Risposte Alle Sfide Più Grandi Della Scienza: Fino A Che Punto Siamo Arrivati? - Visualizzazione Alternativa

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Risposte Alle Sfide Più Grandi Della Scienza: Fino A Che Punto Siamo Arrivati? - Visualizzazione Alternativa
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Anonim

Molto è sconosciuto sulla natura dell'universo stesso. È la curiosità insita negli esseri umani, che porta alla ricerca di risposte a queste domande, che spinge la scienza in avanti. Abbiamo già accumulato un'incredibile quantità di conoscenza ei successi delle nostre due teorie principali - la teoria quantistica dei campi, che descrive il Modello standard, e la relatività generale, che descrive la gravità - dimostrano fino a che punto siamo arrivati nella comprensione della realtà stessa.

Molte persone sono pessimiste riguardo ai nostri sforzi attuali e ai piani futuri per risolvere i grandi misteri cosmici che ci sconcertano oggi. Le nostre migliori ipotesi per la nuova fisica, tra cui supersimmetria, dimensioni extra, technicolor, teoria delle stringhe e altre, non sono state finora in grado di ottenere alcuna conferma sperimentale. Ma questo non significa che la fisica sia in crisi. Ciò significa che tutto è esattamente come dovrebbe essere: la fisica dice la verità sull'universo. I nostri prossimi passi ci mostreranno quanto bene abbiamo ascoltato.

I più grandi misteri dell'universo

Un secolo fa, le domande più grandi che potevamo porre includevano alcuni enigmi esistenziali estremamente importanti come:

  • Quali sono i componenti più piccoli della materia?
  • Le nostre teorie sulle forze della natura sono davvero fondamentali o è necessaria una comprensione più profonda?
  • Quanto è grande l'universo?
  • Il nostro universo è sempre esistito o è apparso in un certo momento nel passato?
  • Come brillano le stelle?

A quel tempo, questi misteri occupavano le menti delle persone più grandi. Molti non pensavano nemmeno che si potesse rispondere. In particolare, richiedevano un investimento di risorse apparentemente enormi che è stato suggerito che ci accontentassimo semplicemente di ciò che sapevamo in quel momento e usassimo questa conoscenza per lo sviluppo della società.

Ovviamente non l'abbiamo fatto. Investire nella società è estremamente importante, ma è altrettanto importante spingere i confini del conosciuto. Grazie a nuove scoperte e metodi di ricerca, siamo stati in grado di ottenere le seguenti risposte:

  • Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche, molte delle quali sono suddivise in costituenti ancora più piccoli; ora conosciamo l'intero Modello Standard.
  • Le nostre teorie classiche sono state sostituite da quelle quantistiche, combinando quattro forze fondamentali: forze nucleari forti, elettromagnetiche, nucleari deboli e gravitazionali.
  • L'universo osservabile si estende per 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni; l'universo osservabile può essere molto più grande o infinito.
  • Sono trascorsi 13,8 miliardi di anni dall'evento noto come Big Bang che ha dato vita all'universo che conosciamo. È stata preceduta da un'era inflazionistica di durata indefinita.
  • Le stelle brillano grazie alla fisica della fusione nucleare, convertendo la materia in energia secondo la formula di Einstein E = mc2.

Eppure, ha solo approfondito i misteri scientifici che ci circondano. Con tutto ciò che sappiamo sulle particelle fondamentali, siamo sicuri che ci devono essere molte altre cose nell'Universo che ci sono ancora sconosciute. Non possiamo spiegare l'apparente presenza della materia oscura, non comprendiamo l'energia oscura e non sappiamo perché l'universo si stia espandendo in questo modo e non in altro modo.

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Non sappiamo perché le particelle siano così massicce come sono; perché l'Universo è sopraffatto dalla materia, non dall'antimateria; perché i neutrini hanno massa. Non sappiamo se il protone è stabile, se decadrà mai o se la gravità è una forza quantistica della natura. E sebbene sappiamo che l'inflazione è stata preceduta dal Big Bang, non sappiamo se l'inflazione stessa è iniziata o è stata eterna.

Gli umani possono risolvere questi enigmi? Gli esperimenti che possiamo fare con la tecnologia attuale o futura potrebbero far luce su questi misteri fondamentali?

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La risposta alla prima domanda è possibile; non sappiamo quali segreti ci sia la natura finché non li vediamo. La risposta alla seconda domanda è inequivocabilmente sì. Anche se ogni teoria che abbiamo sollevato su ciò che è oltre i confini del noto - il Modello Standard e la Relatività Generale - è sbagliata al 100%, c'è un'enorme quantità di informazioni che possono essere ottenute eseguendo esperimenti che prevediamo di lanciare in seguito. generazione. Non costruire tutte queste installazioni sarebbe un'enorme follia, anche se confermano lo scenario da incubo che i fisici delle particelle temono da molti anni.

