Vi leder altid efter noget mere. Og selv vores bedste gæt antager os ofte ikke, hvor vi finder det. I det 19. århundrede argumenterede vi for, hvorfor solen brænder - tyngdekraft eller forbrænding, uden selv at have mistanke om, at termonuklear fusion var involveret. I det 20. århundrede argumenterede vi for universets skæbne uden at antage, at det accelererede til intet. Men revolutioner inden for videnskab er virkelige, og når de sker, er vi nødt til at revidere meget af alt - undertiden endda alt - der tidligere blev antaget at være sandt.
Der er mange grundlæggende sandheder i vores viden, som vi sjældent sætter spørgsmålstegn ved, men måske bør vi. Hvor selvsikker er vi i det tårn af viden, som vi har bygget for os selv?
Hvor sand er vores videnskab?
Ifølge lysaldringshypotesen falder antallet af fotoner pr. Sekund, vi modtager fra hvert objekt, i forhold til kvadratet for afstanden til det, mens antallet af objekter, vi ser, stiger med afstandens kvadrat. Objekterne skal være rødere, men udsender et konstant antal fotoner pr. Sekund afhængigt af afstanden. I et ekspanderende univers modtager vi imidlertid færre fotoner pr. Sekund over tid, da de skal rejse lange afstande, når universet udvides, og deres energi falder også under rødskift. Overfladens lysstyrke aftager med afstanden - dette er i overensstemmelse med vores observationer.
Hvis de hurtigere end lys neutrinoer, som vi talte om for et par år siden, viste sig at være sande, ville vi være nødt til at genoverveje alt, hvad vi vidste om relativitet og hastighedsgrænsen i universet. Hvis Emdrive eller en anden maskine til evig bevægelse viste sig at være reel, skulle vi revidere alt, hvad vi vidste om klassisk mekanik og loven om bevarelse af momentum. Selvom disse specifikke resultater ikke var pålidelige nok - disse neutrinoer dukkede op på grund af eksperimentel fejl, og Emdrive er ikke blevet testet på noget niveau af betydning - en dag kan vi godt møde et sådant resultat.
Salgsfremmende video:
Den vigtigste test for er ikke, om vi kommer til et sådant kryds. Vores sande tro på videnskabelig sandhed vil blive testet, når vi skal beslutte, hvad vi skal gøre ved det.
Et eksperimentelt EmDrive-setup på NASA Eagleworks, hvor de forsøgte at udføre isolerede tests af en reaktionsfri motor. De fandt et lille positivt resultat, men det var ikke klart, om det var forbundet med ny fysik eller med en systematisk fejl. Resultaterne syntes ikke pålidelige og kunne ikke gentages uafhængigt. Revolutionen er ikke sket - endnu.
Videnskab er samtidig:
- En videnkrop, der omfatter alt, hvad vi har lært af at observere, ændre og eksperimentere i vores univers.
- Processen med konstant at stille spørgsmålstegn ved vores antagelser, forsøge at finde huller i vores forståelse af virkeligheden, på udkig efter logiske smuthuller og uoverensstemmelser og definere grænserne for vores viden på nye, grundlæggende måder.
Alt, hvad vi ser og hører, alt hvad vores instrumenter finder osv. - alt dette kan være et eksempel på videnskabelig dokumentation, der er korrekt registreret. Når vi forsøger at komponere et billede af universet, skal vi bruge hele det tilgængelige sæt videnskabelige data. Vi kan ikke vælge resultater eller beviser, der matcher vores foretrukne konklusioner; vi er nødt til at kollidere alle vores ideer med ethvert eksempel på gode data, der findes. For at gøre videnskab godt skal vi indsamle disse data, sætte dem stykke for stykke i en selvkonsistent struktur og derefter udsætte dem for alle mulige tests på enhver tænkelig måde.
Det bedste job, en videnskabsmand er i stand til, er at forsøge konstant at tilbagevise, ikke bevise, de mest hellige teorier og ideer.
