Новости всё Наука - iCity.life Томск

Мы всегда в поисках чего-то большего. И даже наши лучшие догадки зачастую не позволяют нам понять, где мы его найдем. В 19 веке мы спорили о том, за счет чего горит Солнце — гравитации или сгорания, даже не подозревая, что в деле замешан термоядерный синтез. В 20 веке мы спорили о судьбе Вселенной, даже не предполагая, что она разгоняется в небытие. Но революции в науке реальны, и когда они происходят, нам приходится пересматривать множество всякого — порой даже все — что раньше считалось верным.

В нашем знании есть масса фундаментальных истин, которые мы редко подвергаем сомнению, но, возможно, нам стоит это делать. Насколько мы уверены в башне знаний, которую построили для себя?

Насколько верна наша наука?

Согласно гипотезе старения света, количество фотонов в секунду, которое мы получаем от каждого объекта, уменьшается пропорционально квадрату расстояния до него, в то время как количество видимых нами объектов увеличивается вместе с квадратом расстояния. Объекты должны быть более красными, однако испускать постоянное число фотонов в секунду в зависимости от расстояния. Однако, в расширяющейся вселенной мы получаем меньше фотонов в секунду с течением времени, поскольку им приходится преодолевать большие расстояния по мере расширения Вселенной, и их энергия также уменьшается в процессе красного смещения. Яркость поверхности уменьшается с расстоянием — это соответствует нашим наблюдениям.

Неожиданный ответ заключается в том, что мы весьма уверены во всей совокупности научных знаний, которые создали. Это будет оставаться верным до определенного момента: пока не будет достигнут единый надежный результат, который вступит в конфликт с нашей картиной.

Если бы нейтрино быстрее света, о которых зашли разговоры несколько лет назад, оказались правдой, нам бы пришлось пересмотреть все, что мы знали об относительности и пределе скорости во Вселенной. Если бы Emdrive или другой вечный двигатель оказался реальным, нам бы пришлось пересмотреть все, что мы знали о классической механике и законе сохранения импульса. Хотя эти конкретные результаты оказались недостаточно надежными — те нейтрино появились вследствие экспериментальной ошибки, а Emdrive не прошел проверку ни на одном уровне значимости — однажды мы вполне можем столкнуться с таким результатом.

Важнейшей проверкой для будет не то, дойдем ли мы до такого перекрестка. Наша истинная вера в научную истину будет проверена, когда нам придется решать, что с этим делать.

Экспериментальная установка EmDrive в NASA Eagleworks, где они пытались провести изолированные испытания безреакционного двигателя. Они нашли небольшой положительный результат, но было непонятно, с чем он связан: с новой физикой или с систематической ошибкой. Результаты не показались надежными и не смогли быть повторены независимо. Революции не произошло — пока.

Наука это одновременно:

• Совокупность знаний, охватывающая все, что мы узнали из наблюдения, изменения и экспериментирования в нашей Вселенной.
• Процесс постоянного усомнения в наших предположениях, попыток найти дыры в нашем понимании реальности, поиска логических лазеек и несоответствий и определения пределов наших знаний новыми, фундаментальными способами.

Все, что мы видим и слышим, все, что находят наши инструменты и так далее — все это может быть примером научных данных, будучи правильно записанными. Когда мы пытаемся составить картину Вселенной, мы должны использовать полный набор доступных научных данных. Мы не можем выбирать результаты или доказательства, которые соответствуют нашим предпочтительным выводам; нам приходится сталкивать все наши идеи с каждым примером существующих хороших данных. Чтобы делать науку хорошо, мы должны собирать эти данные, размещать их по кусочкам в самосогласованную структуру и затем подвергать ее всевозможным испытаниям, любым мыслимым способом.

Лучшая работа, на которую способен ученый, это пытаться постоянно опровергать, а не доказывать, самые сакральные теории и идеи.

