We zijn altijd op zoek naar iets meer. En zelfs onze beste inschattingen laten ons vaak niet weten waar we het zullen vinden. In de 19e eeuw maakten we ruzie over waarom de zon brandt - zwaartekracht of verbranding, zonder zelfs maar te vermoeden dat er sprake was van thermonucleaire fusie. In de 20e eeuw hadden we ruzie over het lot van het universum, zonder zelfs maar aan te nemen dat het versnelde tot het niets. Maar revoluties in de wetenschap zijn reëel, en wanneer ze plaatsvinden, moeten we veel van alles herzien - soms zelfs alles - waarvan eerder werd aangenomen dat het waar was.
Er zijn veel fundamentele waarheden in onze kennis die we zelden in twijfel trekken, maar misschien zouden we dat wel moeten doen. Hoeveel vertrouwen hebben we in de toren van kennis die we voor onszelf hebben gebouwd?
Hoe waar is onze wetenschap?
Volgens de lichtverouderinghypothese neemt het aantal fotonen per seconde dat we van elk object ontvangen af evenredig met het kwadraat van de afstand tot het object, terwijl het aantal objecten dat we zien toeneemt met het kwadraat van de afstand. Objecten moeten roder zijn, maar zenden een constant aantal fotonen per seconde uit, afhankelijk van de afstand. In een uitdijend universum ontvangen we echter in de loop van de tijd minder fotonen per seconde, omdat ze lange afstanden moeten afleggen naarmate het universum groter wordt, en hun energie neemt ook af tijdens de roodverschuiving. De helderheid van het oppervlak neemt af met de afstand - dit komt overeen met onze waarnemingen.
Als de sneller dan lichte neutrino's waar een paar jaar geleden over werd gesproken, waar zouden blijken te zijn, zouden we alles wat we wisten over de relativiteitstheorie en de snelheidslimiet in het universum moeten heroverwegen. Als Emdrive of een andere machine met perpetuum mobile echt zou blijken te zijn, zouden we alles wat we wisten over de klassieke mechanica en de wet van behoud van momentum moeten herzien. Hoewel deze specifieke resultaten niet betrouwbaar genoeg waren - die neutrino's verschenen als gevolg van een experimentele fout en Emdrive is op geen enkel significantieniveau getest - zullen we op een dag wel eens met zo'n resultaat te maken krijgen.
Promotie video:
De belangrijkste test voor zal niet zijn of we op zo'n kruispunt komen. Ons ware geloof in wetenschappelijke waarheid zal op de proef worden gesteld wanneer we moeten beslissen wat we eraan moeten doen.
Een experimentele EmDrive-opstelling bij NASA Eagleworks, waar ze probeerden geïsoleerde tests uit te voeren met een reactieloze motor. Ze vonden een klein positief resultaat, maar het was niet duidelijk of het verband hield met nieuwe fysica of met een systematische fout. De resultaten leken niet betrouwbaar en konden niet onafhankelijk worden herhaald. De revolutie is nog niet gebeurd.
Wetenschap is tegelijkertijd:
- Een schat aan kennis die alles omvat wat we hebben geleerd door te observeren, te veranderen en te experimenteren in ons universum.
- Het proces van het voortdurend in twijfel trekken van onze aannames, het zoeken naar gaten in ons begrip van de werkelijkheid, het zoeken naar logische mazen en inconsistenties, en het definiëren van de grenzen van onze kennis op nieuwe, fundamentele manieren.
Alles wat we zien en horen, alles wat onze instrumenten vinden, enzovoort - dit alles kan een voorbeeld zijn van wetenschappelijk bewijs als het correct wordt geregistreerd. Wanneer we proberen een beeld van het universum samen te stellen, moeten we de volledige set beschikbare wetenschappelijke gegevens gebruiken. We kunnen geen resultaten of bewijs kiezen dat overeenkomt met onze voorkeursconclusies; we moeten al onze ideeën laten botsen met elk voorbeeld van bestaande goede gegevens. Om wetenschap goed te doen, moeten we deze gegevens verzamelen, ze stukje voor stukje in een zelfconsistente structuur plaatsen en ze vervolgens aan allerlei soorten tests onderwerpen, op elke denkbare manier.
Het beste werk waar een wetenschapper toe in staat is, is om voortdurend de meest heilige theorieën en ideeën te weerleggen, niet te bewijzen.
