Vi leter alltid etter noe mer. Og selv våre beste gjetninger gir oss ofte ikke beskjed om hvor vi finner det. På 1800-tallet kranglet vi om hvorfor solen brenner - tyngdekraft eller forbrenning, uten å engang mistenke at termonuklear fusjon var involvert. I det 20. århundre kranglet vi om universets skjebne, og antok ikke engang at det akselererte til intet. Men revolusjoner i vitenskap er reelle, og når de skjer, må vi revidere mye av alt - noen ganger til og med alt - som tidligere ble antatt å være sant.
Det er mange grunnleggende sannheter i vår kunnskap som vi sjelden stiller spørsmålstegn ved, men kanskje vi burde. Hvor selvsikker er vi i kunnskapstårnet som vi har bygget for oss selv?
Hvor sant er vitenskapen vår?
I følge lysaldringshypotesen reduseres antall fotoner per sekund vi mottar fra hvert objekt i forhold til kvadratet av avstanden til det, mens antall objekter vi ser øker med kvadratet av avstanden. Objektene skal være rødere, men avgir et konstant antall fotoner per sekund, avhengig av avstanden. I et ekspanderende univers mottar vi imidlertid færre fotoner per sekund over tid, ettersom de må reise lange avstander når universet utvides, og energien deres også reduseres under rød forskyvning. Overflatens lysstyrke avtar med avstand - dette stemmer overens med våre observasjoner.
Hvis de nøytrinoene som ble snakket raskere enn lyset det ble snakket om for noen år siden, viste seg å være sanne, måtte vi revurdere alt vi visste om relativitet og fartsgrensen i universet. Hvis Emdrive eller en annen evigvarende maskin viste seg å være ekte, måtte vi revidere alt vi visste om klassisk mekanikk og loven om bevaring av momentum. Selv om disse spesifikke resultatene ikke var pålitelige nok - disse nøytrinoene dukket opp på grunn av eksperimentell feil, og Emdrive har ikke blitt testet på noe nivå av betydning - en dag kan vi godt møte et slikt resultat.
Kampanjevideo:
Den viktigste testen for vil ikke være om vi kommer til et slikt kryss. Vår sanne tro på vitenskapelig sannhet vil bli testet når vi må bestemme hva vi skal gjøre med det.
Et eksperimentelt EmDrive-oppsett på NASA Eagleworks, hvor de prøvde å gjennomføre isolerte tester av en reaksjonsløs motor. De fant et lite positivt resultat, men det var ikke klart om det var knyttet til ny fysikk eller med en systematisk feil. Resultatene virket ikke pålitelige og kunne ikke gjentas uavhengig. Revolusjonen har ikke skjedd - ennå.
Vitenskap er samtidig:
- En mengde kunnskap som omfatter alt vi har lært av å observere, endre og eksperimentere i vårt univers.
- Prosessen med stadig å stille spørsmålstegn ved våre antagelser, prøve å finne hull i vår forståelse av virkeligheten, se etter logiske smutthull og inkonsekvenser, og definere grensene for vår kunnskap på nye, grunnleggende måter.
Alt vi ser og hører, alt instrumentene våre finner, og så videre - alt dette kan være et eksempel på vitenskapelig bevis når det er riktig registrert. Når vi prøver å komponere et bilde av universet, må vi bruke hele settet med vitenskapelige data tilgjengelig. Vi kan ikke velge resultater eller bevis som samsvarer med våre foretrukne konklusjoner; Vi må kollidere alle ideene våre med hvert eksempel på gode data som finnes. For å gjøre vitenskap godt, må vi samle inn disse dataene, legge dem stykke for stykke i en selvkonsistent struktur, og deretter underkaste dem alle slags tester, på alle mulige måter.
Den beste jobben en forsker er i stand til, er å forsøke å stadig tilbakevise, ikke bevise, de mest hellige teoriene og ideene.