Космический телескоп «Хаббл» (слева) — это наша самая большая флагманская обсерватория в истории астрофизики, но он намного меньше и менее мощный, чем будущий «Джеймс Вебб» (в центре). Из четырех предложенных флагманских миссий на 2030-е годы LUVOIR (справа) — самая амбициозная. Пытаясь дотянуться до самых тусклых Вселенной, увидеть их в высоком разрешении и на всевозможных длинах волн, мы можем улучшить и проверить наше понимание космоса беспрецедентным образом.

Это означает увеличение нашей точности до каждой дополнительной цифры после запятой, которую мы только можем добавить; это означает погоню за более высокими энергиями, низкими температурами, меньшими масштабами и большими размерами выборки; это означает выход за пределы известного диапазона достоверности теории; это означает теоретизацию новых наблюдаемых эффектов и разработку новых экспериментальных методов.

В какой-то момент вы неизбежно находите что-то, что не укладывается в рамки обретенной мудрости. Вы находите нечто, противоречащее тому, что вы ожидали найти. Вы получаете результат, который противоречит вашей старой, уже существующей теории. И когда это происходит — если вы сможете подтвердить это противоречие, если оно выдержит тщательную проверку и покажет себя на самом деле очень и очень существующим — вы добьетесь кое-чего превосходного: у вас будет научная революция.

Одним из революционных аспектов релятивисткого движения, выдвинутым Эйнштейном, но прежде заложенным Лорентцем, Фицжеральдом и прочими, было то, что быстро движущиеся объекты, казалось, сжимаются в пространстве и замедляются во времени. Чем быстрее вы двигаетесь относительно чего-то в состоянии покоя, тем больше сжимается ваша длина и тем больше замедляется время относительно внешнего мира. Эта картина — релятивистская механика — заменила старый ньютоновский взгляд на классическую механику.

Научная революция, тем не менее, включает в себя нечто большее, чем просто заявление «старые истины ошибочны!». Это всего лишь первый шаг. Может быть, это необходимая часть революции, но сама по себе она недостаточна. Мы могли бы двигаться дальше, просто заметив, где и как наша старая идея нас подводит. Чтобы продвинуть науку вперед — и значительно — нам нужно найти критический недостаток в нашем предыдущем образе мышления и пересматривать его, пока мы не добьемся истины.

Для этого нам нужно преодолеть не одно, а три основных препятствия в наших усилиях по улучшению нашего понимания Вселенной. Есть три компонента, которые входят в революционную научную теорию:

• Она должна воспроизводить весь успех уже существующей теории.
• Она должна объяснять новые результаты, которые противоречили старой теории.
• Она должна давать новые, проверяемые прогнозы, которые не проверялись прежде, и которые могут быть либо подтверждены, либо опровергнуты.

Это невероятно высокая планка, которая достигается очень редко. Но когда она достигается, награды не похожи ни на что другое.

Одной из величайших загадок 1500-х годов было то, что планеты двигаются очевидно ретроградно — то есть, в обратном направлении. Это можно было объяснить либо с помощью геоцентрической модели Птолемея (слева) или гелиоцентрической Коперника (справа). Однако выяснение деталей с высокой точностью требовало теоретических прорывов в нашем понимании правил, лежащих в основе наблюдаемого явления, что привело к законам Кеплера и теории универсальной гравитации Ньютона.

На новичке — новой теории — всегда лежит бремя доказательства, замещения прежней господствующей теории и это требует от нее решения ряда очень трудных задач. Когда появился гелиоцентризм, он должен был объяснить все предсказания движений планет, учесть все результаты, которые гелиоцентризм не мог объяснить (например, движение комет и спутников Юпитера), и сделать новые предсказания — такие как существование эллиптических орбит.

Когда Эйнштейн предложил общую теорию относительности, его теория должна была воспроизвести все успехи ньютоновской гравитации, а также объяснить прецессию перигелия Меркурия и физику объектов, скорость которых приближается к световой, и более того — ей нужно было сделать новые предсказания о том, как гравитация изгибает звездный свет.

