Vedno iščemo nekaj več. In tudi naša najboljša ugibanja nam pogosto ne dajo vedeti, kje jo bomo našli. V 19. stoletju smo se prepirali o tem, zakaj sonce gori - gravitacija ali zgorevanje, ne da bi sploh slutili, da gre za termonuklearno fuzijo. V 20. stoletju smo se prepirali o usodi vesolja, niti nismo domnevali, da se pospešuje v nič. Toda revolucije v znanosti so resnične in ko se zgodijo, moramo revidirati veliko vsega - včasih celo vsega, kar je prej veljalo za resnico.
V našem znanju je veliko temeljnih resnic, ki jih redko dvomimo, morda pa bi jih morali. Kako samozavestni smo v stolpu znanja, ki smo si ga zgradili zase?
Kako resnična je naša znanost?
V skladu s hipotezo o staranju svetlobe se število fotonov na sekundo, ki jih prejmemo od vsakega predmeta, zmanjša sorazmerno s kvadratom razdalje do njega, medtem ko število predmetov, ki jih vidimo, narašča s kvadratom razdalje. Predmeti naj bodo bolj rdeči, vendar oddajajo stalno število fotonov na sekundo, odvisno od razdalje. Vendar v naraščajočem vesolju sčasoma prejmemo manj fotonov na sekundo, saj morajo s širjenjem vesolja prepotovati velike razdalje, njihova energija pa se med rdečim premikom tudi zmanjša. Svetlost površine se z razdaljo zmanjšuje - to je skladno z našimi opazovanji.
Če bi se nevtrini, hitrejši od svetlobe, o katerih so govorili pred nekaj leti, izkazali za resnične, bi morali ponovno pretehtati vse, kar smo vedeli o relativnosti in omejitvi hitrosti v vesolju. Če bi se Emdrive ali drug večni gibalni stroj izkazal za resničnega, bi morali popraviti vse, kar smo vedeli o klasični mehaniki in zakonu ohranjanja giba. Čeprav ti specifični rezultati niso bili dovolj zanesljivi - ti nevtrini so se pojavili zaradi eksperimentalne napake in Emdrive ni bil preizkušen na nobeni pomembni ravni - nekega dne se bomo morda lahko soočili s takim rezultatom.
Promocijski video:
Najpomembnejši test za to ne bo, ali pridemo do takega križišča. Naše resnično prepričanje v znanstveno resnico bo preizkušeno, ko se bomo morali odločiti, kaj bomo storili glede tega.
Eksperimentalna postavitev EmDrive pri NASA Eagleworks, kjer so poskušali izvesti izolirane teste brez reakcijskega motorja. Ugotovili so majhen pozitiven rezultat, ni pa bilo jasno, ali je to povezano z novo fiziko ali s sistematično napako. Rezultati se niso zdeli zanesljivi in jih ni bilo mogoče neodvisno ponoviti. Revolucija se še ni zgodila.
Znanost je hkrati:
- Telo znanja, ki zajema vse, kar smo se naučili iz opazovanja, spreminjanja in eksperimentiranja v našem vesolju.
- Proces nenehnega preizpraševanja naših predpostavk, poskušanja iskanja lukenj v razumevanju resničnosti, iskanja logičnih vrzeli in nedoslednosti ter določanja meja našega znanja na nove, temeljne načine.
Vse, kar vidimo in slišimo, vse, kar najdejo naši instrumenti itd. - vse to je lahko primer znanstvenih dokazov, če je pravilno zapisano. Ko poskušamo sestaviti sliko vesolja, moramo uporabiti celoten nabor razpoložljivih znanstvenih podatkov. Ne moremo izbrati rezultatov ali dokazov, ki se ujemajo z našimi prednostnimi zaključki; moramo združiti vse svoje ideje z vsemi primeri dobrih podatkov, ki obstajajo. Če želimo dobro delati znanost, moramo zbrati te podatke, jih deliti po koščkih v samostojno strukturo in nato na kakršen koli način predstavljati vse možne teste.
Najboljše delo, ki ga je znanstvenik sposoben, je poskušati nenehno zavračati in ne dokazovati najsvetejših teorij in idej.
