Должны ли мы построить более мощный коллайдер? Телескоп, который исследует Вселенную как никогда раньше? Абсолютно. Вот почему.
Каждый раз, когда кто-то предлагает инвестировать в фундаментальную науку - чтобы раздвинуть экспериментальные или наблюдательные границы за их нынешние пределы - научные скептики массово выходят из деревянного дома. Их возражения вне времени, они остаются неизменными для каждого нового поколения.
- Конечно, есть неразгаданные тайны, но нет никакой гарантии, что эти достижения помогут их раскрыть.
- На самом деле, нет никаких гарантий, что расширение этих границ откроет что-то, что вообще неизвестно сегодня.
- Может стать реальностью «кошмарный сценарий»: мы раскрываем только то, что уже знаем (или подозреваем) с большей точностью.
- И если этот кошмар сбудется, не означает ли это, что мы потратили впустую свое время, деньги, энергию и умственные способности, чтобы вообще ничему не научиться?
Это правда, что это всегда риск. Но есть также потенциальная награда, которая выходит за рамки ценности всего, что мы знаем, как количественно оценить сегодня, и наше будущее, где доминирует темная энергия, иллюстрирует это как ничто другое.
Всякий раз, когда мы исследуем Вселенную по-новому, на больших расстояниях, при более высоких энергиях, при температурах, близких к абсолютному нулю, и т. д., мы не знаем, что обнаружим, пока не поступят результаты. Те же самые возражения, которые небрежно выдвигаются против космических телескопов следующего поколения или будущих коллайдеров частиц, использовались, чтобы возразить против попытки создать первое глубокое поле Хаббла, против строительства Тэватрона в Фермилабе или Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, несмотря на научные успехи все эти усилия.
Если бы вы спросили астрофизика или физика, занимающегося элементарными частицами, какие фундаментальные секреты эти научные усилия открыли бы заранее, они смогли бы дать вам довольно точные предсказания успехов, которые действительно осуществились.. Но самые большие, самые революционные успехи были достигнуты благодаря находке чего-то действительно неожиданного. Это может произойти только в том случае, если мы заглянем за пределы исследованных в настоящее время границ.
Многие из нас думают о Вселенной сегодня как об огромной космической пустоте диаметром почти 100 миллиардов световых лет, по которой разбросано примерно 2 триллиона галактик. Куда бы мы ни посмотрели, во всех направлениях, мы можем найти эти галактики как вблизи, так и далеко. Когда мы изучим их подробно, мы сможем узнать, как галактики в целом росли, развивались и группировались по всей Вселенной, а также как Вселенная расширялась и охлаждалась на протяжении своей истории.
На некотором большом расстоянии, которое соответствует какой-то очень ранней стадии вскоре после Большого Взрыва, больше нет ни звезд, ни галактик, которые можно было бы наблюдать. Кроме того, есть только нейтральные атомы, излучающие очень слабый радиосигнал, когда спины электронов переворачиваются внутри отдельных атомов водорода. Кроме того, холодная ванна радиации - оставшаяся от самого Большого Взрыва - путешествует по Вселенной, смещаясь полностью в микроволновую часть спектра, прежде чем попасть к нам в глаза.
Без этих доказательств нам было бы чрезвычайно трудно сделать вывод о том, на что была похожа наша Вселенная и откуда она взялась. И все же, если бы мы появились, когда Вселенная была в десять раз старше ее нынешнего возраста - 138 миллиардов лет вместо 13,8 миллиардов лет - это была бы именно та проблема, с которой мы столкнулись. Когда возраст Вселенной в десять раз превышает ее нынешний возраст, все признаки, которые первоначально привели нас к Большому взрыву, не дали бы абсолютно ничего.
- Мы не могли бы измерить расстояние до других галактик, кроме нашей, потому что мы не смогли бы увидеть другие галактики, кроме нашей.
- Мы не могли измерить, как галактики развивались, росли или группировались, потому что наша будущая домашняя галактика была бы единственной, о которой мы знали.
- Мы не могли измерить, как расширяется Вселенная, потому что не было удаленных светящихся объектов, которые можно было бы измерить.
- И мы даже не смогли увидеть остаточное свечение Большого Взрыва, потому что оно было бы слишком маломощным и длинноволновым, чтобы его можно было обнаружить.
Причина этого в темной энергии и в том, как она заставляет Вселенную развиваться. Во Вселенной, где в последнее время доминирует темная энергия, что является лучшим описанием нашей Вселенной, которое у нас есть, любой объект, который еще не связан с нами гравитационно, будет удаляться от нас все быстрее и быстрее с течением времени.
Из-за того, что ткань Вселенной расширяется по мере того, как увеличивается расстояние между нами и любой отдаленной галактикой, увеличивается и скорость, с которой кажется, что она удаляется от нас. Когда она достигнет определенного расстояния - 18 миллиардов световых лет в настоящее время, но это немного увеличится с течением времени, - будет пройден критический порог. За пределами этой точки мы не можем послать новый сигнал в эту галактику, и она не может послать новый сигнал нам. Его «старый свет» еще сможет до нас добраться, но не в привычном нам смысле.
