20 юни 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Може ли всички наши научни знания да се срутят като кула от карти?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 30 април 2019 в 07:51125850
Цялата ни космическа история е теоретично добре проучена чрез наблюдения, потвърждаващи и разкриващи различни етапи от миналото на нашата Вселена, които трябва да са настъпили, когато се образуват първите звезди и галактики и как Вселената се разширява с времето. Но някой ден може да получим данни от наблюдения, които оспорват тази картина. Как ще реагираме на това ще бъде истински тест за привързаността ни към добрите принципи на науката.NICOLE RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Винаги сме нащрек за следващото нещо, което ще преобърне представите ни, но дори и най-добрите ни догадки често се оказват неуспешни.

През 19-ти век учените спорят дали някакво гориво или гравитацията захранват Слънцето, никога не подозирайки, че действа процесът на ядрен синтез. През 20-ти спорят за съдбата на Вселената, без никаква представа, че тя се разширява ускорено.

И все пак революциите в науката са реални, а когато се появят, те ни карат да преосмислим много неща - понякога всичко - което преди това сме приемали за истина. Налице са много различни фундаментални елементи, които рядко поставяме под въпрос, а може би трябва. 

Може ли всички наши научни знания да се срутят като кула от карти?

Доколко сме уверени в кулата на науката, която сме построили за себе си, задава въпроса астрофизикът Итън Сийгъл на страницата си Starts With A Bang във Forbes.

Според хипотезата за уморената светлина броят на фотоните на секунда, които получаваме от всеки обект, пада пропорционално с квадрата на неговото разстояние, докато броят на обектите, които виждаме, нараства с квадрата на разстоянието. Обектите трябва да са по-червени, но трябва да излъчват постоянно количество фотони на секунда като функция от разстоянието. Привържениците на стационарните модели на Вселената предполагат, че фотоните постепенно губят енергия, докато се движат през пространството, отмествайки се към дълги и по-малко енергийни вълни в червения край на спектъра. Тази теория за първи път е предложена от Фриц Цвики през 1929 година. 
В една разширяваща се Вселена обаче получаваме по-малко фотони на секунда, тъй като с течение на времето трябва да изминават по-големи разстояния, докато Вселената се разширява, а енергията също намалява от червеното преместване. Дори еволюцията на галактиките води до промяна на яркостта, която става по-слаба на големи разстояния, в съответствие с това, което виждаме. NICOLE RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Отговорът е, може би изненадващ за някои, но ние сме много уверени в цялото научно познание, което сме изградили досега. То разбира се ще остане вярно до един много специфичен момент - докато не се появи един солиден резултат, който да противоречи с него.

Ако неутриното се бе оказало по-бързо от светлината, както имаше съмнение преди няколко години, тогава ние би трябвало да преосмислим всичко, което смятаме, че знаем за относителността и ограничението на скоростта на Вселената. Ако EMdrive или друг вечен двигател се окаже реален, ще трябва да преосмислим всичко, което си мислехме, че знаем за класическата механика и закона за запазване на импулса. Тези конкретни резултати не бяха достатъчно потвърдени - за неутриното се оказа, че има експериментална грешка и EMdrive не показва значимо ниво на получената тяга.

Но някой ден вероятно ще срещнем такъв резултат.

Ключовият тест за нас няма да бъде в това, дали ще стигнем до това кръстовище. Тестът ще бъде как ще се справим с проблема, запазвайки  ангажимента си към научната истина.

Експерименталната установка на EmDrive в НАСА Eagleworks, където се опитват да го изолират и тестват за реакционна тяга. Изследователите откриват малък положителен резултат, но не е сигурно дали това се дължи на нова физика или просто на системна грешка. Резултатите обаче не са повторени стабилно и независимо. Докато това не стане, няма нужда от научна революция.

Науката е едновременно:

  1. Обем от знания, който обхваща всичко, което сме научили от наблюдението, измерването и експериментирането на Вселената.
  2. Процес на непрекъснато поставяне под съмнение на нашите предположения, опитвайки се да търсим пропуски в най-доброто ни разбиране за реалността, да търсим логически вратички и несъответствия и да изпробваме границите на нашите знания по нови, фундаментални начини.

Всичко, което виждаме, всичко, което чуваме, всичко, което откриват нашите инструменти и т.н., може да бъде - ако е правилно записано - част от научните данни. Когато се опитаме да сглобим нашата картина на Вселената, трябва да използваме пълния набор от всички налични научни данни. Не можем да изберем резултатите или доказателствата, които се съгласуват с предпочитаните от нас заключения, трябва да сблъскваме идеите си с всякаква достоверна информация, която съществува. За да се прави истинска наука, трябва да съберем тези данни, да ги сглобим в самостоятелна рамка и след това непрекъснато да оспорваме тази рамка по всякакъв начин, който можем да си представим.