Vesoljski teleskop Hubble (levo) je naša največja opazovalnica v zgodovini astrofizike, vendar veliko manjša in manj močna od prihodnjega Jamesa Webba (v sredini). Od štirih predlaganih vodilnih misij za dvajseta leta 20. stoletja je najbolj ambiciozen LUVOIR (desno). Če poskušamo doseči najbolj zatemnjeno vesolje, jih videti v visoki ločljivosti in na vseh možnih valovnih dolžinah, lahko izboljšamo in preizkusimo svoje razumevanje kozmosa na način brez primere.
To pomeni povečanje natančnosti na vsako dodatno decimalno mesto, ki ga lahko dodamo; to pomeni loviti višje energije, nižje temperature, manjše lestvice in večje vzorce; to pomeni preseganje znanega obsega veljavnosti teorije; to pomeni teoretizacijo novih opaženih učinkov in razvoj novih eksperimentalnih metod.
Na neki točki neizogibno najdeš nekaj, kar ne sodi v okvir pridobljene modrosti. Najdete nekaj v nasprotju s tem, kar ste pričakovali. Dobite rezultat, ki nasprotuje vaši stari, že obstoječi teoriji. In ko se bo to zgodilo - če boste lahko potrdili to protislovje, če se bo postavilo pod drobnogled in se bo dejansko pokazalo kot zelo, zelo obstoječe - boste dosegli nekaj odličnega: imeli boste znanstveno revolucijo.
Eden od revolucionarnih vidikov relativističnega gibanja, ki ga je predlagal Einstein, prej pa so ga postavili Lorentz, Fitzgerald in drugi, je bil, da se je zdelo, da se hitro premikajoči se predmeti krčijo v vesolju in upočasnjujejo v času. Hitreje se premikate glede na nekaj v mirovanju, bolj se vaša dolžina skrči in več časa se upočasni glede na zunanji svet. Ta slika - relativistična mehanika - je nadomestila stari newtonovski pogled na klasično mehaniko.
Znanstvena revolucija pa vključuje več kot le "stare resnice so napačne!" To je le prvi korak. Morda je nujen del revolucije, vendar sam po sebi ni dovolj. Lahko bi šli naprej tako, da bi opazili, kje in kako nam stara ideja propada. Za premik znanosti naprej - in to bistveno - moramo najti kritično napako v svojem prejšnjem načinu razmišljanja in jo premisliti, dokler ne pridemo do resnice.
Da bi to naredili, moramo premagati ne eno, ampak tri glavne ovire v naših prizadevanjih za izboljšanje našega razumevanja vesolja. V revolucionarno znanstveno teorijo spadajo tri komponente:
Ponašati mora popoln uspeh obstoječe teorije.
Razložiti mora nove rezultate, ki so bili v nasprotju s staro teorijo.
Izdelati mora nove preizkusne napovedi, ki še niso bile preizkušene in jih je mogoče potrditi ali ovrgati.
To je neverjetno visoka lestvica, ki jo redko dosežemo. Ko pa je dosežena, nagrade niso podobne ničemer drugemu.
Ena največjih skrivnosti 1500-ih je bila, da se planeti premikajo v navidezno retrogradni smeri - torej v nasprotni smeri. To je mogoče razložiti bodisi s Ptolemejevim geocentričnim modelom (levo) bodisi s Kopernikovim heliocentričnim modelom (desno). Vendar pa so natančne ugotovitve podrobnosti zahtevale teoretične preboje v našem razumevanju pravil, na katerih temelji opaženi pojav, kar je privedlo do Keplerjevih zakonov in Newtonove teorije univerzalne gravitacije.
Novinec - nova teorija - vedno nosi breme dokazovanja in nadomešča prejšnjo prevladujočo teorijo, kar od nje zahteva reševanje številnih zelo težkih problemov. Ko se je pojavil heliocentrizem, je moral razložiti vse napovedi gibanj planetov, upoštevati vse rezultate, ki jih heliocentrizem ni mogel razložiti (na primer gibanje kometov in Jupitrovih lun), in narediti nove napovedi - na primer obstoj eliptičnih orbit.
Ko je Einstein predlagal splošno relativnost, naj bi njegova teorija reproducirala vse uspehe Newtonove gravitacije ter razložila precesijo perihelija Merkurja in fiziko predmetov, katerih hitrost se približuje svetlobi, poleg tega pa je morala narediti nove napovedi o tem, kako se gravitacija upogiba zvezdo sijaj.
