Er is veel onbekend over de aard van het universum zelf. Het is de nieuwsgierigheid die inherent is aan mensen, die leidt tot het zoeken naar antwoorden op deze vragen, die de wetenschap vooruit drijft. We hebben al een ongelooflijke hoeveelheid kennis verzameld, en de successen van onze twee leidende theorieën - kwantumveldentheorie, die het standaardmodel beschrijft, en de algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht beschrijft - laten zien hoe ver we zijn gekomen in het begrijpen van de werkelijkheid zelf.
Veel mensen zijn pessimistisch over onze huidige inspanningen en toekomstige plannen om de grote kosmische mysteries op te lossen die ons vandaag verbijsteren. Onze beste hypotheses voor nieuwe fysica, inclusief supersymmetrie, extra dimensies, technicolor, snaartheorie en andere, hebben tot dusver geen enkele experimentele bevestiging kunnen krijgen. Maar dit betekent niet dat de natuurkunde in een crisis verkeert. Dit betekent dat alles precies is zoals het zou moeten zijn: de natuurkunde vertelt de waarheid over het universum. Onze volgende stappen zullen ons laten zien hoe goed we hebben geluisterd.
De grootste mysteries van het universum
Een eeuw geleden waren de grootste vragen die we konden stellen enkele uiterst belangrijke existentiële raadsels, zoals:
- Wat zijn de kleinste bestanddelen van materie?
- Zijn onze theorieën over de natuurkrachten echt fundamenteel, of is een dieper begrip nodig?
- Hoe groot is het universum?
- Heeft ons universum altijd bestaan of is het op een bepaald moment in het verleden verschenen?
- Hoe schijnen de sterren?
In die tijd hielden deze mysteries zich bezig met de hoofden van de grootste mensen. Velen dachten niet eens dat ze beantwoord konden worden. Ze vereisten in het bijzonder een investering van zo schijnbaar enorme middelen dat werd gesuggereerd dat we gewoon tevreden zouden zijn met wat we toen wisten en deze kennis zouden gebruiken voor de ontwikkeling van de samenleving.
Dat hebben we natuurlijk niet gedaan. Investeren in de samenleving is ontzettend belangrijk, maar net zo belangrijk is het om de grenzen van het bekende te verleggen. Dankzij nieuwe ontdekkingen en onderzoeksmethoden konden we de volgende antwoorden krijgen:
- Atomen zijn opgebouwd uit subatomaire deeltjes, waarvan er vele zijn onderverdeeld in nog kleinere bestanddelen; we kennen nu het hele standaardmodel.
- Onze klassieke theorieën zijn vervangen door kwantumtheorieën, die vier fundamentele krachten combineren: sterke nucleaire, elektromagnetische, zwakke nucleaire en zwaartekrachten.
- Het waarneembare heelal meet 46,1 miljard lichtjaar in alle richtingen; het waarneembare heelal kan veel groter of oneindig zijn.
- 13,8 miljard jaar zijn verstreken sinds de gebeurtenis die bekend staat als de oerknal en die het universum dat we kennen heeft voortgebracht. Het werd voorafgegaan door een inflatoir tijdperk van onbepaalde duur.
- Sterren schitteren dankzij de fysica van kernfusie, waarbij materie wordt omgezet in energie volgens Einsteins formule E = mc2.
En toch heeft het alleen de wetenschappelijke mysteries die ons omringen verdiept. Met alles wat we weten over fundamentele deeltjes, zijn we er zeker van dat er nog veel andere dingen in het universum moeten zijn die ons nog onbekend zijn. We kunnen de schijnbare aanwezigheid van donkere materie niet verklaren, we begrijpen donkere energie niet, en we weten niet waarom het universum zich op deze manier uitbreidt en niet anders.
Promotie video:
We weten niet waarom de deeltjes zo massief zijn als ze zijn; waarom het heelal wordt overweldigd door materie, niet door antimaterie; waarom neutrino's massa hebben. We weten niet of het proton stabiel is, of het ooit zal vervallen, of dat zwaartekracht een kwantumkracht van de natuur is. En hoewel we weten dat inflatie werd voorafgegaan door de oerknal, weten we niet of de inflatie zelf begon of eeuwig was.
Kunnen mensen deze raadsels oplossen? Kunnen de experimenten die we kunnen doen met de huidige of toekomstige technologie licht werpen op deze fundamentele mysteries?
Het antwoord op de eerste vraag is mogelijk; we weten niet welke geheimen de natuur heeft totdat we het zien. Het antwoord op de tweede vraag is ondubbelzinnig ja. Zelfs als elke theorie die we ooit hebben aangedragen over wat buiten de grenzen van het bekende valt - het standaardmodel en de algemene relativiteitstheorie - 100% verkeerd is, is er een enorme hoeveelheid informatie die kan worden verkregen door experimenten uit te voeren die we hierna willen uitvoeren. generatie. Het zou een enorme dwaasheid zijn om niet al deze installaties te bouwen, ook al bevestigen ze het nachtmerriescenario waar deeltjesfysici al jarenlang voor gevreesd zijn.
