Теоретическая работа говорит вам, где искать, но только эксперименты могут показать, что вы найдете.
Существуют фундаментальные загадки о природе самой Вселенной, и именно наше врожденное любопытство к этим оставшимся без ответа вопросам движет науку вперед. Мы уже многому научились, и успехи двух наших ведущих теорий - квантовой теории поля, описывающей Стандартную модель, и общей теории относительности для гравитации - являются свидетельством того, как далеко мы продвинулись в понимании самой реальности.
Многие люди пессимистично относятся к нашим нынешним попыткам и планам на будущее попытаться разгадать великие космические тайны, которые сегодня ставят нас в тупик. Наши лучшие гипотезы новой физики, включая суперсимметрию, дополнительные измерения, технику цвета, теорию струн и многое другое, вообще не получили никакого экспериментального подтверждения. Но это не значит, что физика находится в кризисе. Это означает, что он работает именно так, как мы и ожидали: говоря правду о Вселенной. Наши следующие шаги покажут нам, насколько хорошо мы слушаем.
Столетие назад самые важные вопросы, которые мы могли задать, включали в себя несколько огромных экзистенциальных вопросов, таких как:
- Каковы мельчайшие составляющие материи?
- Являются ли наши теории сил природы действительно фундаментальными, или нужно получить более глубокое понимание?
- Насколько велика Вселенная?
- Существовала ли наша Вселенная вечно или она возникла в какой-то момент в прошлом?
- Как сияют звезды?
Это были одни из самых больших головоломок того времени, и это были проблемы, на которые многие не думали, что мы сможем ответить. В частности, казалось, что они требовали столь огромных вложений ресурсов, что раздавались призывы просто довольствоваться тем, что мы знали в то время, и просто использовать эти знания для развития общества..
Конечно, мы ничего подобного не делали. Инвестиции в общество чрезвычайно важны, но так же важно раздвигать границы того, что известно. Благодаря новым открытиям и методам исследования мы смогли найти следующие ответы:
- Атомы состоят из субатомных частиц, многие из которых имеют еще более мелкие составляющие; теперь мы знаем всю Стандартную модель.
- Наши классические теории были заменены квантовыми, что дало четыре фундаментальных взаимодействия: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и гравитационное.
- Обозримая Вселенная простирается на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях; ненаблюдаемая Вселенная может быть намного больше или даже бесконечной.
- Прошло 13,8 миллиардов лет с тех пор, как событие, известное как горячий Большой взрыв, породило известную нам Вселенную, с предшествующей инфляционной эпохой неопределенной продолжительности.
- И звезды сияют, основываясь на физике ядерного синтеза, превращая материю в энергию посредством E=mc² Эйнштейна.
И тем не менее, это только усугубляет окружающие нас научные тайны. Со всем, что мы знаем о фундаментальных частицах, мы знаем, что во Вселенной должно быть больше, чем только те, о которых мы знаем. Мы не можем объяснить видимое существование темной материи, мы не понимаем темную энергию или почему Вселенная расширяется с теми свойствами, которыми она обладает.
Мы не знаем, почему частицы имеют такие массы, почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия, или почему нейтрино вообще имеют массу. Мы не знаем, стабилен ли протон или когда-нибудь распадется, и является ли гравитация по своей природе квантовой силой. И хотя мы знаем, что Большому Взрыву предшествовала инфляция, мы не знаем, было ли у самой инфляции начало или она была вечной в прошлом.
Эти загадки в настоящее время могут быть решены людьми? Могут ли эксперименты, которые мы можем проводить с помощью современных технологий или технологий ближайшего будущего, пролить свет на эти фундаментальные загадки?
Ответ на первый вопрос, возможно; мы не узнаем, какие секреты хранит природа, пока не посмотрим. Однако ответ на второй вопрос - однозначный «да». Даже если каждая теория, которую мы когда-либо теоретизировали относительно того, что лежит за нынешними границами того, что известно, - «Стандартная модель и общая теория относительности» - на 100% неверна, можно получить поразительное количество информации, проводя эксперименты, которые мы проводим. проектирование для следующего поколения. Не строить их было бы огромной глупостью, даже если это просто подтверждает кошмарный сценарий, которого физики элементарных частиц опасались на протяжении поколений.