De Hubble-ruimtetelescoop (links) is ons grootste vlaggenschipobservatorium in de geschiedenis van de astrofysica, maar veel kleiner en minder krachtig dan de toekomstige James Webb (midden). Van de vier voorgestelde vlaggenschipmissies voor de jaren 2030 is LUVOIR (rechts) de meest ambitieuze. Door te proberen het zwakste van het universum te bereiken, ze in hoge resolutie en op alle mogelijke golflengten te zien, kunnen we ons begrip van de kosmos op een ongekende manier verbeteren en testen.
Dit betekent dat we onze precisie moeten vergroten tot op elke extra decimaal die we kunnen toevoegen; dit betekent hogere energieën, lagere temperaturen, kleinere schalen en grotere steekproeven najagen; dit betekent dat het bekende geldigheidsbereik van de theorie wordt overschreden; dit betekent theoretisering van nieuwe waargenomen effecten en de ontwikkeling van nieuwe experimentele methoden.
Op een gegeven moment vind je onvermijdelijk iets dat niet past in het raamwerk van verworven wijsheid. U vindt iets dat in strijd is met wat u had verwacht. U krijgt een resultaat dat in tegenspraak is met uw oude, reeds bestaande theorie. En als dat gebeurt - als je deze tegenstrijdigheid kunt valideren, als het bestand is tegen kritiek en feitelijk laat zien dat het heel, heel bestaand is - dan bereik je iets uitstekends: je zult een wetenschappelijke revolutie hebben.
Een van de revolutionaire aspecten van relativistische beweging, naar voren gebracht door Einstein, maar eerder gelegd door Lorentz, Fitzgerald en anderen, was dat snel bewegende objecten in de ruimte leken samen te trekken en in de tijd vertraagden. Hoe sneller je beweegt ten opzichte van iets in rust, hoe meer je lengte samentrekt en hoe meer tijd afneemt ten opzichte van de buitenwereld. Dit schilderij - relativistische mechanica - verving de oude Newtoniaanse kijk op de klassieke mechanica.
De Wetenschappelijke Revolutie houdt echter meer in dan alleen de "oude waarheden zijn fout!" Dit is slechts de eerste stap. Het is misschien een noodzakelijk onderdeel van de revolutie, maar op zichzelf is het niet voldoende. We zouden verder kunnen gaan door simpelweg op te merken waar en hoe ons oude idee ons in de steek laat. Om de wetenschap vooruit te helpen - en aanzienlijk - moeten we een kritieke fout vinden in onze vorige manier van denken en deze heroverwegen totdat we bij de waarheid komen.
Om dit te doen, moeten we niet één, maar drie belangrijke obstakels overwinnen bij onze inspanningen om ons begrip van het universum te verbeteren. Er zijn drie componenten die in de revolutionaire wetenschappelijke theorie terechtkomen:
Het zou al het succes van een reeds bestaande theorie moeten reproduceren.
Ze moet nieuwe resultaten uitleggen die in strijd waren met de oude theorie.
Het moet nieuwe, toetsbare voorspellingen doen die nog niet eerder zijn getest en die bevestigd of weerlegd kunnen worden.
Dit is een ongelooflijk hoge lat die zelden wordt gehaald. Maar wanneer het is bereikt, zijn de beloningen anders dan al het andere.
Een van de grote mysteries van de 16e eeuw was dat de planeten schijnbaar retrograde bewegen - dat wil zeggen in de tegenovergestelde richting. Dit kan worden verklaard door het geocentrische model van Ptolemaeus (links) of het heliocentrische model van Copernicus (rechts). Het met hoge precisie uitzoeken van de details vereiste echter theoretische doorbraken in ons begrip van de regels die ten grondslag liggen aan het waargenomen fenomeen, wat leidde tot de wetten van Kepler en de theorie van de universele zwaartekracht van Newton.
De nieuwkomer - een nieuwe theorie - draagt altijd de bewijslast, ter vervanging van de vorige dominante theorie, en dit vereist dat ze een aantal zeer moeilijke problemen oplost. Toen heliocentrisme verscheen, moest het alle voorspellingen van planetaire bewegingen verklaren, rekening houden met alle resultaten die heliocentrisme niet kon verklaren (bijvoorbeeld de beweging van kometen en de manen van Jupiter), en nieuwe voorspellingen doen, zoals het bestaan van elliptische banen.
Toen Einstein de algemene relativiteitstheorie voorstelde, moest zijn theorie alle successen van de Newtoniaanse zwaartekracht reproduceren, evenals de precessie van het perihelium van Mercurius en de fysica van objecten waarvan de snelheid het licht nadert, en bovendien moest ze nieuwe voorspellingen doen over hoe de zwaartekracht stellaire buigt. schijnen.