Als je over een deeltjesversneller hoort, stel je je waarschijnlijk al deze nieuwe ontdekkingen voor die ons te wachten staan bij hogere energieën. De belofte van nieuwe deeltjes, nieuwe krachten, nieuwe interacties of zelfs volledig nieuwe sectoren van de fysica is wat theoretici graag blunderen, zelfs als experiment na experiment mislukt en die beloften niet nakomen.
Daar is een goede reden voor: de meeste ideeën die men in de natuurkunde kan bedenken, zijn al uitgesloten of ernstig beperkt door de gegevens die we al hebben. Als je een nieuw deeltje, veld, interactie of fenomeen wilt ontdekken, moet je niet iets postuleren dat onverenigbaar is met wat we al zeker weten. We zouden natuurlijk aannames kunnen doen die later onjuist zouden blijken te zijn, maar de gegevens zelf moeten in overeenstemming zijn met elke nieuwe theorie.
Dit is de reden waarom de grootste inspanning in de natuurkunde niet gaat naar nieuwe theorieën of nieuwe ideeën, maar naar experimenten die ons in staat zullen stellen verder te gaan dan wat we al hebben onderzocht. Natuurlijk kan het vinden van het Higgs-deeltje een grote buzz zijn, maar hoe sterk zijn de Higgs gerelateerd aan het Z-deeltje? Wat zijn al deze verbindingen tussen deze twee deeltjes en andere in het standaardmodel? Hoe gemakkelijk is het om ze te maken? En eenmaal gecreëerd, zullen er wederzijdse verval zijn die verschillen van het verval van de standaard Higgs plus het standaard Z-boson?
Er is een techniek die kan worden gebruikt om dit te onderzoeken: maak een elektron-positron botsing met de exacte massa van het Higgs en het Z-boson. In plaats van enkele tientallen of honderden gebeurtenissen die de Higgs- en Z-bosonen creëren, zoals de LHC doet, kun je er duizenden, honderdduizenden of zelfs miljoenen van maken.
Natuurlijk zal het grote publiek enthousiaster zijn over het vinden van een nieuw deeltje dan over iets anders, maar niet elk experiment is ontworpen om nieuwe deeltjes te creëren - en dat hoeft ook niet zo te zijn. Sommige zijn bedoeld om materie die ons al bekend is te onderzoeken en om de eigenschappen ervan in detail te bestuderen. De Large Electron-Positron Collider, de voorloper van de LHC, heeft nog nooit een nieuw fundamenteel deeltje gevonden. Zoals het DESY-experiment, waarbij elektronen met protonen botsten. En dat geldt ook voor de relativistische zware ionenversneller.
En dit was te verwachten; het doel van deze drie botsers was anders. Het bestond uit het onderzoeken van materie die echt bestaat met een ongekende precisie.
Het lijkt er niet op dat deze experimenten zojuist het standaardmodel hebben bevestigd, hoewel alles wat ze vonden in overeenstemming was met het standaardmodel. Ze creëerden nieuwe samengestelde deeltjes en maten de bindingen tussen hen. Verval- en vertakkingsrelaties werden ontdekt, evenals subtiele verschillen tussen materie en antimaterie. Sommige deeltjes gedroegen zich anders dan hun tegenhangers in de spiegel. Anderen leken de symmetrie van de tijdomkering te doorbreken. Anderen bleken echter met elkaar te vermengen, waardoor gebonden staten ontstonden waarvan we ons niet eens bewust waren.
Het doel van het volgende grote wetenschappelijke experiment is niet eenvoudigweg naar één ding te zoeken of een nieuwe theorie te testen. We moeten een enorme set gegevens verzamelen die anders niet beschikbaar zouden zijn, en die gegevens de industrie laten leiden.
Natuurlijk kunnen we experimenten of observatoria ontwerpen en bouwen op basis van wat we verwachten te vinden. Maar de beste keuze voor de toekomst van de wetenschap is een multifunctionele machine die grote en gevarieerde hoeveelheden gegevens kan verzamelen die zonder zulke enorme investeringen niet mogelijk zouden zijn geweest. Dit is de reden waarom Hubble zo succesvol is geweest, waarom Fermilab en de LHC de grenzen verder hebben verlegd dan ooit tevoren, en waarom toekomstige missies zoals de James Webb Space Telescope, toekomstige observatoria van 30 meter klasse of toekomstige colliders nodig zullen zijn als we ooit de meest fundamentele vragen van iedereen.
Er is een oud gezegde in het bedrijfsleven dat ook op de wetenschap van toepassing is: “Sneller. Het is beter. Goedkoper. Kies twee. De wereld beweegt sneller dan ooit tevoren. Als we beginnen met sparen en niet investeren in de 'beste', is het alsof we opgeven.
Ilya Khel