Hubble-romteleskopet (til venstre) er vårt største flaggskipobservatorium i historien om astrofysikk, men mye mindre og mindre kraftig enn den fremtidige James Webb (midt). Av de fire foreslåtte flaggskipoppdragene for 2030-årene er LUVOIR (høyre) den mest ambisiøse. Ved å prøve å nå det svakeste av universet, se dem i høy oppløsning og i alle mulige bølgelengder, kan vi forbedre og teste vår forståelse av kosmos på en enestående måte.
Dette betyr å øke presisjonen vår til hvert ekstra desimaler vi kan legge til; dette betyr å jage høyere energier, lavere temperaturer, mindre skalaer og større prøvestørrelser; dette betyr å gå utover det kjente gyldighetsområdet for teorien; dette betyr teorisering av nye observerte effekter og utvikling av nye eksperimentelle metoder.
På et tidspunkt finner du uunngåelig noe som ikke passer inn i rammen av ervervet visdom. Du finner noe i motsetning til det du forventet å finne. Du får et resultat som strider mot din gamle, allerede eksisterende teori. Og når det skjer - hvis du kan validere denne motsetningen, hvis den tåler gransking og faktisk viser seg å være veldig, veldig eksisterende - vil du oppnå noe utmerket: du vil ha en vitenskapelig revolusjon.
En av de revolusjonerende aspektene av relativistisk bevegelse, fremmet av Einstein, men tidligere lagt av Lorentz, Fitzgerald og andre, var at hurtigbevegende gjenstander så ut til å trekke seg sammen i rommet og redusere tiden. Jo raskere du beveger deg i forhold til noe i hvile, jo mer trekkes lengden din sammen og jo mer tid reduseres i forhold til omverdenen. Dette maleriet - relativistisk mekanikk - erstattet det gamle newtonske synet på klassisk mekanikk.
Den vitenskapelige revolusjonen innebærer imidlertid mer enn bare de "gamle sannhetene er gale!" Dette er bare første trinn. Det kan være en nødvendig del av revolusjonen, men i seg selv er det ikke tilstrekkelig. Vi kunne bare gå videre ved å legge merke til hvor og hvordan vår gamle idé svikter oss. For å bevege vitenskapen fremover - og betydelig - må vi finne en kritisk feil i vår tidligere måte å tenke på og revurdere den til vi kommer til sannheten.
For å gjøre dette trenger vi ikke å overvinne en, men tre store hindringer i vår innsats for å forbedre vår forståelse av universet. Det er tre komponenter som går inn i revolusjonerende vitenskapelig teori:
Den skal gjengi all suksessen til en allerede eksisterende teori.
Hun må forklare nye resultater som var i strid med den gamle teorien.
Det må komme med nye, testbare spådommer som ikke har blitt testet før, og som enten kan bekreftes eller motbevises.
Dette er en utrolig høy bar som sjelden nås. Men når det er oppnådd, er belønningen ulik noe annet.
Et av de store mysteriene på 1500-tallet var at planetene beveger seg i en tilsynelatende retrograd retning - altså i motsatt retning. Dette kan forklares med enten Ptolemaios geosentriske modell (til venstre) eller Copernicus heliosentriske modell (høyre). Å finne ut detaljene med høy presisjon krevde imidlertid teoretiske gjennombrudd i vår forståelse av reglene som ligger til grunn for det observerte fenomenet, noe som førte til Keplers lover og Newtons teori om universell tyngdekraft.
Nykommeren - en ny teori - bærer alltid bevisbyrden, og erstatter den forrige dominerende teorien, og dette krever at hun løser en rekke svært vanskelige problemer. Da heliosentrisme dukket opp, måtte den forklare alle spådommene om planetbevegelser, ta hensyn til alle resultatene som heliosentrisme ikke kunne forklare (for eksempel bevegelsen til kometer og Jupiters måner), og komme med nye spådommer - for eksempel eksistensen av elliptiske baner.
Da Einstein foreslo generell relativitet, skulle hans teori gjengi alle suksessene med Newtons tyngdekraft, samt forklare nedgangen i Merkurets perihel og fysikken til objekter hvis hastighet nærmer seg lys, og dessuten trengte hun å komme med nye spådommer om hvordan tyngdekraften bøyer stjernen skinne.
