Antworten Auf Die Größten Herausforderungen Der Wissenschaft: Wie Weit Sind Wir Gekommen? - Alternative Ansicht

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Anonim

Über die Natur des Universums selbst ist viel unbekannt. Es ist die Neugier des Menschen, die zur Suche nach Antworten auf diese Fragen führt, die die Wissenschaft vorantreibt. Wir haben bereits unglaublich viel Wissen gesammelt, und die Erfolge unserer beiden führenden Theorien - Quantenfeldtheorie, die das Standardmodell beschreibt, und allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft beschreibt - zeigen, wie weit wir beim Verständnis der Realität selbst gekommen sind.

Viele Menschen sind pessimistisch in Bezug auf unsere gegenwärtigen Bemühungen und zukünftigen Pläne, die großen kosmischen Geheimnisse zu lösen, die uns heute verblüffen. Unsere besten Hypothesen für neue Physik, einschließlich Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen, Technicolor, Stringtheorie und andere, konnten bisher keine experimentelle Bestätigung erhalten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Physik in einer Krise befindet. Dies bedeutet, dass alles genau so ist, wie es sein sollte: Die Physik sagt die Wahrheit über das Universum. Unsere nächsten Schritte werden uns zeigen, wie gut wir zugehört haben.

Die größten Geheimnisse des Universums

Vor einem Jahrhundert waren die größten Fragen, die wir stellen konnten, einige äußerst wichtige existenzielle Rätsel wie:

  • Was sind die kleinsten Bestandteile der Materie?
  • Sind unsere Theorien über die Naturkräfte wirklich grundlegend oder ist ein tieferes Verständnis erforderlich?
  • Wie groß ist das Universum?
  • Hat unser Universum immer existiert oder ist es zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit erschienen?
  • Wie leuchten die Sterne?

Zu dieser Zeit beschäftigten diese Geheimnisse die Köpfe der größten Menschen. Viele glaubten nicht einmal, dass sie beantwortet werden könnten. Insbesondere forderten sie eine Investition von so scheinbar riesigen Ressourcen, dass vorgeschlagen wurde, sich einfach mit dem, was wir damals wussten, zufrieden zu geben und dieses Wissen für die Entwicklung der Gesellschaft zu nutzen.

Das haben wir natürlich nicht gemacht. In die Gesellschaft zu investieren ist extrem wichtig, aber es ist genauso wichtig, die Grenzen des Bekannten zu verschieben. Dank neuer Entdeckungen und Forschungsmethoden konnten wir folgende Antworten erhalten:

  • Atome bestehen aus subatomaren Teilchen, von denen viele in noch kleinere Bestandteile unterteilt sind; Wir kennen jetzt das gesamte Standardmodell.
  • Unsere klassischen Theorien wurden durch Quantentheorien ersetzt, die vier fundamentale Kräfte kombinieren: starke nukleare, elektromagnetische, schwache nukleare und Gravitationskräfte.
  • Das beobachtbare Universum erstreckt sich über 46,1 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen; Das beobachtbare Universum kann viel größer oder unendlich sein.
  • 13,8 Milliarden Jahre sind seit dem als Urknall bekannten Ereignis vergangen, das das Universum hervorgebracht hat, das wir kennen. Es ging eine Inflationszeit von unbestimmter Dauer voraus.
  • Sterne leuchten dank der Physik der Kernfusion und wandeln Materie nach Einsteins Formel E = mc2 in Energie um.

Und doch vertiefte es nur die wissenschaftlichen Geheimnisse, die uns umgeben. Bei allem, was wir über fundamentale Teilchen wissen, sind wir sicher, dass es im Universum noch viele andere Dinge geben muss, die uns noch unbekannt sind. Wir können das offensichtliche Vorhandensein dunkler Materie nicht erklären, wir verstehen dunkle Energie nicht und wir wissen nicht, warum sich das Universum auf diese Weise ausdehnt und nicht anders.

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Wir wissen nicht, warum die Teilchen so massiv sind wie sie; warum das Universum von Materie überwältigt wird, nicht von Antimaterie; warum Neutrinos Masse haben. Wir wissen nicht, ob das Proton stabil ist, ob es jemals zerfallen wird oder ob die Schwerkraft eine Quantenkraft der Natur ist. Und obwohl wir wissen, dass der Inflation der Urknall vorausging, wissen wir nicht, ob die Inflation selbst begonnen hat oder ewig war.

Können Menschen diese Rätsel lösen? Könnten die Experimente, die wir mit aktueller oder zukünftiger Technologie durchführen können, Licht in diese grundlegenden Geheimnisse bringen?

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Die Antwort auf die erste Frage ist möglich; Wir wissen nicht, welche Geheimnisse die Natur birgt, bis wir sehen. Die Antwort auf die zweite Frage lautet eindeutig Ja. Selbst wenn jede Theorie, die wir jemals über das, was jenseits der Grenzen des Bekannten liegt - das Standardmodell und die allgemeine Relativitätstheorie - angesprochen haben, zu 100% falsch ist, gibt es eine große Menge an Informationen, die durch die Durchführung von Experimenten erhalten werden können, die wir als nächstes starten wollen. Generation. Nicht alle diese Installationen zu bauen, wäre eine große Torheit, selbst wenn sie das Alptraumszenario bestätigen, das Teilchenphysiker seit vielen Jahren befürchtet haben.

