Uvijek tražimo nešto više. Pa čak i naša najbolja nagađanja često nam ne daju do znanja gdje ćemo ga naći. U 19. stoljeću raspravljali smo o tome zašto sunce gori - gravitacija ili izgaranje, a da nismo ni slutili da je u pitanju termonuklearna fuzija. U 20. stoljeću svađali smo se oko sudbine svemira, čak ni ne pretpostavljajući da se ubrzava u ništavilo. Ali revolucije u znanosti su stvarne, a kad se dogode, moramo revidirati puno svega - ponekad čak i svega - za što se prije vjerovalo da je istina.
U našem znanju postoji mnogo temeljnih istina koje rijetko preispitujemo, ali možda bismo trebali. Koliko smo sigurni u kulu znanja koju smo izgradili za sebe?
Koliko je istina naša znanost?
Prema hipotezi o starenju svjetlosti, broj fotona u sekundi koji primimo od svakog objekta smanjuje se proporcionalno kvadratu udaljenosti do njega, dok se broj objekata koje vidimo povećava s kvadratom udaljenosti. Predmeti bi trebali biti crveniji, ali emitiraju konstantan broj fotona u sekundi, ovisno o udaljenosti. Međutim, u svemiru koji se širi, s vremenom primamo manje fotona u sekundi, jer oni moraju putovati na velike udaljenosti kako se svemir širi, a njihova se energija također smanjuje tijekom crvenog pomaka. Svjetlina površine smanjuje se s udaljenošću - to je u skladu s našim opažanjima.
Ako bi se neutrini brži od svjetlosti o kojima se govorilo prije nekoliko godina pokazali istinitima, morali bismo preispitati sve što smo znali o relativnosti i ograničenju brzine u svemiru. Ako bi se Emdrive ili neki drugi vječni pokretač pokazao stvarnim, morali bismo revidirati sve što smo znali o klasičnoj mehanici i zakonu očuvanja gibanja. Iako ti specifični rezultati nisu bili dovoljno pouzdani - ti neutrini su se pojavili zbog eksperimentalne pogreške, a Emdrive nije testiran ni na jednoj značajnoj razini - jednog dana možemo se suočiti s takvim rezultatom.
Promotivni video:
Najvažniji test za nas neće biti hoćemo li doći do takvog raskrižja. Naše istinsko vjerovanje u znanstvenu istinu testirat će se kad budemo morali odlučiti što ćemo s tim učiniti.
Eksperimentalna postavka EmDrivea u NASA Eagleworksu, gdje su pokušali provesti izolirana ispitivanja motora bez reakcije. Pronašli su mali pozitivan rezultat, ali nije bilo jasno je li to povezano s novom fizikom ili sa sustavnom pogreškom. Rezultati se nisu činili pouzdanima i nisu se mogli samostalno ponoviti. Revolucija se još nije dogodila.
Znanost je istovremeno:
- Tijelo znanja koje obuhvaća sve što smo naučili promatrajući, mijenjajući se i eksperimentirajući u našem svemiru.
- Proces neprestanog propitivanja naših pretpostavki, pokušaja pronalaženja rupa u našem razumijevanju stvarnosti, traženja logičkih rupa i nedosljednosti te definiranja granica našeg znanja na nove, temeljne načine.
Sve što vidimo i čujemo, sve što naši instrumenti pronađu i tako dalje - sve to može biti primjer znanstvenih dokaza kada se pravilno zabilježe. Kada pokušavamo sastaviti sliku svemira, moramo koristiti cijeli raspoloživi znanstveni podatak. Ne možemo odabrati rezultate ili dokaze koji se podudaraju s našim preferiranim zaključcima; sve svoje ideje moramo sudariti sa svakim primjerom dobrih podataka koji postoje. Da bismo se dobro bavili znanošću, moramo prikupiti te podatke, staviti ih dio po dio u samoskladnu strukturu, a zatim podvrgnuti svim vrstama testova, na bilo koji način koji se može zamisliti.
Najbolji posao za koji je znanstvenik sposoban pokušava neprestano pobijati, a ne dokazivati najsvetije teorije i ideje.
