Vi letar alltid efter något mer. Och även våra bästa gissningar låter oss ofta inte veta var vi hittar det. På 1800-talet argumenterade vi för varför solen brinner - gravitation eller förbränning, utan att ens misstänka att termonukleär fusion var inblandad. Under 1900-talet argumenterade vi för universums öde utan att ens anta att det accelererade till intet. Men revolutioner inom vetenskapen är verkliga, och när de händer måste vi revidera mycket av allt - ibland till och med allt - som man tidigare trodde var sant.
Det finns många grundläggande sanningar i vår kunskap som vi sällan ifrågasätter, men kanske borde vi göra det. Hur självsäkra är vi i det torn av kunskap som vi har byggt för oss själva?
Hur sant är vår vetenskap?
Enligt ljusåldringshypotesen minskar antalet fotoner per sekund som vi får från varje objekt i proportion till kvadratet på avståndet till det, medan antalet objekt vi ser ökar med kvadratet på avståndet. Objekten ska vara rödare men avge ett konstant antal fotoner per sekund beroende på avståndet. Men i ett expanderande universum får vi färre fotoner per sekund över tiden, eftersom de måste resa långa sträckor när universum expanderar, och deras energi minskar också under rödförskjutning. Ytans ljusstyrka minskar med avståndet - detta överensstämmer med våra observationer.
Om de snabbare neutrinoerna än ljuset som vi talade om för några år sedan visade sig vara sanna, skulle vi behöva ompröva allt vi visste om relativitet och hastighetsgränsen i universum. Om Emdrive eller en annan maskin för evig rörelse visade sig vara verklig, skulle vi behöva revidera allt vi visste om klassisk mekanik och lagen om bevarande av momentum. Även om dessa specifika resultat inte var tillräckligt tillförlitliga - dessa neutriner dök upp på grund av experimentfel, och Emdrive har inte testats på någon nivå av betydelse - en dag kan vi mycket väl möta ett sådant resultat.
Kampanjvideo:
Det viktigaste testet för kommer inte att vara om vi kommer till en sådan korsning. Vår sanna tro på vetenskaplig sanning kommer att testas när vi måste bestämma vad vi ska göra åt det.
En experimentell EmDrive-installation på NASA Eagleworks, där de försökte genomföra isolerade tester av en reaktionslös motor. De hittade ett litet positivt resultat, men det var inte klart om det var kopplat till ny fysik eller med ett systematiskt fel. Resultaten verkade inte tillförlitliga och kunde inte upprepas oberoende. Revolutionen har inte hänt - ännu.
Vetenskapen är samtidigt:
- En kunskapskropp som omfattar allt vi har lärt oss av att observera, förändra och experimentera i vårt universum.
- Processen med att ständigt ifrågasätta våra antaganden, försöka hitta hål i vår förståelse av verkligheten, leta efter logiska kryphål och inkonsekvenser och definiera gränserna för vår kunskap på nya, grundläggande sätt.
Allt som vi ser och hör, allt som våra instrument hittar och så vidare - allt detta kan vara ett exempel på vetenskapliga bevis när de registreras korrekt. När vi försöker komponera en bild av universum måste vi använda hela den tillgängliga vetenskapliga informationen. Vi kan inte välja resultat eller bevis som matchar våra föredragna slutsatser; vi måste kollidera alla våra idéer med varje exempel på god data som finns. För att göra vetenskapen väl måste vi samla in dessa data, placera den bit för bit i en självkonsistent struktur och sedan utsätta den för alla möjliga tester, på något tänkbart sätt.
Det bästa jobbet en vetenskapsman kan göra är att försöka ständigt motbevisa, inte bevisa, de mest heliga teorierna och idéerna.
Hubble Space Telescope (vänster) är vårt största flaggskeppsobservatorium i astrofysikens historia, men mycket mindre och mindre kraftfullt än den framtida James Webb (mitt). Av de fyra föreslagna flaggskeppsuppdragen för 2030-talet är LUVOIR (höger) den mest ambitiösa. Genom att försöka nå det mörkaste i universum, se dem i hög upplösning och vid alla möjliga våglängder kan vi förbättra och testa vår förståelse av kosmos på ett aldrig tidigare skådat sätt.