Чтобы лучше понять это, давайте подумаем о том, что происходит со светом от объекта, когда он падает в черную дыру. С точки зрения стороннего наблюдателя горизонт событий - это место, где все асимптотически останавливается. Казалось бы, свет замедляется к остановке по мере приближения к горизонту событий. Он получил бы гравитационное красное смещение в сторону произвольно более низких энергий. Плотность фотонов (количество фотонов в единицу времени) будет асимптотой к нулю.
И все же, если бы вы построили детектор, который мог бы исследовать фотоны с достаточно длинной длиной волны в течение достаточно продолжительных периодов времени, вы бы начали собирать данные о любом упавшем объекте, даже если он упал. так давно. Эта информация все еще там, и с помощью достаточно сложных инструментов мы можем ее извлечь. Это справедливо для любого горизонта: не только для горизонта событий черной дыры, но даже для космического горизонта расширяющейся, ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует темная энергия.
К тому времени, когда Вселенной исполнится 138 миллиардов лет, все галактики в нашей Местной группе должны были слиться вместе, образовав одну эллиптическую галактику: Милкдромеду. После неизбежного столкновения Млечного Пути и Андромеды, которое произойдет примерно через 4-7 миллиардов лет, оставшиеся галактики Местной группы также сольются вместе. Звездообразование будет иметь огромный всплеск событий, а затем тихо прекратится.
К этому этапу большинство оставшихся звезд будут красными карликами или звездными трупами давно умерших звезд. Это означает, что мы должны иметь возможность видеть звезды, находящиеся на расстоянии до 200 000 световых лет от нас. Тем не менее, кроме этого, не будет никаких других галактик для просмотра. Не в пределах нескольких миллионов световых лет; не в пределах нескольких миллиардов световых лет. Нам пришлось бы смотреть буквально на триллионы световых лет в поисках света, рассеянного и смещенного далеко в радиодиапазон, чтобы увидеть даже ближайшую к нам галактику.
Если бы мы построили надлежащие инструменты - те, которые могли бы измерять сверхдлинноволновые фотоны и собирать их в течение очень длительных периодов времени , - мы могли бы открыть все виды вещей, которые заполнили бы Вселенную в далекое будущее.
- Мы могли бы обнаружить население в миллиарды или даже триллионы галактик, рассматривая Вселенную такой, какой она была, когда она была очень молода.
- Мы могли бы узнать, как развивались галактики, глядя на снимки их звездного и газового состава из младенчества Вселенной.
- Мы могли измерить характеристики поглощения, что дало нам примитивную оценку содержаний первичных элементов.
- Мы могли бы узнать о расширяющейся Вселенной и измерить новую версию Закона Хаббла, чтобы узнать, из чего на самом деле состоит Вселенная.
- И, с помощью большого и достаточно мощного радиотелескопа или массива телескопов, мы могли бы даже обнаружить оставшееся свечение Большого взрыва, которое к тому моменту было бы космическим дальним радиофоном.
Дело в том, что не было бы ничего, что говорило бы нам: «вы должны искать этот сигнал на этих длинах волн». Нет убедительных доказательств или индикаторов, которые кричали бы нам: «Создайте это оборудование, способное обнаруживать этот тип сигнала». Без легко наблюдаемых сигналов, которые мы видим сегодня, - сигналов, которые больше не будут присутствовать во Вселенной в далеком будущем, - подсказки, которые привели нас к Большому взрыву, не присутствовали бы в той же форме.
В таких обстоятельствах, однако, есть способ найти неуловимую истину: вы продолжаете искать то, что может быть там, за известными границами. Даже если вы ничего не видите за пределами своей родной галактики, вы продолжаете искать. Вы смотрите на более длинные волны света. Вы смотрите на более слабые пределы. Вы смотрите с более длительным временем интеграции. И если вы сделаете это, только если вы сделаете это, вы откроете правду о Вселенной.
Большая проблема с наукой на границе того, что известно, заключается в том, что мы не знаем, где и как произойдет следующее великое революционное открытие. Эксперимент XENON может найти доказательства сигнала темной материи, подобного вимпу. Предстоящий эксперимент DUNE может открыть кое-что неожиданное о нейтрино. Космический телескоп Джеймса Уэбба может показать нам множество звезд или галактик, о существовании которых мы никогда не думали. А будущий коллайдер может выявить новые силы, частицы или состояния материи.
Пока мы не посмотрим, мы не сможем узнать, какие секреты хранит Вселенная, а какие нет. Все, что мы знаем наверняка, это то, что Уэйн Гретцки сказал нам десятилетия назад: «Вы промахиваетесь в 100% случаев, когда не делаете бросков». Человечество сейчас стоит на самом дальнем рубеже всех времен в физике элементарных частиц, астрофизике, физике низких температур и многом другом. Мы не можем знать, что обнаружим, если раздвинем эту границу и будем выглядеть так, как никогда раньше. Но мы можем быть уверены, что без этого наука не продвинется дальше.