Это понятие распространяется даже на наши мысли о происхождении самой Вселенной. Чтобы Большой Взрыв приобрел известность, он должен был заменить прежнее представление о статической Вселенной. Значит, ему должна была соответствовать общей теории относительности, объяснять хаббловское расширение Вселенной и соотношение красного смещения и расстояния, а после этого делать новые предсказания:

• О существовании и спектре космического микроволнового фона
• О нуклеосинтетическом содержании легких элементов
• О формировании крупномасштабной структуры и свойствах кластеризации вещества под воздействием гравитации.

Все это требовалось лишь для того, чтобы заменить предшествующую теорию.

А теперь подумайте о том, что было бы нужно, чтобы заменить одну из ведущих научных теорий сегодня. Это не так сложно, как вы могли бы вообразить: понадобилось бы всего одно наблюдение любого явления, которое противоречит прогнозам Большого Взрыва. В контексте ОТО, если бы вы могли найти теоретическое следствие того, что Большой Взрыв не соответствует нашим наблюдениям, мы реально оказались бы на грани революции.

И вот что важно: из этого не будет следовать, что все на тему Большого Взрыва — ошибочно. Общая теория относительности не означает, что ньютоновская гравитация неверна; она лишь накладывает ограничения на то, где и как ньютоновская гравитация будет применима успешно. Она все так же будет точно описывать Вселенную, рожденную из горячего, плотного, расширяющегося состояния; так же точно опишет наблюдаемую Вселенную возрастом много миллиардов лет (но не бесконечного возраста); так же точно расскажет о первых звездах и галактиках, первых нейтральных атомах, первых стабильных атомных ядрах.

Видимая история расширяющейся Вселенной включает горячее, плотное состояние Большого Взрыва и последующий рост и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой Взрыв в качестве подходящего объяснения тому, что мы видим. Предсказание космического нейтринного фона было одним из последних больших неподтвержденных предсказаний, вытекающих из теории Большого Взрыва.

Что бы ни пришло на тему этой теории — что бы ни вышло за пределы нашей нынешней лучшей теории (и это относится ко всем научным сферам) — первым делом придется воспроизвести все успехи этой теории. Теории статической Вселенной, которые воюют с Большим Взрывом? Они неспособны на это. То же касается электрической Вселенной и космологической плазмы; то же можно сказать про усталый свет, про топологический дефект и космические струны.

Возможно, когда-нибудь мы достигнем достаточного теоретического прогресса, чтобы одна из этих альтернатив превратилась в нечто, соответствующее полному набору наблюдаемого или, возможно, появится новая альтернатива. Но этот день — не сегодня, а тем временем инфляционная Вселенная с Большим Взрывом, с радиацией, обычной материей, темной материей и энергией объясняет полный набор абсолютно всего, что мы когда-либо наблюдали. И она единственная в своем роде, пока что.

Но важно помнить, что мы пришли к этой картине как раз потому, что не сосредоточились на одном сомнительном результате, который может рухнуть. У нас есть десятки линий независимых доказательств, которые раз за разом приводят нас к одному и тому же выводу. Даже если окажется, что мы вообще не понимаем сверхновые, темная энергия все равно будет нужна; даже если окажется, что мы вообще не понимаем вращение галактик, темная материя все равно будет нужна; даже если окажется, что микроволнового фона не существует, Большой Взрыв все равно будет необходим.

Вселенная может оказаться совершенно другой в деталях. И я надеюсь, что проживу достаточно долго, чтобы увидеть, как появляется новый Эйнштейн, который бросает вызов современным теориям — и побеждает. Наши лучшие теории не ошибочны, они просто недостаточно полные. И это значит, что на смену им может прийти только более полная теория, которая неизбежно будет включать все, вообще все в этом мире — и объяснять его.