Cerchiamo sempre qualcosa di più. E anche le nostre ipotesi migliori spesso non ci fanno sapere dove lo troveremo. Nel diciannovesimo secolo, discutemmo del motivo per cui il sole brucia: gravità o combustione, senza nemmeno sospettare che fosse coinvolta la fusione termonucleare. Nel 20 ° secolo, abbiamo discusso del destino dell'universo, senza nemmeno supporre che stesse accelerando nel nulla. Ma le rivoluzioni nella scienza sono reali e, quando accadono, dobbiamo rivedere molto di tutto - a volte anche tutto - che in precedenza si credeva fosse vero.
Ci sono molte verità fondamentali nella nostra conoscenza che raramente mettiamo in discussione, ma forse dovremmo. Quanto siamo fiduciosi nella torre della conoscenza che ci siamo costruiti?
Quanto è vera la nostra scienza?
Secondo l'ipotesi dell'invecchiamento della luce, il numero di fotoni al secondo che riceviamo da ogni oggetto diminuisce in proporzione al quadrato della distanza da esso, mentre il numero di oggetti che vediamo aumenta con il quadrato della distanza. Gli oggetti dovrebbero essere più rossi ma emettere un numero costante di fotoni al secondo a seconda della distanza. Tuttavia, in un universo in espansione, riceviamo meno fotoni al secondo nel tempo, poiché devono percorrere lunghe distanze mentre l'universo si espande e la loro energia diminuisce anche durante il redshift. La luminosità della superficie diminuisce con la distanza - questo è coerente con le nostre osservazioni.
Se i neutrini più veloci della luce di cui si parlava qualche anno fa si fossero rivelati veri, dovremmo riconsiderare tutto ciò che sapevamo sulla relatività e sul limite di velocità nell'universo. Se Emdrive o un'altra macchina a moto perpetuo si rivelassero reali, dovremmo rivedere tutto ciò che sapevamo sulla meccanica classica e sulla legge di conservazione della quantità di moto. Sebbene questi risultati specifici non fossero abbastanza affidabili - quei neutrini sono apparsi a causa di un errore sperimentale ed Emdrive non è stato testato a nessun livello di significatività - un giorno potremmo trovarci di fronte a un simile risultato.
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Il test più importante per non sarà se arriveremo a un tale incrocio. La nostra vera fede nella verità scientifica sarà messa alla prova quando dovremo decidere cosa fare al riguardo.
Una configurazione EmDrive sperimentale alla NASA Eagleworks, dove hanno cercato di condurre test isolati di un motore senza reazione. Hanno trovato un piccolo risultato positivo, ma non era chiaro se fosse collegato a una nuova fisica o a un errore sistematico. I risultati non sembravano affidabili e non potevano essere ripetuti indipendentemente. La rivoluzione non è avvenuta - ancora.
La scienza è contemporaneamente:
- Un corpo di conoscenza che comprende tutto ciò che abbiamo imparato osservando, cambiando e sperimentando nel nostro universo.
- Il processo di mettere costantemente in discussione le nostre supposizioni, cercando di trovare buchi nella nostra comprensione della realtà, cercando scappatoie logiche e incoerenze e definendo i limiti della nostra conoscenza in modi nuovi e fondamentali.
Tutto ciò che vediamo e sentiamo, tutto ciò che i nostri strumenti trovano e così via - tutto ciò può essere un esempio di prova scientifica, essendo registrato correttamente. Quando proviamo a comporre un'immagine dell'universo, dobbiamo utilizzare l'intera serie di dati scientifici disponibili. Non possiamo scegliere risultati o prove che corrispondono alle nostre conclusioni preferite; dobbiamo far collidere tutte le nostre idee con ogni esempio di dati validi che esiste. Per fare bene la scienza, dobbiamo raccogliere questi dati, metterli pezzo per pezzo in una struttura auto-coerente, e poi sottoporli a tutti i tipi di test, in qualsiasi modo immaginabile.
Il miglior lavoro di cui uno scienziato è capace è cercare di confutare costantemente, non di provare, le teorie e le idee più sacre.
