Ответы на величайшие задачи науки: насколько далеко мы зашли?

О природе самой Вселенной многое неизвестно. Именно любопытство, присущее людям, ведущее к поиску ответов на эти вопросы, и движет науку вперед. Мы уже накопили невероятное количество знаний, и успехи двух наших ведущих теорий — квантовой теории поля, описывающей Стандартную модель, и общей теории относительности, описывающей гравитацию — демонстрируют, насколько далеко мы продвинулись в понимании самой реальности.

Многие люди пессимистично относятся к нашим нынешним попыткам и будущим планам по разгадыванию великих космических загадок, которые ставят нас в тупик сегодня. Наши лучшие гипотезы для новой физики, включающие суперсимметрию, дополнительные измерения, техниколор, теорию струн и другие, не смогли получить никакого экспериментального подтверждения до сих пор. Но это не значит, что физика в кризисе. Это значит, что все ровно так, как и должно быть: физика говорит правду о Вселенной. Наши дальнейшие шаги покажут нам, насколько мы хорошо слушали.
 

Столетие назад самые большие вопросы, которые мы могли задать, включали и крайне важные экзистенциальные загадки, такие как:

На тот момент эти загадки занимали умы величайших людей. Многие даже не думали, что на них можно будет найти ответы. В частности, они требовали вложения настолько, казалось бы, огромных ресурсов, что предлагалось просто довольствоваться тем, что мы знали в то время, и использовать эти знания для развития общества.

Конечно, мы так не поступили. Инвестировать в общество чрезвычайно важно, но так же важно расширять границы известного. Благодаря новым открытиям и методам исследования, мы смогли получить следующие ответы:

И все же, это только углубило научные тайны, которые нас окружают. Обладая всем, что мы знаем о фундаментальных частицах, мы уверены, что во Вселенной должно быть много чего другого, пока неизвестного нам. Мы не можем объяснить очевидное присутствие темной материи, не понимаем темную энергию и не знаем, почему Вселенная расширяется именно так, а не иначе.

Мы не знаем, почему частицы обладают такой массой, какой обладают; почему Вселенную переполняет материя, а не антиматерия; почему нейтрино обладают массой. Мы не знаем, является ли протон стабильным, распадется ли он когда-нибудь и представляет ли гравитация собой квантовую силу природы. И хотя мы знаем, что Большому Взрыву предшествовала инфляция, мы не знаем, было ли начало у самой инфляции или она была вечной.

Могут ли люди разрешить эти загадки? Могут ли эксперименты, которые мы можем провести с использованием современных или будущих технологий, пролить свет на эти фундаментальные загадки?

Ответ на первый вопрос — возможно; мы не знаем, какие секреты хранит природа, пока не посмотрим. Ответ на второй вопрос — однозначно «да». Даже если каждая теория, которую мы когда-либо приводили на тему того, что находится за пределами границ известного — Стандартная модель и ОТО — на 100% ошибочны, есть огромное количество информации, которую можно получить, выполняя эксперименты, которые мы планируем запустить в следующем поколении. Не строить все эти установки было бы огромной глупостью, даже если подтвердят кошмарный сценарий, которого физики элементарных частиц боялись много лет.

Когда вы слышите об ускорителе частиц, вы, вероятно, представляете все эти новые открытия, которые ожидают нас при более высоких энергиях. Обещание новых частиц, новых сил, новых взаимодействий или даже совершенно новых секторов физики — это то, чем любят погрезить теоретики, даже если эксперимент за экспериментом плошают и не выполняют эти обещания.

Тому есть веская причина: большинство идей, которые можно придумать в физике, уже были либо исключены, либо сильно ограничены данными, которые у нас уже имеются. Если вы хотите открыть новую частицу, поле, взаимодействие или явление, вам не стоит постулировать что-то, что несовместимо с тем, что мы уже знаем наверняка. Конечно, мы могли сделать допущения, которые позже окажутся неверными, но сами данные должны быть в соглашении с любой новой теорией.

Вот почему наибольшие усилия в физике идут не на новые теории или новые идеи, а на эксперименты, которые позволят нам покинуть пределы того, что мы уже исследовали. Конечно, обнаружение бозона Хиггса может привести к шумихе, но как сильно Хиггс связан с Z-бозоном? Каковы все эти связи между этими двумя частицами и другими в Стандартной модели? Насколько легко их создать? А после создания, будут ли взаимные распады, которые будут отличаться от распада стандартного Хиггса плюс стандартного Z-бозона?

Есть методика, которую можно использовать для исследования этого: создать электрон-позитронное столкновение с точной массой Хиггса и Z-бозона. Вместо нескольких десятков или сотен событий, которые создают хиггсовский и Z-бозон, как это делает БАК, вы сможете создать тысячи, сотни тысяч или даже миллионы таких.

Конечно, широкую общественность больше взволнует обнаружение новой частицы, чем что-либо еще, но не каждый эксперимент предназначен для создания новых частиц — да это и не нужно. Некоторые предназначены для того, чтобы исследовать уже известную нам материю и подробно изучать ее свойства. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник БАК, так и не нашел ни одной новой фундаментальной частицы. Как и эксперимент DESY, который сталкивал электроны с протонами. И релятивистский коллайдер тяжелых ионов тоже.

И этого следовало ожидать; цель у этих трех коллайдеров была иная. Она заключалась в том, чтобы исследовать материю, которая действительно существует, с невиданной ранее точностью.

Не похоже, что эти эксперименты просто подтвердили Стандартную модель, хотя всё, что они нашли, соответствовало только Стандартной модели. Они создали новые составные частицы и измерили связи между ними. Были обнаружены отношения распада и разветвления, а также тонкие различия между веществом и антивеществом. Некоторые частицы вели себя не так, как их зеркальные собратья. Другие вроде как нарушали симметрию обращения времени. Тем не менее, было обнаружено, что другие смешиваются вместе, создавая связанные состояния, о которых мы даже не подозревали.

Цель следующего великого научного эксперимента не в том, чтобы просто искать что-то одно или проверить одну новую теорию. Нужно собрать огромный набор недоступных в других отношениях данных, и позволить этим данным направить развитие отрасли.

Конечно, мы можем проектировать и строить эксперименты или обсерватории, ориентируясь на то, что мы ожидаем найти. Но лучшим выбором для будущего науки будет многоцелевая машина, которая сможет собирать большие и разнообразные объемы данных, которые было бы невозможно собрать без таких огромных инвестиций. Вот почему Хаббл был настолько успешным, почему Fermilab и БАК раздвинули границы дальше, чем прежде, и почему будущие миссии вроде космического телескопа Джеймса Вебба, будущие обсерватории 30-метрового класса или будущие коллайдеры понадобятся нам, если мы хотим когда-нибудь ответить на самые фундаментальные вопросы из всех.

В бизнесе есть старая поговорка, которая так же применима и к науке: «Быстрее. Лучше. Дешевле. Выберите два». Мир движется быстрее, чем когда-либо прежде. Если мы начнем экономить и не будем инвестировать в «лучшее», это будет равносильно тому, чтобы сдаться.