Quando senti parlare di un acceleratore di particelle, probabilmente immagini tutte queste nuove scoperte che ci attendono a energie più elevate. La promessa di nuove particelle, nuove forze, nuove interazioni o persino settori della fisica completamente nuovi è ciò che ai teorici piace sbagliare, anche se esperimenti dopo esperimenti vanno male e non mantengono quelle promesse.

C'è una buona ragione per questo: la maggior parte delle idee che si possono inventare in fisica sono già state escluse o fortemente limitate dai dati che già abbiamo. Se vuoi scoprire una nuova particella, campo, interazione o fenomeno, non dovresti postulare qualcosa che sia incompatibile con ciò che già sappiamo per certo. Certo, potremmo formulare ipotesi che in seguito si sarebbero rivelate sbagliate, ma i dati stessi devono essere in accordo con qualsiasi nuova teoria.

Questo è il motivo per cui lo sforzo più grande in fisica non va a nuove teorie o nuove idee, ma a esperimenti che ci consentiranno di andare oltre ciò che abbiamo già esplorato. Certo, trovare il bosone di Higgs potrebbe essere un grande ronzio, ma quanto è fortemente correlato il bosone di Higgs al bosone Z? Quali sono tutte queste connessioni tra queste due particelle e altre nel Modello Standard? Quanto è facile crearli? Una volta creato, ci saranno decadimenti reciproci che differiscono dal decadimento dello standard di Higgs più il bosone Z standard?

Esiste una tecnica che può essere utilizzata per indagare su questo: creare una collisione elettrone-positrone con la massa esatta del bosone di Higgs e Z. Invece di poche decine o centinaia di eventi che creano i bosoni di Higgs e Z, come fa l'LHC, puoi crearne migliaia, centinaia di migliaia o addirittura milioni.

Naturalmente, il pubblico in generale sarà più entusiasta di trovare una nuova particella che altro, ma non tutti gli esperimenti sono progettati per creare nuove particelle - e non è necessario che lo sia. Alcuni hanno lo scopo di indagare su materia a noi già nota e di studiarne in dettaglio le proprietà. Il Large Electron-Positron Collider, il precursore dell'LHC, non ha mai trovato una sola nuova particella fondamentale. Come l'esperimento DESY, che è entrato in collisione tra elettroni e protoni. E così fa il relativistico collisore di ioni pesanti.

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E c'era da aspettarselo; lo scopo di questi tre collisori era diverso. Consisteva nell'esplorare la materia che esiste davvero con una precisione senza precedenti.

Non sembra che questi esperimenti abbiano appena confermato il modello standard, sebbene tutto ciò che hanno trovato fosse coerente con il modello standard. Hanno creato nuove particelle composte e misurato i legami tra di loro. Furono scoperte relazioni di decadimento e ramificazione, così come sottili differenze tra materia e antimateria. Alcune particelle si sono comportate diversamente dalle loro controparti speculari. Altri sembravano rompere la simmetria dell'inversione temporale. Tuttavia, altri si sono mescolati insieme, creando stati legati di cui non eravamo nemmeno a conoscenza.

Lo scopo del prossimo grande esperimento scientifico non è semplicemente cercare una cosa o testare una nuova teoria. Dobbiamo raccogliere una serie enorme di dati altrimenti non disponibili e lasciare che siano questi dati a guidare il settore.

Naturalmente, possiamo progettare e costruire esperimenti o osservatori basati su ciò che ci aspettiamo di trovare. Ma la scelta migliore per il futuro della scienza sarà una macchina multiuso in grado di raccogliere grandi e varie quantità di dati che non sarebbero stati possibili senza investimenti così enormi. Questo è il motivo per cui Hubble ha avuto così tanto successo, perché Fermilab e LHC hanno spinto i confini più in là che mai, e perché future missioni come il James Webb Space Telescope, futuri osservatori di classe 30 metri o futuri collisori saranno necessari se vogliamo mai rispondere alla più fondamentale domande da parte di tutti.

C'è un vecchio adagio nel mondo degli affari che si applica anche alla scienza: "Più veloce. È meglio. Più economico. Prendine due. " Il mondo si sta muovendo più velocemente che mai. Se iniziamo a risparmiare e non investiamo nel “meglio”, sarà come rinunciare.

Ilya Khel

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