Réponses Aux Plus Grands Défis De La Science: Jusqu'où En Sommes-nous? - Vue Alternative

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Anonim

La nature de l'univers lui-même est inconnue. C'est la curiosité inhérente à l'homme, qui conduit à la recherche de réponses à ces questions, qui fait avancer la science. Nous avons déjà accumulé une quantité incroyable de connaissances, et les succès de nos deux principales théories - la théorie quantique des champs, qui décrit le modèle standard, et la relativité générale, qui décrit la gravité - démontrent à quel point nous avons progressé dans la compréhension de la réalité elle-même.

Beaucoup de gens sont pessimistes quant à nos efforts actuels et à nos projets futurs pour résoudre les grands mystères cosmiques qui nous déroutent aujourd'hui. Nos meilleures hypothèses pour la nouvelle physique, y compris la supersymétrie, les dimensions supplémentaires, le technicolor, la théorie des cordes et autres, n'ont pas pu obtenir de confirmation expérimentale jusqu'à présent. Mais cela ne signifie pas que la physique est en crise. Cela signifie que tout est exactement comme il se doit: la physique dit la vérité sur l'univers. Nos prochaines étapes nous montreront à quel point nous avons écouté.

Les plus grands mystères de l'univers

Il y a un siècle, les plus grandes questions que nous pouvions poser incluaient des énigmes existentielles extrêmement importantes telles que:

  • Quels sont les plus petits constituants de la matière?
  • Nos théories des forces de la nature sont-elles vraiment fondamentales ou une compréhension plus approfondie est-elle nécessaire?
  • Quelle est la taille de l'univers?
  • Notre Univers a-t-il toujours existé ou est-il apparu à un certain moment dans le passé?
  • Comment les étoiles brillent-elles?

À cette époque, ces mystères occupaient l'esprit des plus grandes personnes. Beaucoup ne pensaient même pas qu'on pouvait y répondre. En particulier, ils nécessitaient un investissement de ressources apparemment si énormes qu'il a été suggéré que nous nous contentions simplement de ce que nous savions à l'époque et que nous utilisions ces connaissances pour le développement de la société.

Bien sûr, nous ne l'avons pas fait. Investir dans la société est extrêmement important, mais il est tout aussi important de repousser les limites du connu. Grâce à de nouvelles découvertes et méthodes de recherche, nous avons pu obtenir les réponses suivantes:

  • Les atomes sont constitués de particules subatomiques, dont beaucoup sont subdivisées en constituants encore plus petits; nous connaissons maintenant l'ensemble du modèle standard.
  • Nos théories classiques ont été remplacées par des théories quantiques, combinant quatre forces fondamentales: les forces nucléaires fortes, électromagnétiques, nucléaires faibles et gravitationnelles.
  • L'univers observable s'étend sur 46,1 milliards d'années-lumière dans toutes les directions; l'univers observable peut être beaucoup plus grand ou infini.
  • 13,8 milliards d'années se sont écoulées depuis l'événement connu sous le nom de Big Bang qui a donné naissance à l'univers que nous connaissons. Elle a été précédée par une ère inflationniste de durée indéterminée.
  • Les étoiles brillent grâce à la physique de la fusion nucléaire, convertissant la matière en énergie selon la formule d'Einstein E = mc2.

Et pourtant, cela n'a fait qu'approfondir les mystères scientifiques qui nous entourent. Avec tout ce que nous savons sur les particules fondamentales, nous sommes sûrs qu'il doit y avoir beaucoup d'autres choses dans l'Univers qui nous sont encore inconnues. Nous ne pouvons pas expliquer la présence apparente de matière noire, nous ne comprenons pas l’énergie noire et nous ne savons pas pourquoi l’univers s’étend de cette façon et pas autrement.

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Nous ne savons pas pourquoi les particules sont aussi massives qu'elles le sont; pourquoi l'Univers est submergé par la matière et non par l'antimatière; pourquoi les neutrinos ont une masse. Nous ne savons pas si le proton est stable, s'il se désintégrera un jour, ou si la gravité est une force quantique de la nature. Et bien que nous sachions que l'inflation a été précédée par le Big Bang, nous ne savons pas si l'inflation elle-même a commencé ou si elle était éternelle.

Les humains peuvent-ils résoudre ces énigmes? Les expériences que nous pouvons faire avec la technologie actuelle ou future pourraient-elles éclairer ces mystères fondamentaux?

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La réponse à la première question est possible; nous ne savons pas quels secrets la nature détient avant de voir. La réponse à la deuxième question est sans équivoque oui. Même si toutes les théories que nous ayons jamais soulevées sur ce qui dépasse les limites du connu - le modèle standard et la relativité générale - sont 100% fausses, il existe une énorme quantité d'informations qui peuvent être obtenues en effectuant des expériences que nous prévoyons de lancer ensuite. génération. Ne pas construire toutes ces installations serait une énorme folie, même si elles confirment le scénario cauchemardesque que les physiciens des particules redoutent depuis de nombreuses années.