Dette konseptet strekker seg til og med til våre tanker om opprinnelsen til selve universet. For at Big Bang skulle bli kjent, måtte det erstatte den gamle ideen om et statisk univers. Dette betyr at den måtte samsvare med den generelle relativitetsteorien, forklare Hubble-utvidelsen av universet og forholdet mellom rød forskyvning og avstand, og deretter komme med nye spådommer:
- Om eksistensen og spekteret av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen
- På nukleosyntetisk innhold av lyselementer
- Om dannelsen av en storstilt struktur og egenskaper for klynging av materie under påvirkning av tyngdekraften.
Alt dette var nødvendig bare for å erstatte den forrige teorien.
Tenk nå på hva som skal til for å erstatte en av de ledende vitenskapsteoriene i dag. Dette er ikke så vanskelig som du kan forestille deg: det vil bare ta en observasjon av ethvert fenomen som strider mot spådommene til Big Bang. I sammenheng med generell relativitet, hvis du kunne finne en teoretisk konsekvens av at Big Bang ikke tilsvarer våre observasjoner, ville vi virkelig være på randen av revolusjon.
Og her er det som er viktig: det vil ikke følge av dette at alt om Big Bang er galt. Generell relativitet betyr ikke at Newtons tyngdekraft er feil; det pålegger bare restriksjoner på hvor og hvordan Newtons tyngdekraft vil bli brukt med hell. Den vil fremdeles nøyaktig beskrive universet født i en varm, tett, ekspanderende tilstand; beskrive det observerbare universet med en alder på mange milliarder år (men ikke uendelig alder) på samme måte; han vil også fortelle om de første stjernene og galaksene, de første nøytrale atomene, de første stabile atomkjernene.
Den synlige historien til det ekspanderende universet inkluderer den varme, tette tilstanden til Big Bang og den påfølgende veksten og dannelsen av strukturen. Hele datasettet, inkludert observasjoner av lyselementer og den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, etterlater bare Big Bang som en passende forklaring på det vi ser. Spådommen om den kosmiske nøytrino-bakgrunnen var en av de siste store ubekreftede spådommene som kom fram fra Big Bang-teorien.
Uansett hva som kommer til denne teorien - uansett hva som går utover vår nåværende beste teori (og dette gjelder alle vitenskapelige felt) - er det første trinnet å gjengi alle suksessene med denne teorien. Statiske universteorier som bekjemper Big Bang? De klarer ikke å gjøre dette. Det samme gjelder det elektriske universet og det kosmologiske plasmaet; det samme kan sies om sliten lys, om en topologisk mangel og kosmiske strenger.
Kanskje en dag vil vi gjøre nok teoretisk fremgang for at et av disse alternativene kan bli til noe som tilsvarer hele settet av observerbare, eller kanskje et nytt alternativ vises. Men denne dagen er ikke i dag, og i mellomtiden forklarer et inflasjonært univers med Big Bang, med stråling, vanlig materie, mørk materie og energi, hele settet med absolutt alt vi noensinne har observert. Og hun er enestående, for nå.
Men det er viktig å huske at vi kom til dette bildet nettopp fordi vi ikke fokuserte på ett tvilsomt resultat som kunne kollapse. Vi har dusinvis av linjer med uavhengige bevis som fører oss til den samme konklusjonen om og om igjen. Selv om det viser seg at vi ikke forstår supernovaer i det hele tatt, vil det fortsatt være behov for mørk energi; selv om det viser seg at vi ikke forstår galaksers rotasjon i det hele tatt, vil mørk materie fortsatt være nødvendig; selv om det viser seg at mikrobølgeovnens bakgrunn ikke eksisterer, vil Big Bang fortsatt være nødvendig.
Universet kan vise seg å være helt forskjellig i detalj. Og jeg håper jeg lever lenge nok til å se en ny Einstein dukke opp som utfordrer moderne teorier - og vinner. Våre beste teorier er ikke gale, de er bare ikke fullstendige nok. Og dette betyr at de bare kan erstattes av en mer fullstendig teori, som uunngåelig vil inkludere alt, generelt alt i denne verden - og forklare det.
Ilya Khel