Svemirski teleskop Hubble (lijevo) naša je najveća glavna zvjezdarnica u povijesti astrofizike, ali mnogo manja i manje moćna od budućeg Jamesa Webba (u sredini). Od četiri predložene vodeće misije za 2030-e, LUVOIR (desno) najambiciozniji je. Pokušavajući doći do najmračnijih svemira, vidjeti ih u visokoj razlučivosti i na svim mogućim valnim duljinama, možemo poboljšati i testirati svoje razumijevanje kozmosa na neviđen način.
To znači povećati našu preciznost na svako dodatno decimalno mjesto koje možemo dodati; to znači težnja za višim energijama, nižim temperaturama, manjim razmjerima i većim veličinama uzoraka; to znači nadići poznati opseg valjanosti teorije; to znači teoretiziranje novih uočenih učinaka i razvoj novih eksperimentalnih metoda.
U nekom trenutku neizbježno pronađete nešto što se ne uklapa u okvir stečene mudrosti. Pronađete nešto suprotno onome što ste očekivali da ćete pronaći. Dobivate rezultat koji je u suprotnosti s vašom starom, već postojećom teorijom. A kad se to dogodi - ako uspijete potvrditi ovo proturječje, ako se suprotstavi nadzoru i ako se pokaže da postoji vrlo, vrlo postojeće - postići ćete nešto izvrsno: imat ćete znanstvenu revoluciju.
Jedan od revolucionarnih aspekata relativističkog pokreta, koji je iznio Einstein, ali koji su prethodno postavili Lorentz, Fitzgerald i drugi, bio je taj da se čini da se brzo pokretni predmeti skupljaju u prostoru i usporavaju u vremenu. Što se brže krećete u odnosu na nešto što miruje, to vam se duljina više smanjuje i to više vremena usporava u odnosu na vanjski svijet. Ova je slika - relativistička mehanika - zamijenila staro njutnovsko gledište klasične mehanike.
Znanstvena revolucija, međutim, uključuje više nego samo "stare istine nisu u redu!" Ovo je samo prvi korak. To može biti nužni dio revolucije, ali sam po sebi nije dovoljan. Mogli bismo ići dalje primjećujući gdje i kako nam stara ideja propada. Da bismo znanost pomaknuli naprijed - i to značajno - moramo pronaći kritičnu manu u svom prethodnom načinu razmišljanja i preispitati je dok ne dođemo do istine.
Da bismo to učinili, moramo prevladati ne jednu, već tri glavne prepreke u našim naporima da poboljšamo svoje razumijevanje svemira. Tri su komponente koje ulaze u revolucionarnu znanstvenu teoriju:
Trebao bi reproducirati sav uspjeh već postojeće teorije.
Ona mora objasniti nove rezultate koji su bili u suprotnosti sa starom teorijom.
Mora donijeti nova, provjerljiva predviđanja koja prije nisu bila testirana i koja se mogu potvrditi ili opovrgnuti.
Ovo je nevjerojatno visoka letvica do koje se rijetko dolazi. Ali kad se postigne, nagrade su različite od bilo čega drugog.
Jedna od velikih misterija iz 1500-ih bila je da se planeti kreću prividnom retrogradnošću - odnosno u suprotnom smjeru. To bi se moglo objasniti ili Ptolomejevim geocentričnim modelom (lijevo) ili Kopernikovim heliocentričnim modelom (desno). Međutim, otkrivanje detalja s velikom preciznošću zahtijevalo je teorijska otkrića u našem razumijevanju pravila koja su temelj promatrane pojave, što je dovelo do Keplerovih zakona i Newtonove teorije univerzalne gravitacije.
Pridošlica - nova teorija - uvijek snosi teret dokazivanja, zamjenjujući prethodnu dominantnu teoriju, a to zahtijeva da riješi niz vrlo teških problema. Kada se pojavio heliocentrizam, morao je objasniti sva predviđanja kretanja planeta, uzeti u obzir sve rezultate koje heliocentrizam nije mogao objasniti (na primjer, kretanje kometa i Jupiterovih mjeseci), te napraviti nova predviđanja, poput postojanja eliptičnih orbita.
Kad je Einstein predložio opću relativnost, njegova je teorija trebala reproducirati sve uspjehe Newtonove gravitacije, kao i objasniti precesiju perihela Merkura i fiziku objekata čija se brzina približava svjetlosti, a štoviše, trebala je iznijeti nova predviđanja o tome kako gravitacija savija zvijezdu sjaj.