Detta innebär att vi ökar vår precision till varje ytterligare decimal vi kan lägga till; detta innebär att jaga högre energier, lägre temperaturer, mindre skalor och större provstorlekar; detta innebär att gå utöver det kända giltighetsområdet för teorin; detta innebär teoretisering av nya observerade effekter och utveckling av nya experimentella metoder.
Vid någon tidpunkt hittar du oundvikligen något som inte passar in i förvärvad visdom. Du hittar något som strider mot vad du förväntade dig att hitta. Du får ett resultat som strider mot din gamla, redan existerande teori. Och när det händer - om du kan bekräfta denna motsägelse, om den står emot granskning och faktiskt visar sig vara mycket, mycket existerande - kommer du att uppnå något utmärkt: du kommer att få en vetenskaplig revolution.
En av de revolutionära aspekterna av den relativistiska rörelsen, som lagts fram av Einstein, men som tidigare lagts av Lorentz, Fitzgerald och andra, var att snabba rörliga föremål tycktes samlas i rymden och sakta ner i tiden. Ju snabbare du rör dig i förhållande till något i vila, desto mer minskar din längd och desto mer avtar tiden i förhållande till omvärlden. Denna målning - relativistisk mekanik - ersatte den gamla newtonska synen på klassisk mekanik.
Den vetenskapliga revolutionen involverar dock mer än bara de "gamla sanningarna är fel!" Detta är bara första steget. Det kan vara en nödvändig del av revolutionen, men i sig är det inte tillräckligt. Vi kan gå vidare helt enkelt genom att märka var och hur vår gamla idé misslyckas. För att föra vetenskapen framåt - och betydligt - måste vi hitta en kritisk brist i vårt tidigare sätt att tänka och ompröva det tills vi når sanningen.
För att göra detta behöver vi inte övervinna en, utan tre stora hinder i våra ansträngningar att förbättra vår förståelse av universum. Det finns tre komponenter som går in i revolutionär vetenskaplig teori:
Det bör återge all framgång med en redan existerande teori.
Det måste förklara nya resultat som strider mot den gamla teorin.
Det måste göra nya, testbara förutsägelser som inte har testats tidigare och som antingen kan bekräftas eller motbevisas.
Detta är en otroligt hög bar som sällan nås. Men när det uppnås är belöningarna olikt något annat.
Ett av 1500-talets stora mysterier var att planeterna rör sig i en uppenbar retrograd - det vill säga i motsatt riktning. Detta kan förklaras av antingen Ptolemaios geocentriska modell (vänster) eller Copernicus heliocentriska modell (höger). Att räkna ut detaljerna med hög precision krävde dock teoretiska genombrott i vår förståelse av reglerna bakom det observerade fenomenet, vilket ledde till Keplers lagar och Newtons teori om universell gravitation.
Nykomlingen - en ny teori - bär alltid bevisbördan och ersätter den tidigare dominerande teorin, och detta kräver att hon löser ett antal mycket svåra problem. När heliocentrism uppstod, var det tvungen att förklara alla förutsägelser av planetrörelser, ta hänsyn till alla resultat som heliocentrism inte kunde förklara (till exempel rörelser av kometer och Jupiters månar) och göra nya förutsägelser, till exempel förekomsten av elliptiska banor.
När Einstein föreslog allmän relativitet, skulle hans teori återge alla framgångar med den nytonska gravitationen, samt förklara förtrycket av kvicksilverens perihel och föremålens fysik vars hastighet närmar sig ljus, och dessutom behövde hon göra nya förutsägelser om hur gravitationen böjer stjärnan glans.