Hubble-rumteleskopet (til venstre) er vores største flagskibsobservatorium i astrofysikens historie, men meget mindre og mindre magtfuld end den fremtidige James Webb (center). Af de fire foreslåede flagskibsmissioner i 2030'erne er LUVOIR (højre) den mest ambitiøse. Ved at forsøge at nå det svageste af universet, se dem i høj opløsning og på alle mulige bølgelængder, kan vi forbedre og teste vores forståelse af kosmos på en hidtil uset måde.
Dette betyder at øge vores præcision til hver ekstra decimal, vi kan tilføje; dette betyder at jagte højere energier, lavere temperaturer, mindre skalaer og større stikprøvestørrelser; det betyder at gå ud over det kendte område af teoriens gyldighed dette betyder teoretisering af nye observerede effekter og udvikling af nye eksperimentelle metoder.
På et eller andet tidspunkt finder du uundgåeligt noget, der ikke passer ind i rammen om erhvervet visdom. Du finder noget i modsætning til hvad du forventede at finde. Du får et resultat, der modsiger din gamle, allerede eksisterende teori. Og når det sker - hvis du kan validere denne modsigelse, hvis den tåler kontrol og faktisk viser sig at være meget, meget eksisterende - vil du opnå noget fremragende: du vil have en videnskabelig revolution.
Et af de revolutionære aspekter af relativistisk bevægelse, fremsat af Einstein, men tidligere lagt af Lorentz, Fitzgerald og andre, var at genstande i hurtig bevægelse syntes at trække sig sammen i rummet og bremse i tide. Jo hurtigere du bevæger dig i forhold til noget i hvile, jo mere trækker din længde sammen, og jo mere tid sænkes i forhold til omverdenen. Dette maleri - relativistisk mekanik - erstattede det gamle newtonske syn på klassisk mekanik.
Den videnskabelige revolution involverer imidlertid mere end bare de "gamle sandheder er forkerte!" Dette er kun det første skridt. Det kan være en nødvendig del af revolutionen, men i sig selv er det ikke tilstrækkeligt. Vi kunne komme videre ved blot at bemærke, hvor og hvordan vores gamle idé svigter os. For at bevæge videnskaben fremad - og betydeligt - er vi nødt til at finde en kritisk fejl i vores tidligere måde at tænke på og genoverveje den, indtil vi når frem til sandheden.
For at gøre dette skal vi ikke overvinde en, men tre store forhindringer i vores bestræbelser på at forbedre vores forståelse af universet. Der er tre komponenter, der går ind i revolutionær videnskabelig teori:
Det skal gengive al succes med en allerede eksisterende teori.
Hun skal forklare nye resultater, der var i strid med den gamle teori.
Det skal komme med nye, testbare forudsigelser, der ikke er testet før, og som enten kan bekræftes eller modbevises.
Dette er en utrolig høj bjælke, der sjældent nås. Men når det opnås, er belønningerne ulig noget andet.
Et af 1500-tallets store mysterier var, at planeterne bevæger sig i en tilsyneladende retrograd - dvs. i den modsatte retning. Dette kunne forklares med enten Ptolemaios geocentriske model (venstre) eller Copernicus heliocentriske model (højre). At finde ud af detaljerne med høj præcision krævede imidlertid teoretiske gennembrud i vores forståelse af reglerne bag det observerede fænomen, hvilket førte til Keplers love og Newtons teori om universel tyngdekraft.
Nykomlingen - en ny teori - bærer altid bevisbyrden og erstatter den tidligere dominerende teori, og dette kræver, at hun løser en række meget vanskelige problemer. Da heliocentrisme dukkede op, måtte det forklare alle forudsigelser af planetbevægelser, tage hensyn til alle de resultater, som heliocentrisme ikke kunne forklare (for eksempel bevægelse af kometer og Jupiters måner) og komme med nye forudsigelser - såsom eksistensen af elliptiske baner.
Da Einstein foreslog generel relativitet, skulle hans teori gengive alle succeser med Newtons tyngdekraft samt forklare præcessionen af kviksølvs perihelium og fysik af objekter, hvis hastighed nærmer sig lys, og derudover var hun nødt til at komme med nye forudsigelser om, hvordan tyngdekraften bøjer stjernen skinne.