Най-добрата работа, която един учен може да направи, е непрекъснато да се опитва да опровергае, а не да докаже най-свещените си теории и идеи.


Космическият телескоп Хъбъл (вляво) е най-голямата водеща обсерватория в историята на астрофизиката, но е много по-малка и по-малко мощна от бъдещия телескоп „Джеймс Уеб” (в центъра). От четирите предлагани водещи мисии за 2030-те години LUVOIR (вдясно) е най-амбициозната. Като изследваме Вселената за по-слаби обекти, с по-висока резолюция и с по-широк диапазон от дължини на вълните, можем да подобрим и проверим безпрецедентно нашето разбиране за космоса. Кредит: Matt Mountain / AURA

Това означава увеличаване на точността с всяка допълнителна десетична точка, до която можем да се доберем, това означава преминаване към по-високи енергии, по-ниски температури, по-малки разстояния и по-големи размери на пробите,  това означава изтласкване извън известния обхват на валидността на една теория, това означава теоретизиране на нови наблюдавани и разработване на нови експериментални методи.

В един момент неизбежно ще намерим нещо, което не е в съответствие с преобладаващата представа. Ще намерим нещо, което противоречи на това, което очакваме. Ще получим резултат, който противоречи на нашата стара, вече съществуваща теория. И когато това се случи - ако можем да проверим противоречието, ако го държим под контрол и докажем, че е наистина истинско - ще направим нещо прекрасно - ще се случи научна революция.

Един революционен аспект на релативисткото движение, представен от Айнщайн, но открит преди него от Лоренц, Фицджералд и други, е, че бързо движещите се обекти изглежда се скъсяват в пространството и се разширяват във времето. Колкото по-бързо се движите по отношение на някого в покой, толкова повече се свиват дължините и толкова повече времето изглежда се разтегля за външния свят. Тази картина на релативистката механика, замени стария нютоновски възглед на класическата механика. Curt Renshaw 

Научната революция обаче включва нещо повече от простото казване: „старото е грешно!“ Това е само първата стъпка. Тя може да е необходима част от революцията, но сама по себе си е недостатъчна. Трябва да отидем отвъд просто да забележим къде и как греши старата идея. За да продължи науката напред, трябва да намерим критичния недостатък в предишното ни мислене и да го ревизираме, докато не постигнем правилното.

Това изисква да изчистим не само едно, а три основни препятствия в усилията ни да подобрим разбирането си за Вселената.

Има три съставки на всяка една революционна научна теория:

  1. Тя трябва да възпроизведе всички успехи на предишната теория.
  2. Тя трябва да обясни новите резултати, които противоречат на старата теория.
  3. Тя трябва да направи нови, проверими прогнози, които не са били тествани преди, и които могат да бъдат потвърдени или опровергани.

Това са невероятно високи изисквания и се случва рядко някой да ги изпълни. Но когато това стане, наградата е несравнима.

Една от най-големите загадки на 16-ти век бе как планетите се движат по очевидно ретрограден начин. Това може да се обясни или чрез геоцентричния модел на Птолемей (L), или с хелиоцентричния модел на Коперник (R). Обаче, за да се получи произволна точност се изисква теоретичен напредък в разбирането ни за правилата, залегнали в основата на наблюдаваните явления, което доведе до законите на Кеплер и евентуално до теорията на Нютон за универсалната гравитация.Ethan Siegel / Beyond The Galaxy

Тежестта на доказване винаги е върху новата теория, дошла да замести предишната преобладаваща теория. Това изисква да се изправи пред редица много трудни предизвикателства. Когато се появи хелиоцентризмът, той трябваше да обясни всички предсказания за движенията на планетите, трябваше да обясни резултатите, които геоцентризмът не можеше да обясни (например, кометното движение и луните на Юпитер), и трябваше да направи нови прогнози, като съществуването на елиптични орбити.

Когато Айнщайн предложи Общата теория на относителността, неговата теория трябваше да възпроизведе всички успехи на нютоновата гравитация, плюс необходимостта да се обясни прецесията на перихелия на Меркурий и физиката на обектите, приближаващи скоростта на светлината, и дори повече от това, трябваше да направи нови предсказания за това, как гравитацията ще огъне звездната светлина.


Резултатите от експедицията на Едингтън от 1919 г. доказват окончателно, че Общата теория на относителността описва огъването на звездната светлина около масивни обекти, детронирайки нютоновата картина. Това бе първото потвърждение на Общата теория на относителността на Айнщайн и изглежда, че се съгласува с визуализацията на „изкривената тъкан на пространството“. THE ILLUSTRATED LONDON NEWS, 1919

Защо теорията на Големия взрив е по-добра от своите алтернативи

Това понятие се простира дори до представите ни за произхода на самата Вселена. За да се издигне на преден план Големия взрив, той трябваше да замени предишната концепция за стационарната Вселена. Това означаваше, че трябва да бъде в съответствие с Общата теория на относителността, да обясни разширяването на Хъбъл на Вселената и връзката с червеното отместване и след това да направи новите прогнози за:

  1. Съществуването и спектъра на космическия микровълнов фон,
  2. Изобилието на леки елементи и
  3. Образуването на мащабни структури и клъстеризиращите свойства на материята под влиянието на гравитацията.