Detta koncept sträcker sig även till våra tankar om universums ursprung. För att Big Bang skulle bli känd var det tvungen att ersätta den gamla tanken på ett statiskt universum. Detta betyder att den var tvungen att motsvara den allmänna relativitetsteorin, förklara Hubble-expansionen av universum och förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd och sedan göra nya förutsägelser:
- Om existensen och spektrumet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden
- På det nukleosyntetiska innehållet i ljuselement
- Om bildandet av en storskalig struktur och egenskaper för kluster av materia under påverkan av tyngdkraften.
Allt detta krävdes bara för att ersätta den tidigare teorin.
Tänk nu på vad som krävs för att ersätta en av de ledande vetenskapliga teorierna idag. Detta är inte så svårt som du kan föreställa dig: det tar bara en observation av varje fenomen som strider mot förutsägelserna från Big Bang. Inom ramen för allmän relativitet, om du kunde hitta en teoretisk konsekvens av att Big Bang inte motsvarar våra iakttagelser, skulle vi verkligen vara på väg till revolution.
Och här är det som är viktigt: det kommer inte att följa av detta att allt om Big Bang är fel. Allmän relativitet betyder inte att newtons tyngdkraft är fel; det inför bara begränsningar för var och hur newtonsk gravitation kommer att tillämpas framgångsrikt. Den kommer fortfarande att noggrant beskriva universum födda av ett hett, tätt, expanderande tillstånd; beskriva det observerbara universum med en ålder på många miljarder år (men inte oändlig ålder) på samma sätt; han kommer också att berätta om de första stjärnorna och galaxerna, de första neutrala atomerna, de första stabila atomkärnorna.
Den synliga historien om det expanderande universum inkluderar Big Bangs heta, täta tillstånd och den efterföljande tillväxten och strukturen. Hela datasetet, inklusive observationer av ljuselement och den kosmiska mikrovågsbakgrunden, lämnar bara Big Bang som en lämplig förklaring till vad vi ser. Förutsägelsen av den kosmiska neutrinobakgrunden var en av de sista stora obekräftade förutsägelserna som kom fram ur Big Bang-teorin.
Oavsett vad som kommer upp på denna teori - vad som helst som går utöver vår nuvarande bästa teori (och detta gäller alla vetenskapliga områden) - det första steget är att återge alla framgångar med denna teori. Statiska universumsteorier som bekämpar Big Bang? De kan inte göra detta. Detsamma gäller det elektriska universum och kosmologiska plasma; detsamma kan sägas om trött ljus, om en topologisk defekt och kosmiska strängar.
Kanske en dag kommer vi att uppnå tillräckligt teoretiska framsteg för att ett av dessa alternativ ska bli något som motsvarar hela uppsättningen observerbara, eller kanske ett nytt alternativ kommer att visas. Men denna dag är inte idag, och under tiden förklarar ett inflationsuniversum med Big Bang, med strålning, vanlig materia, mörk materia och energi, den fullständiga uppsättningen av absolut allt vi någonsin har observerat. Och hon är unik för tillfället.
Men det är viktigt att komma ihåg att vi kom till den här bilden just för att vi inte fokuserade på ett tvivelaktigt resultat som kunde kollapsa. Vi har dussintals rader av oberoende bevis som leder oss till samma slutsats om och om igen. Även om det visar sig att vi inte förstår supernovor alls kommer mörk energi fortfarande att behövas; även om det visar sig att vi inte förstår galaxernas rotation alls kommer mörk materia fortfarande att behövas; även om det visar sig att mikrovågsbakgrunden inte finns kommer Big Bang fortfarande att vara nödvändig.
Universum kan visa sig vara helt annorlunda i detalj. Och jag hoppas att jag lever tillräckligt länge för att se en ny Einstein uppstå som utmanar moderna teorier - och vinner. Våra bästa teorier är inte fel, de är helt enkelt inte fullständiga. Och det betyder att de bara kan ersättas med en mer fullständig teori, som oundvikligen kommer att inkludera allt, i allmänhet allt i denna värld - och förklara det.
Ilya Khel