Dit concept strekt zich zelfs uit tot onze gedachten over de oorsprong van het universum zelf. Om de oerknal beroemd te maken, moest hij het oude idee van een statisch universum vervangen. Dit betekent dat het moest overeenkomen met de algemene relativiteitstheorie, de Hubble-uitbreiding van het heelal en de verhouding tussen roodverschuiving en afstand moest verklaren en vervolgens nieuwe voorspellingen moest doen:
- Over het bestaan en het spectrum van de kosmische microgolfachtergrond
- Over het nucleosynthetische gehalte van lichte elementen
- Over de vorming van een grootschalige structuur en eigenschappen van clustering van materie onder invloed van zwaartekracht.
Dit alles was alleen nodig om de vorige theorie te vervangen.
Denk nu eens na over wat er nodig zou zijn om een van de toonaangevende wetenschappelijke theorieën van vandaag te vervangen. Dit is niet zo moeilijk als u zich misschien kunt voorstellen: er is slechts één observatie nodig van elk fenomeen dat de voorspellingen van de oerknal tegenspreekt. Als je in de context van de algemene relativiteitstheorie een theoretisch gevolg zou kunnen vinden dat de oerknal niet overeenkomt met onze waarnemingen, zouden we echt aan de vooravond van een revolutie staan.
En hier is wat belangrijk is: hieruit volgt niet dat alles aan de oerknal verkeerd is. De algemene relativiteitstheorie betekent niet dat de zwaartekracht van Newton verkeerd is; het legt alleen beperkingen op aan waar en hoe Newtoniaanse zwaartekracht met succes kan worden toegepast. Het zal nog steeds nauwkeurig het universum beschrijven dat is geboren uit een hete, dichte, uitdijende staat; beschrijf het waarneembare heelal met een leeftijd van vele miljarden jaren (maar niet oneindig) op dezelfde manier; hij zal ook vertellen over de eerste sterren en melkwegstelsels, de eerste neutrale atomen, de eerste stabiele atoomkernen.
De zichtbare geschiedenis van het uitdijende heelal omvat de hete, dichte toestand van de oerknal en de daaropvolgende groei en vorming van structuur. De volledige dataset, inclusief waarnemingen van lichtelementen en de kosmische microgolfachtergrond, laat alleen de oerknal over als een geschikte verklaring voor wat we zien. De voorspelling van de kosmische neutrino-achtergrond was een van de laatste grote onbevestigde voorspellingen die voortkwam uit de oerknaltheorie.
Wat er ook met deze theorie naar voren komt - wat verder gaat dan onze huidige beste theorie (en dit geldt voor alle wetenschappelijke velden) - de eerste stap is om alle successen van deze theorie te reproduceren. Statische heelal-theorieën die de oerknal bestrijden? Ze kunnen dit niet doen. Hetzelfde geldt voor het elektrische universum en het kosmologische plasma; hetzelfde kan gezegd worden over vermoeid licht, over een topologisch defect en kosmische snaren.
Misschien zullen we op een dag genoeg theoretische vooruitgang boeken om een van deze alternatieven te laten veranderen in iets dat overeenkomt met de volledige reeks waarneembare zaken, of misschien zal er een nieuw alternatief verschijnen. Maar deze dag is niet vandaag, en in de tussentijd verklaart een inflatoir heelal met een oerknal, met straling, gewone materie, donkere materie en energie, de volledige set van absoluut alles wat we ooit hebben waargenomen. En ze is voorlopig uniek in haar soort.
Maar het is belangrijk om te onthouden dat we juist bij dit plaatje kwamen omdat we ons niet concentreerden op één twijfelachtige uitkomst die zou kunnen instorten. We hebben tientallen regels met onafhankelijk bewijs die ons keer op keer tot dezelfde conclusie leiden. Zelfs als blijkt dat we supernovae helemaal niet begrijpen, is er nog steeds donkere energie nodig; zelfs als blijkt dat we de rotatie van sterrenstelsels helemaal niet begrijpen, zal donkere materie nog steeds nodig zijn; zelfs als blijkt dat de microgolfachtergrond niet bestaat, zal de oerknal toch nodig zijn.
Het universum kan in detail compleet anders zijn. En ik hoop dat ik lang genoeg leef om een nieuwe Einstein te zien verschijnen die moderne theorieën uitdaagt - en wint. Onze beste theorieën zijn niet verkeerd, ze zijn gewoon niet compleet genoeg. En dit betekent dat ze alleen kunnen worden vervangen door een completere theorie, die onvermijdelijk alles omvat, in het algemeen alles in deze wereld - en het uitlegt.
Ilya Khel