Ta koncept se razteza celo na naše misli o izvoru samega vesolja. Da bi Veliki pok lahko zaslovel, je moral nadomestiti staro idejo statičnega vesolja. To pomeni, da je moral ustrezati splošni teoriji relativnosti, razložiti Hubblovo širitev vesolja in razmerje rdečega premika in razdalje ter nato narediti nove napovedi:
- O obstoju in spektru kozmičnega mikrovalovnega ozadja
- O nukleosintetični vsebnosti lahkih elementov
- O oblikovanju obsežne strukture in lastnosti grozdenja snovi pod vplivom gravitacije.
Vse to je bilo potrebno le za nadomestitev prejšnje teorije.
Zdaj pomislite, kaj bi bilo potrebno, če bi danes zamenjali eno vodilnih znanstvenih teorij. To ni tako težko, kot si lahko predstavljate: potrebno bi bilo le eno opazovanje katerega koli pojava, ki je v nasprotju z napovedmi Velikega poka. Če bi lahko v okviru splošne relativnosti našli teoretično posledico, da Veliki pok ne ustreza našim opažanjem, bi bili res na robu revolucije.
In tukaj je tisto, kar je pomembno: iz tega ne bo izhajalo, da je vse o velikem poku narobe. Splošna relativnost ne pomeni, da je Newtonova gravitacija napačna; omejuje le, kje in kako se bo Newtonova gravitacija uspešno uporabila. Še vedno bo natančno opisal Vesolje, rojeno iz vročega, gostega stanja, ki se širi; na enak način opiši opazovano vesolje s starostjo več milijard let (vendar ne neskončno); povedal bo tudi o prvih zvezdah in galaksijah, prvih nevtralnih atomih, prvih stabilnih atomskih jedrih.
Vidna zgodovina naraščajočega vesolja vključuje vroče, gosto stanje Velikega poka in posledično rast in oblikovanje strukture. Celoten nabor podatkov, vključno z opazovanji svetlobnih elementov in kozmičnega mikrovalovnega ozadja, pušča le Veliki pok kot primerno razlago tega, kar vidimo. Napovedovanje kozmičnega nevtrinskega ozadja je bilo eno zadnjih velikih nepotrjenih napovedi, ki so nastale iz teorije velikega poka.
Karkoli se pojavi v tej teoriji - karkoli presega našo trenutno najboljšo teorijo (in to velja za vsa znanstvena področja) - prvi korak je ponoviti vse uspehe te teorije. Statične teorije vesolja, ki se borijo proti velikemu poku? Tega ne zmorejo. Enako velja za električno vesolje in kozmološko plazmo; enako lahko rečemo o utrujeni svetlobi, o topološki napaki in kozmičnih strunah.
Morda bomo nekega dne dosegli dovolj teoretičnega napredka, da se bo ena od teh možnosti spremenila v nekaj, kar ustreza celotnemu naboru opazovanih, ali pa se bo morda pojavila nova alternativa. Toda ta dan še ni danes, medtem pa inflacijsko vesolje z velikim pokom, s sevanjem, navadno snovjo, temno snovjo in energijo, razloži celoten sklop absolutno vsega, kar smo kdaj opazili. In za zdaj je edinstvena.
Pomembno pa je vedeti, da smo prišli do te slike ravno zato, ker se nismo osredotočili na en dvomljiv rezultat, ki bi se lahko zrušil. Imamo na desetine vrst neodvisnih dokazov, ki nas vedno znova vodijo do istega zaključka. Tudi če se izkaže, da supernove sploh ne razumemo, bo še vedno potrebna temna energija; tudi če se izkaže, da vrtenja galaksij sploh ne razumemo, bo še vedno potrebna temna snov; tudi če se izkaže, da mikrovalovno ozadje ne obstaja, bo Veliki pok še vedno potreben.
Vesolje je lahko v podrobnostih povsem drugačno. In upam, da bom živel dovolj dolgo, da bom videl novega Einsteina, ki izziva sodobne teorije - in zmaga. Naše najboljše teorije niso napačne, preprosto niso dovolj popolne. To pa pomeni, da jih lahko nadomesti le popolnejša teorija, ki bo neizogibno vsebovala vse, na splošno vse na tem svetu - in to razložila.
Ilya Khel