Когда вы слышите об ускорителе частиц, вы, вероятно, думаете обо всех новых открытиях, которые могут ожидать нас при более высоких энергиях. Обещания новых частиц, новых сил, новых взаимодействий или даже совершенно новых областей физики - вот что теоретики часто придумывают и продвигают, даже если эксперимент за экспериментом не оправдывают этих обещаний.
Для этого есть веская причина: большинство идей, которые можно придумать в физике, уже либо исключены, либо сильно ограничены данными, которые уже есть в наших закромах. Если вы хотите открыть новую частицу, поле, взаимодействие или явление, вам не стоит постулировать нечто, несовместимое с тем, что мы уже знаем об истинности сегодня. Конечно, могут быть сделанные нами предположения, которые позже окажутся неверными, но сами данные должны согласовываться с любой новой теорией.
Вот почему наибольшие усилия в физике прилагаются не к новым теориям или новым идеям, а к экспериментам, которые выходят за рамки уже изученных нами режимов. Конечно, открытие бозона Хиггса может вызвать громкие заголовки, но насколько сильно бозон Хиггса связан с Z-бозоном? Каковы все связи между этими двумя частицами и другими в Стандартной модели? Насколько легко их создать? И как только вы их создадите, будут ли взаимные распады, отличные от стандартного распада бозона Хиггса и стандартного распада Z-бозона?
Есть техника, которую вы можете использовать, чтобы исследовать это: создать электрон-позитронное столкновение с массой точно такой же, как бозон Хиггса плюс Z-бозон. Вместо нескольких десятков или, может быть, 100 событий, создающих и бозон Хиггса, и Z-бозон, что удалось получить на БАК, вы можете создать тысячи, сотни тысяч или даже миллионы.
Конечно, широкая публика может быть более взволнована совершенно новой частицей, чем чем-либо еще, но не каждый эксперимент предназначен для создания новых частиц, и они не должны быть таковыми. Некоторые из них предназначены для исследования материи, о существовании которой мы уже знаем, и для детального изучения ее свойств, как никогда прежде. LEP, Большой электрон-позитронный коллайдер и предшественник LHC, так и не нашел ни одной новой фундаментальной частицы. Так же как и эксперимент DESY, в котором электроны столкнулись с протонами. Как и RHIC, релятивистский коллайдер тяжелых ионов.
И этого следовало ожидать; это не было целью этих коллайдеров. Их целью было изучение материи, о существовании которой мы знаем, с невиданной ранее точностью.
Это не значит, что эти эксперименты просто подтвердили Стандартную модель, хотя все, что они обнаружили, согласовывалось со Стандартной моделью и не более того. Они создали новые составные частицы и измерили связи между ними. Были обнаружены коэффициенты распада и ветвления, а также тонкие различия между материей и антиматерией. Было обнаружено, что некоторые частицы ведут себя иначе, чем их зеркальные отражения. Было обнаружено, что другие нарушают симметрию обращения времени. Было обнаружено, что другие смешиваются друг с другом, создавая связанные состояния, о существовании которых мы раньше не подозревали..
Цель следующего крупного научного эксперимента - не просто найти одну новую вещь или проверить одну новую теорию. Это сбор огромного набора данных, которые иначе были бы недоступны, и использование этих данных для разработки месторождения.
Конечно, мы можем проектировать и строить эксперименты или обсерватории с прицелом на то, что, как мы ожидаем, может быть там. Но лучший выбор для будущего науки - это многоцелевая машина, способная собирать большие и разнообразные объемы данных, которые невозможно было бы собрать без таких огромных инвестиций. Вот почему Хаббл был так успешен, почему Фермилаб и БАК раздвинули границы, как никогда раньше, и почему будущие миссии, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, будущие обсерватории 30-метрового класса, такие как GMT или ELT, или будущие коллайдеры за пределами БАК такие как FCC, CLIC или ILC, необходимы, если мы когда-либо надеемся ответить на самые фундаментальные вопросы из всех.
В бизнесе есть старая поговорка, которая применима и к науке: «Быстрее. Лучше. Более дешевый. Выбери два. Мир движется быстрее, чем когда-либо прежде. Если мы начинаем жалеть копейки и не инвестируем в «лучшее», это равносильно тому, что мы уже сдались.