Ovaj se koncept proteže čak i na naša razmišljanja o podrijetlu samog svemira. Da bi Veliki prasak postao poznat, morao je zamijeniti staru ideju statičnog svemira. To znači da je morao odgovarati općoj teoriji relativnosti, objasniti Hubbleovu ekspanziju Svemira i omjer crvenog pomaka i udaljenosti, a zatim napraviti nova predviđanja:
- O postojanju i spektru kozmičke mikrovalne pozadine
- O nukleosintetičkom sadržaju lakih elemenata
- O stvaranju velike strukture i svojstvima nakupine tvari pod utjecajem gravitacije.
Sve je to bilo potrebno samo da bi se zamijenila prethodna teorija.
Sad razmislite o tome što bi trebalo zamijeniti jednu od vodećih znanstvenih teorija danas. To nije tako teško kao što biste mogli zamisliti: bilo bi potrebno samo jedno promatranje bilo kojeg fenomena koji je u suprotnosti s predviđanjima Velikog praska. U kontekstu opće relativnosti, ako biste mogli pronaći teoretsku posljedicu da Veliki prasak ne odgovara našim zapažanjima, doista bismo bili na rubu revolucije.
I evo što je važno: iz ovoga neće proizaći da je sve u vezi s Velikim praskom pogrešno. Opća relativnost ne znači da je Newtonova gravitacija pogrešna; samo nameće ograničenja gdje i kako se Newtonova gravitacija može uspješno primijeniti. I dalje će točno opisivati Svemir rođen u vrućem, gustom stanju koje se širi; na isti način opiši promatrani Svemir s godinama od mnogih milijardi godina (ali ne beskonačnom dobom); također će govoriti o prvim zvijezdama i galaksijama, prvim neutralnim atomima, prvim stabilnim atomskim jezgrama.
Vidljiva povijest svemira koji se širi uključuje vruće, gusto stanje Velikog praska i posljedični rast i formiranje strukture. Kompletni skup podataka, uključujući promatranja svjetlosnih elemenata i kozmičke mikrovalne pozadine, ostavlja samo Veliki prasak kao prikladno objašnjenje za ono što vidimo. Predviđanje kozmičke neutrinske pozadine bilo je jedno od posljednjih velikih nepotvrđenih predviđanja koja su proizašla iz teorije Velikog praska.
Što god se pojavilo na ovoj teoriji - što god nadilazi našu trenutnu najbolju teoriju (a to se odnosi na sva znanstvena područja) - prvi korak je reproduciranje svih uspjeha ove teorije. Statičke teorije svemira koje se bore protiv Velikog praska? Oni to nisu u stanju učiniti. Isto vrijedi i za električni svemir i kozmološku plazmu; isto se može reći o umornoj svjetlosti, o topološkom nedostatku i kozmičkim žicama.
Možda ćemo jednog dana postići dovoljno teoretskog napretka da bi se jedna od ovih alternativa pretvorila u nešto što odgovara cijelom skupu vidljivih ili će se možda pojaviti nova alternativa. Ali ovaj dan nije danas, a u međuvremenu inflatorni Svemir s Velikim praskom, s zračenjem, običnom materijom, tamnom materijom i energijom, objašnjava čitav set apsolutno svega što smo ikada promatrali. I ona je zasad jedinstvena.
Ali važno je zapamtiti da smo do ove slike došli upravo zato što se nismo usredotočili na jedan sumnjiv ishod koji bi se mogao srušiti. Imamo na desetke redaka neovisnih dokaza koji nas uvijek iznova vode do istog zaključka. Čak i ako se pokaže da uopće ne razumijemo supernove, tamna energija i dalje će biti potrebna; čak i ako se pokaže da uopće ne razumijemo rotaciju galaksija, tamna će materija i dalje biti potrebna; čak i ako se pokaže da pozadina mikrovalne pećnice ne postoji, Veliki prasak i dalje će biti potreban.
Svemir može biti potpuno drugačiji u pojedinostima. I nadam se da ću živjeti dovoljno dugo da vidim kako se pojavljuje novi Einstein koji izaziva moderne teorije - i pobjeđuje. Naše najbolje teorije nisu pogrešne, one jednostavno nisu dovoljno cjelovite. A to znači da ih može zamijeniti samo cjelovitija teorija, koja će neminovno obuhvatiti sve, općenito sve na ovom svijetu - i objasniti to.
Ilja Khel