Dette koncept strækker sig endda til vores tanker om universets oprindelse. For at Big Bang skulle blive berømt, måtte det erstatte den gamle idé om et statisk univers. Dette betyder, at det skulle svare til den generelle relativitetsteori, forklare Hubble-udvidelsen af universet og forholdet mellem rød forskydning og afstand og derefter komme med nye forudsigelser:
- Om eksistensen og spektret af den kosmiske mikrobølgebaggrund
- Om det nukleosyntetiske indhold af lyselementer
- Om dannelsen af en storstilet struktur og egenskaber ved klyngen af stof under påvirkning af tyngdekraften.
Alt dette var kun nødvendigt for at erstatte den tidligere teori.
Tænk nu over, hvad der skal til for at erstatte en af de førende videnskabelige teorier i dag. Dette er ikke så vanskeligt, som du måske forestiller dig: det ville kun kræve en observation af ethvert fænomen, der modsiger forudsigelserne fra Big Bang. I sammenhæng med generel relativitet, hvis du kunne finde en teoretisk konsekvens af, at Big Bang ikke svarer til vores observationer, ville vi virkelig være på randen af revolution.
Og her er hvad der er vigtigt: det følger ikke af dette, at alt ved Big Bang er forkert. Generel relativitet betyder ikke, at Newtons tyngdekraft er forkert; det pålægger kun begrænsninger for, hvor og hvordan Newtons tyngdekraft kan anvendes med succes. Det vil stadig nøjagtigt beskrive universet født af en varm, tæt, ekspanderende tilstand; beskrive det observerbare univers med en alder på mange milliarder år (men ikke uendelig alder) på samme måde; han vil også fortælle om de første stjerner og galakser, de første neutrale atomer, de første stabile atomkerner.
Den synlige historie om det ekspanderende univers inkluderer den varme, tætte tilstand af Big Bang og den efterfølgende vækst og dannelse af struktur. Det komplette datasæt, inklusive observationer af lyselementer og den kosmiske mikrobølgebaggrund, efterlader kun Big Bang som en passende forklaring på, hvad vi ser. Forudsigelsen af den kosmiske neutrino-baggrund var en af de sidste store ubekræftede forudsigelser, der kom fra Big Bang-teorien.
Uanset hvad der kommer op på denne teori - uanset hvad der går ud over vores nuværende bedste teori (og dette gælder for alle videnskabelige områder) - er det første skridt at reproducere alle succeser med denne teori. Statiske universteorier, der bekæmper Big Bang? De er ude af stand til at gøre dette. Det samme gælder det elektriske univers og det kosmologiske plasma; det samme kan siges om træt lys, om en topologisk defekt og kosmiske strenge.
Måske en dag vil vi opnå tilstrækkelig teoretisk fremgang til, at et af disse alternativer bliver til noget, der svarer til det fulde sæt af observerbare, eller måske vises der et nyt alternativ. Men denne dag er ikke i dag, og i mellemtiden forklarer et inflationsunivers med et Big Bang med stråling, almindeligt stof, mørkt stof og energi, det fulde sæt af absolut alt, hvad vi nogensinde har observeret. Og hun er enestående indtil videre.
Men det er vigtigt at huske, at vi kom til dette billede netop fordi vi ikke fokuserede på et tvivlsomt resultat, der kunne kollapse. Vi har snesevis af linjer med uafhængige beviser, der fører os til den samme konklusion igen og igen. Selv hvis det viser sig, at vi overhovedet ikke forstår supernovaer, er der stadig behov for mørk energi; selvom det viser sig, at vi slet ikke forstår galaksernes rotation, er der stadig behov for mørkt stof; selvom det viser sig, at mikrobølgeovnen ikke findes, er Big Bang stadig nødvendig.
Universet kan være helt anderledes i detaljer. Og jeg håber, at jeg lever længe nok til at se en ny Einstein dukke op, der udfordrer moderne teorier - og vinder. Vores bedste teorier er ikke forkert, de er bare ikke komplette nok. Og det betyder, at de kun kan erstattes af en mere komplet teori, som uundgåeligt vil omfatte alt, generelt alt i denne verden - og forklare det.
Ilya Khel
