat. Visst, att hitta Higgs boson kan vara en stor surr, men hur starkt är Higgs relaterade till Z boson? Vad är alla dessa kopplingar mellan dessa två partiklar och andra i standardmodellen? Hur lätt är det att skapa dem? När det väl har skapats, kommer det att finnas ömsesidiga sönderfall som skiljer sig från sönderfallet för standarden Higgs plus standard Z boson?
Det finns en teknik som kan användas för att undersöka detta: skapa en elektron-positron kollision med den exakta massan av Higgs och Z-boson. I stället för några tiotals eller hundratals händelser som skapar Higgs- och Z-bosonerna, som LHC gör, kan du skapa tusentals, hundratusentals eller till och med miljoner av dem.
Naturligtvis kommer allmänheten att vara mer upphetsad över att hitta en ny partikel än något annat, men inte varje experiment är utformat för att skapa nya partiklar - och det behöver inte vara det. Vissa är avsedda att undersöka ämnen som vi redan känt och studera i detalj dess egenskaper. The Large Electron-Positron Collider, föregångaren till LHC, har aldrig hittat en enda ny grundläggande partikel. Som DESY-experimentet, som kolliderade elektroner med protoner. Och det gör den relativistiska tunga joncollideren.
Och detta kunde förväntas; syftet med dessa tre kollider var annorlunda. Det bestod i att utforska materia som verkligen existerar med en aldrig tidigare skådad precision.
Det verkar inte som att dessa experiment bara bekräftade standardmodellen, även om allt de fann var förenligt med standardmodellen. De skapade nya sammansatta partiklar och mätte bindningarna mellan dem. Förfall och förgreningsrelationer upptäcktes, liksom subtila skillnader mellan materia och antimateria. Vissa partiklar uppförde sig annorlunda än sina spegel motsvarigheter. Andra tycktes bryta symmetri för reversering av tiden. Men andra har visat sig blanda ihop, vilket skapar bundna tillstånd som vi inte ens var medvetna om.
Syftet med nästa stora vetenskapliga experiment är inte bara att söka efter en sak eller att testa en ny teori. Vi måste samla in en enorm uppsättning av annars otillgängliga data och låta dessa data vägleda branschen.
Naturligtvis kan vi designa och bygga experiment eller observatorier baserat på vad vi förväntar oss att hitta. Men det bästa valet för vetenskapens framtid kommer att vara en mångsidig maskin som kan samla in stora och varierande mängder data som inte skulle ha varit möjligt utan så stora investeringar. Detta är anledningen till att Hubble har varit så framgångsrik, varför Fermilab och LHC har drivit gränserna längre än någonsin tidigare, och varför framtida uppdrag som James Webb Space Telescope, framtida 30-meterklassobservatorier eller framtida samlare kommer att behövas om vi någonsin ska svara på de mest grundläggande frågor från alla.
Det finns en gammal ordspråk i affärer som också gäller vetenskap:”Snabbare. Det är bättre. Billigare. Välj två. Världen rör sig snabbare än någonsin tidigare. Om vi börjar spara och inte investerar i det”bästa” kommer det att vara som att ge upp.
Ilya Khel