Il telescopio spaziale Hubble (a sinistra) è il nostro più grande osservatorio di punta nella storia dell'astrofisica, ma molto più piccolo e meno potente del futuro James Webb (al centro). Delle quattro missioni faro proposte per il 2030, LUVOIR (a destra) è la più ambiziosa. Cercando di raggiungere i punti più oscuri dell'universo, vederli in alta risoluzione e a tutte le lunghezze d'onda possibili, possiamo migliorare e testare la nostra comprensione del cosmo in un modo senza precedenti.
Ciò significa aumentare la nostra precisione a ogni cifra decimale aggiuntiva che possiamo aggiungere; questo significa inseguire energie più alte, temperature più basse, scale più piccole e campioni di dimensioni maggiori; questo significa andare oltre il campo di validità noto della teoria; ciò significa teorizzazione di nuovi effetti osservati e sviluppo di nuovi metodi sperimentali.
Ad un certo punto, trovi inevitabilmente qualcosa che non si adatta alla struttura della saggezza acquisita. Trovi qualcosa di contrario a quello che ti aspettavi di trovare. Ottieni un risultato che contraddice la tua vecchia teoria già esistente. E quando ciò accadrà - se puoi convalidare questa contraddizione, se resiste al controllo e si mostra effettivamente essere molto, molto esistente - otterrai qualcosa di eccellente: avrai una rivoluzione scientifica.
Uno degli aspetti rivoluzionari del moto relativistico, proposto da Einstein, ma precedentemente posto da Lorentz, Fitzgerald e altri, era che gli oggetti in rapido movimento sembravano contrarsi nello spazio e rallentare nel tempo. Più velocemente ti muovi rispetto a qualcosa a riposo, più la tua lunghezza si contrae e più il tempo rallenta rispetto al mondo esterno. Questo dipinto - la meccanica relativistica - sostituì la vecchia visione newtoniana della meccanica classica.
La rivoluzione scientifica, tuttavia, implica qualcosa di più delle semplici "vecchie verità sbagliate!" Questo è solo il primo passo. Può essere una parte necessaria della rivoluzione, ma di per sé non è sufficiente. Potremmo andare avanti semplicemente notando dove e come la nostra vecchia idea ci sta venendo meno. Per far avanzare la scienza - e in modo significativo - dobbiamo trovare un difetto critico nel nostro modo di pensare precedente e ripensarlo fino a quando non arriviamo alla verità.
Per fare questo, dobbiamo superare non uno, ma tre principali ostacoli nei nostri sforzi per migliorare la nostra comprensione dell'universo. Ci sono tre componenti che entrano in una teoria scientifica rivoluzionaria:
Dovrebbe riprodurre tutto il successo di una teoria già esistente.
Deve spiegare nuovi risultati contrari alla vecchia teoria.
Deve fare nuove previsioni verificabili che non sono state testate prima e che possono essere confermate o smentite.
Questa è una barra incredibilmente alta che viene raggiunta raramente. Ma quando viene raggiunto, le ricompense sono diverse da qualsiasi altra cosa.
Uno dei grandi misteri del 1500 era che i pianeti si muovono in apparente retrogrado, cioè nella direzione opposta. Ciò potrebbe essere spiegato dal modello geocentrico di Tolomeo (a sinistra) o dal modello eliocentrico di Copernico (a destra). Tuttavia, capire i dettagli con alta precisione ha richiesto scoperte teoriche nella nostra comprensione delle regole alla base del fenomeno osservato, che hanno portato alle leggi di Keplero e alla teoria della gravità universale di Newton.
Il nuovo arrivato - una nuova teoria - ha sempre l'onere di provare, sostituendo la precedente teoria dominante, e questo le richiede di risolvere una serie di problemi molto difficili. Quando è apparso l'eliocentrismo, ha dovuto spiegare tutte le previsioni dei moti planetari, tenere conto di tutti i risultati che l'eliocentrismo non poteva spiegare (ad esempio, il moto delle comete e delle lune di Giove) e fare nuove previsioni, come l'esistenza di orbite ellittiche.
Quando Einstein propose la relatività generale, la sua teoria avrebbe dovuto riprodurre tutti i successi della gravità newtoniana, oltre a spiegare la precessione del perielio di Mercurio e la fisica degli oggetti la cui velocità si avvicina alla luce, e inoltre, aveva bisogno di fare nuove previsioni su come la gravità piega la stella splendere.