Wenn Sie von einem Teilchenbeschleuniger hören, stellen Sie sich wahrscheinlich all diese neuen Entdeckungen vor, die uns bei höheren Energien erwarten. Das Versprechen neuer Teilchen, neuer Kräfte, neuer Wechselwirkungen oder sogar völlig neuer Bereiche der Physik ist das, was Theoretiker gerne verfälschen, selbst wenn Experiment für Experiment schief geht und diese Versprechen nicht einhält.

Dafür gibt es einen guten Grund: Die meisten Ideen, die man sich in der Physik einfallen lassen kann, wurden durch die uns bereits vorliegenden Daten bereits entweder ausgeschlossen oder stark eingeschränkt. Wenn Sie ein neues Teilchen, Feld, eine neue Interaktion oder ein neues Phänomen entdecken möchten, sollten Sie nicht etwas postulieren, das nicht mit dem kompatibel ist, was wir bereits sicher wissen. Natürlich könnten wir Annahmen treffen, die sich später als falsch herausstellen würden, aber die Daten selbst müssen mit jeder neuen Theorie übereinstimmen.

Deshalb geht der größte Aufwand in der Physik nicht in neue Theorien oder Ideen, sondern in Experimente, die es uns ermöglichen, über das hinauszugehen, was wir bereits erforscht haben. Sicher, das Higgs-Boson zu finden, könnte eine große Begeisterung sein, aber wie stark ist das Higgs mit dem Z-Boson verwandt? Was sind all diese Verbindungen zwischen diesen beiden Partikeln und anderen im Standardmodell? Wie einfach ist es, sie zu erstellen? Wird es nach der Erstellung gegenseitige Zerfälle geben, die sich vom Zerfall des Standard-Higgs plus des Standard-Z-Bosons unterscheiden?

Es gibt eine Technik, mit der dies untersucht werden kann: Erzeugen Sie eine Elektron-Positron-Kollision mit der exakten Masse des Higgs und Z-Bosons. Anstelle einiger zehn oder hundert Ereignisse, die wie beim LHC die Higgs- und Z-Bosonen erzeugen, können Sie Tausende, Hunderttausende oder sogar Millionen von ihnen erzeugen.

Natürlich wird die breite Öffentlichkeit mehr davon begeistert sein, ein neues Partikel zu finden als alles andere, aber nicht jedes Experiment ist darauf ausgelegt, neue Partikel zu erzeugen - und das muss auch nicht. Einige sollen die uns bereits bekannte Materie untersuchen und ihre Eigenschaften im Detail untersuchen. Der Large Electron-Positron Collider, der Vorläufer des LHC, hat nie ein einziges neues Grundpartikel gefunden. Wie das DESY-Experiment, bei dem Elektronen mit Protonen kollidierten. Und der relativistische Schwerionenkollider auch.

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Und das war zu erwarten; Der Zweck dieser drei Collider war unterschiedlich. Es bestand darin, Materie, die wirklich existiert, mit beispielloser Präzision zu erforschen.

Es scheint nicht, dass diese Experimente nur das Standardmodell bestätigten, obwohl alles, was sie fanden, mit dem Standardmodell übereinstimmte. Sie erzeugten neue Verbindungsteilchen und maßen die Bindungen zwischen ihnen. Es wurden Zerfalls- und Verzweigungsbeziehungen sowie subtile Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie entdeckt. Einige Partikel verhielten sich anders als ihre Spiegelgegenstücke. Andere schienen die Zeitumkehrsymmetrie zu brechen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich andere miteinander vermischen und gebundene Zustände erzeugen, die uns nicht einmal bewusst waren.

Der Zweck des nächsten großen wissenschaftlichen Experiments besteht nicht nur darin, nach einer Sache zu suchen oder eine neue Theorie zu testen. Wir müssen eine große Menge ansonsten nicht verfügbarer Daten sammeln und diese Daten die Branche leiten lassen.

Natürlich können wir Experimente oder Observatorien basierend auf dem, was wir erwarten, entwerfen und bauen. Die beste Wahl für die Zukunft der Wissenschaft wird jedoch eine Mehrzweckmaschine sein, die große und unterschiedliche Datenmengen sammeln kann, die ohne solch enorme Investitionen nicht möglich gewesen wären. Dies ist der Grund, warum Hubble so erfolgreich war, warum Fermilab und der LHC die Grenzen weiter als je zuvor verschoben haben und warum zukünftige Missionen wie das James Webb-Weltraumteleskop, zukünftige Observatorien der 30-Meter-Klasse oder zukünftige Collider benötigt werden, wenn wir jemals die grundlegendsten Fragen beantworten wollen Fragen von allen.

In der Wirtschaft gibt es ein altes Sprichwort, das auch für die Wissenschaft gilt: „Schneller. Es ist besser. Billiger. Wähle zwei aus. Die Welt bewegt sich schneller als je zuvor. Wenn wir anfangen zu sparen und nicht in die „Besten“investieren, wird es so sein, als würden wir aufgeben.

Ilya Khel

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