Quand vous entendez parler d'un accélérateur de particules, vous imaginez probablement toutes ces nouvelles découvertes qui nous attendent à des énergies plus élevées. La promesse de nouvelles particules, de nouvelles forces, de nouvelles interactions, ou même de tout nouveaux secteurs de la physique, c'est ce que les théoriciens aiment faire gaffe, même si expérience après expérience tourne mal et ne tient pas ces promesses.

Il y a une bonne raison à cela: la plupart des idées que l'on peut trouver en physique ont déjà été soit exclues, soit sévèrement limitées par les données dont nous disposons déjà. Si vous voulez découvrir une nouvelle particule, un nouveau champ, une interaction ou un phénomène, vous ne devriez pas postuler quelque chose d'incompatible avec ce que nous savons déjà avec certitude. Bien sûr, nous pourrions faire des hypothèses qui se révéleraient plus tard fausses, mais les données elles-mêmes doivent être en accord avec toute nouvelle théorie.

C'est pourquoi le plus grand effort en physique ne va pas vers de nouvelles théories ou de nouvelles idées, mais vers des expériences qui nous permettront d'aller au-delà de ce que nous avons déjà exploré. Bien sûr, trouver le boson de Higgs pourrait être un gros buzz, mais dans quelle mesure le Higgs est-il lié au boson Z? Quelles sont toutes ces connexions entre ces deux particules et d'autres dans le modèle standard? Est-il facile de les créer? Une fois créé, y aura-t-il des désintégrations mutuelles qui diffèrent de la désintégration du Higgs standard plus le boson Z standard?

Il existe une technique qui peut être utilisée pour étudier cela: créer une collision électron-positon avec la masse exacte du Higgs et du boson Z. Au lieu de quelques dizaines ou centaines d'événements qui créent les bosons de Higgs et Z, comme le fait le LHC, vous pouvez en créer des milliers, des centaines de milliers, voire des millions.

Bien sûr, le grand public sera plus enthousiaste à l'idée de trouver une nouvelle particule qu'autre chose, mais toutes les expériences ne sont pas conçues pour créer de nouvelles particules - et ce n'est pas nécessaire. Certains ont pour but d'étudier la matière que nous connaissons déjà et d'étudier en détail ses propriétés. Le grand collisionneur électron-positon, précurseur du LHC, n'a jamais trouvé une seule nouvelle particule fondamentale. Comme l'expérience DESY, qui a heurté des électrons avec des protons. Et il en va de même pour le collisionneur d'ions lourds relativiste.

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Et c'était à prévoir; le but de ces trois collisionneurs était différent. Il s'agissait d'explorer la matière qui existe réellement avec une précision sans précédent.

Il ne semble pas que ces expériences viennent de confirmer le modèle standard, même si tout ce qu'elles ont trouvé était cohérent avec le modèle standard. Ils ont créé de nouvelles particules composées et mesuré les liaisons entre elles. Des relations de désintégration et de ramification ont été découvertes, ainsi que des différences subtiles entre la matière et l'antimatière. Certaines particules se sont comportées différemment de leurs homologues miroirs. D'autres semblaient briser la symétrie d'inversion du temps. Cependant, d'autres se sont mélangés, créant des états liés dont nous n'étions même pas conscients.

Le but de la prochaine grande expérience scientifique n'est pas simplement de rechercher une chose ou de tester une nouvelle théorie. Nous devons collecter un vaste ensemble de données autrement indisponibles et laisser ces données guider l'industrie.

Bien sûr, nous pouvons concevoir et construire des expériences ou des observatoires en fonction de ce que nous espérons trouver. Mais le meilleur choix pour l'avenir de la science sera une machine polyvalente capable de collecter des quantités importantes et variées de données qui n'auraient pas été possibles sans ces investissements énormes. C'est pourquoi Hubble a connu un tel succès, pourquoi le Laboratoire Fermi et le LHC ont repoussé les limites plus loin que jamais, et pourquoi de futures missions comme le télescope spatial James Webb, les futurs observatoires de 30 mètres ou les futurs collisionneurs seront nécessaires si nous voulons jamais répondre aux questions les plus fondamentales. questions de tous.

Il existe un vieil adage dans les affaires qui s'applique également à la science: «Plus vite. C'est mieux. Moins cher. Choisis en deux. Le monde évolue plus vite que jamais. Si nous commençons à épargner et n'investissons pas dans les «meilleurs», ce sera comme abandonner.

Ilya Khel