Questo concetto si estende anche ai nostri pensieri sull'origine dell'universo stesso. Perché il Big Bang diventasse famoso, ha dovuto sostituire la vecchia idea di un universo statico. Ciò significa che doveva corrispondere alla teoria generale della relatività, spiegare l'espansione di Hubble dell'Universo e il rapporto tra spostamento verso il rosso e distanza, e quindi fare nuove previsioni:
- Sull'esistenza e lo spettro del fondo cosmico a microonde
- Sul contenuto nucleosintetico degli elementi leggeri
- Sulla formazione di una struttura su larga scala e proprietà di raggruppamento della materia sotto l'influenza della gravità.
Tutto ciò era richiesto solo per sostituire la teoria precedente.
Ora pensa a cosa ci vorrebbe per sostituire una delle principali teorie scientifiche di oggi. Non è così difficile come potresti immaginare: basterebbe una sola osservazione di qualsiasi fenomeno che contraddica le previsioni del Big Bang. Nel contesto della relatività generale, se si potesse trovare una conseguenza teorica che il Big Bang non corrisponde alle nostre osservazioni, saremmo davvero sull'orlo della rivoluzione.
Ed ecco cosa è importante: da questo non seguirà che tutto ciò che riguarda il Big Bang è sbagliato. La relatività generale non significa che la gravità newtoniana sia sbagliata; impone solo restrizioni su dove e come la gravità newtoniana può essere applicata con successo. Descriverà ancora accuratamente l'Universo nato da uno stato caldo, denso, in espansione; descrivere l'Universo osservabile con un'età di molti miliardi di anni (ma non un'età infinita) allo stesso modo; parlerà anche delle prime stelle e galassie, dei primi atomi neutri, dei primi nuclei atomici stabili.
La storia visibile dell'universo in espansione include lo stato caldo e denso del Big Bang e la successiva crescita e formazione della struttura. Il set di dati completo, comprese le osservazioni degli elementi luminosi e del fondo cosmico a microonde, lascia solo il Big Bang come una spiegazione adeguata per ciò che vediamo. La previsione del fondo cosmico dei neutrini è stata una delle ultime grandi previsioni non confermate emerse dalla teoria del Big Bang.
Qualunque cosa emerga da questa teoria - qualunque cosa vada oltre la nostra migliore teoria attuale (e questo vale per tutti i campi scientifici) - il primo passo è riprodurre tutti i successi di questa teoria. Teorie dell'universo statico che combattono il Big Bang? Non sono in grado di farlo. Lo stesso vale per l'universo elettrico e il plasma cosmologico; lo stesso si può dire della luce stanca, di un difetto topologico e delle stringhe cosmiche.
Forse un giorno raggiungeremo progressi teorici sufficienti perché una di queste alternative si trasformi in qualcosa che corrisponda alla serie completa di osservabili, o forse apparirà una nuova alternativa. Ma questo giorno non è oggi, e nel frattempo, un universo inflazionistico con un Big Bang, con radiazioni, materia ordinaria, materia oscura ed energia, spiega l'intera serie di assolutamente tutto ciò che abbiamo mai osservato. Ed è unica nel suo genere, per ora.
Ma è importante ricordare che siamo arrivati a questo quadro proprio perché non ci siamo concentrati su un risultato dubbio che potrebbe crollare. Abbiamo dozzine di linee di prove indipendenti che ci portano alla stessa conclusione più e più volte. Anche se si scopre che non capiamo affatto le supernove, sarà comunque necessaria l'energia oscura; anche se si scopre che non comprendiamo affatto la rotazione delle galassie, la materia oscura sarà comunque necessaria; anche se si scopre che il fondo a microonde non esiste, il Big Bang sarà comunque necessario.
L'universo potrebbe rivelarsi completamente diverso nei dettagli. E spero di vivere abbastanza a lungo da vedere emergere un nuovo Einstein che sfida le teorie moderne e vince. Le nostre migliori teorie non sono sbagliate, semplicemente non sono abbastanza complete. E questo significa che possono essere sostituiti solo da una teoria più completa, che inevitabilmente includerà tutto, in generale tutto in questo mondo - e lo spiegherà.
Ilya Khel