Всичко това се изискваше, само за да измести предишната теория.

Ограничения върху тъмната енергия от три независими източника: свръхнови, CMB (космически микровълнов фон) и BAO (което е блестяща характеристика, наблюдавана в корелациите на мащабна структура). Имайте предвид, че дори и без суперновите, пак ще ни е нужна тъмна енергия. Налични са по-актуални версии на тази графика, но резултатите са до голяма степен непроменени. Supernova Cosmology Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010)

Сега помислете какво би трябвало да направите днес, за да опровергаете една от водещите научни теории. Това не е толкова сложно, колкото може да си представите: всичко, което е необходимо, е едно наблюдение на кое да е явление, което противоречи на предсказанията на Големия взрив. В контекста на Общата теория на относителността, ако можете да откриете теоретична последица от Големия взрив, която не съвпада с нашите наблюдения, наистина ще трябва да бъдем готови за революция.

Но тук е важната част - това няма да означава, че всичко за Големия взрив е погрешно. Общата теория на относителността не означаваше, че всичко в Нютоновата гравитация е погрешно. Тя просто положи границите на валидността на Нютоновата гравитация. Все още ще е вярно да описваме Вселената като произлязла от горещо, плътно, разширяващо се състояние, все още ще бъде вярно да описваме нашата наблюдавана Вселена, че е на много милиарди години (но не е безкрайна по възраст), все още ще бъде вярно да говорим за първите звезди и галактики, първите неутрални атоми и първите стабилни атомни ядра.

Визуалната история на разширяващата се Вселена включва горещото, плътно състояние, известно като Големия взрив, което впоследствие нараства и образува структури. Пълният набор от данни, включително наблюденията на светлинните елементи и космическия микровълнов фон, оставят единствено Големия взрив като валидно обяснение за всичко, което виждаме. Предсказанието на космическия фон на неутриното е един от последните велики непотвърдени предсказания на Големия взрив, които сега имат своите отпечатъци както в CMB, така и в мащабна структура. NASA / CXC / M. Weiss

Каквото и да се появи, за да замени теорията на Големия взрив - която е настоящата ни най-добра теория (и това се отнася за всички научни сфери) - нейната първа работа е да възпроизведе всички успехи на тази теория. Стационарните или статичните теории на Вселената, които се стремят да изместят Големия взрив? Те не могат да направят достатъчно. Същото се отнася и за привържениците на електрическата или плазмена Вселена, на уморената светлина, на топологичния дефект или феновете на космическите струни.

Може би някой ден ще има достатъчно теоретични постижения, така че една от тези алтернативи да се превърне в нещо, което е в съответствие с пълния набор от наблюдавани явления или може би ще се появи нова алтернатива. Но този ден не е днес и междувременно инфлационната Вселена на Големия взрив, с радиация, нормална материя, тъмна материя и тъмна енергия, обяснява пълния набор от абсолютно всичко, което сме виждали, а нищо друго не може да го направи.

Присъщите на пространството квантови флуктуации, простиращи се във Вселената по време на космическата инфлация, доведоха до колебанията на плътността, отпечатани в космическия микровълнов фон, който на свой ред създава и до днес звезди, галактики и други мащабни структури във Вселената. Това е най-добрата картина, която имаме за това как се държи цялата Вселена, където инфлацията предхожда и създава Големия взрив. E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

Но е важно да помним, че не сме стигнали до тази картина, като се фокусираме върху един съмнителен резултат, който може да се разпадне. Имаме буквално десетки независими доказателства, които ни водят до едно и също заключение. Дори ако се окаже, че изобщо не разбираме свръхновите, тъмната енергия ще е необходима, дори ако се окаже, че изобщо не разбираме как се въртят галактиките, тъмната материя би била необходима, дори ако се окаже, че микровълновият фон е фалшив и трябва да бъде пренебрегнат, пак Големият взрив би бил необходим.

Вселената би могла да се окаже много по-различна от това, как си представяме днес. Мнозина от вас вероятно ще доживеят да видят какви предизвикателства ще надминат и отменят най-добрите ни настоящи представи. Но когато това се случи, то няма да анулира това, което разбираме днес. Нашите водещи сега теории не са погрешни, те са просто непълни. Само ще ги замести нещо, което успява там, където настоящата теория работи и не работи, науката напредва по някакъв смислен начин.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.