Калі сама гравітацыя не з'яўляецца асноўнай сілай, а хутчэй узнікае, то многія таямніцы прасторы і часу могуць мець іншае рашэнне, чым тыя, якія мы зараз шукаем. Малюнак: Zoltán Vörös з flickr.

Спытайце Этан: Які фундаментальны навуковы пытанне найбольш важны?

З пяці жыццёва важных пытанняў, на які з іх нам найбольш хацелася б адказаць?

Нягледзячы на ​​ўсё, што мы даведаліся пра фізіку, навуку і Сусвет перад намі, ёсць яшчэ некалькі неверагодна фундаментальных пытанняў, адказы на якія дагэтуль застаюцца недаступнымі. Кожны з іх - гэта выклік чалавецтву, і адказы на яго цалкам нявызначаныя, з велізарнымі наступствамі ў залежнасці ад таго, які адказ ёсць на самай справе. Ад нашага касмічнага нараджэння да асноўных законаў, якія рэгулююць усё, і ад зараджэння жыцця да таго, што на самой справе складаецца з Сусветам, яшчэ шмат яшчэ засталося адкрыць. Калі б мы маглі ведаць толькі адказ на адзін, які з іх выбраць? Вось што хоча ведаць наш прыхільнік Patreon Крыс Шоў:

Калі вы маглі б мець поўны адказ на адно з гэтых 5 пытанняў, што гэта было б?
* Ці адбылася касмічная інфляцыя альбо адбыўся іншы працэс? * Ці з'яўляецца зямля ў космасе адзіным месцам жыцця? * Як [мы можам] аб'яднаць агульную адноснасць і квантавую механіку? * Што такое цёмная энергія і цёмная матэрыя? * Як пачалося жыццё на Зямлі?

Усе гэтыя неверагодныя пытанні, і ўсе яны адкрытыя, якія разглядаюць нашы самыя глыбокія таямніцы пра Сусвет. Вось чаму кожны мае значэнне.

Інфляцыя стварыла гарачы Вялікі выбух і стала прычынай назіральнай Сусвету, да якой мы маем доступ, але мы можам толькі вымераць апошнюю мізэрную долю секунды ад уздзеяння інфляцыі на нашу Сусвет. Малюнак: Э. Зігель, з выявамі, атрыманымі з ESA / Planck і міжведамаснай аператыўнай групы DoE / NASA / NSF пры даследаванні CMB.

1.) Касмічная інфляцыя: Мы ведаем, што адбыўся Вялікі выбух і што гарачы Вялікі выбух быў не самым пачаткам Сусвету. Існуе шэраг дакладна наладжаных, невытлумачальных з'яў, якія трэба стварыць у якасці пачатковых умоў, каб даць нам Сусвет, які мы маем сёння, альбо Сусвет не існуе такой, якой ёсць. Касмічная інфляцыя - гэта тэорыя, якая дала першае дакладнае тлумачэнне гэтых умоў, прайграўшы Вялікі выбух, а таксама зрабіла шэраг іншых прагнозаў, многія з якіх былі пацверджаны з вялікай дакладнасцю. Цудоўна было б дакладна ведаць, што адбывалася перад гарачым Вялікім выбухам і ці быў гэта канкрэтны варыянт касмічнай інфляцыі ці нешта падобнае на інфляцыю, якое аказваецца зусім іншым.

Подпісы арганічных, жыватворных малекул сустракаюцца па ўсім космасе, у тым ліку ў самым буйным, найбліжэйшым зоратворчым рэгіёне: туманнасці Арыёна. Імідж-крэдыт: ESA, HEXOS і кансорцыум HIFI; Э. Бергін.

2.) Жыццё за межамі Зямлі: Напэўна, мы ўсе можам пагадзіцца, што жыццё існуе на Зямлі. Але ці ёсць месца за межамі Зямлі, у якога таксама ёсць жыццё? І якое ў гэтым выпадку было б добрае вызначэнне жыцця? Ці ёсць у іншых светах нашай Сонечнай сістэмы, якія, безумоўна, з'яўляюцца будаўнічымі блокамі жыцця, мінулае альбо цяперашняе жыццё? Што з светамі вакол іншых зорак? Якая верагоднасць у іх жыцця, ці не ў іх жыццё, і наколькі яны прасунутыя ў параўнанні з намі? Гэта пытанні, на якія мы сапраўды не ведаем адказаў, хаця ў нас ёсць надзвычай сур'ёзныя падазрэнні, што ўсе тыя ж умовы, якія адбываліся тут, на Зямлі, шмат разоў адбываліся ў іншым месцы нашай Сусветы.

Квантавая гравітацыя спрабуе спалучыць агульную тэорыю адноснасці Эйнштэйна з квантавай механікай. Квантовыя карэкціроўкі класічнай сілы цяжару візуалізуюцца ў выглядзе цыклавых дыяграм, як паказана тут белым колерам. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя паскаральніка SLAC.

3.) Пошук тэорыі ўсяго: У нас ёсць дзве надзвычай паспяховыя тэорыі, якія апісваюць Сусвет: агульная адноснасць улічвае гравітацыю і квантавую тэорыю поля, улічваючы ўласцівасці часціц Сусвету і іх узаемадзеянне. Але калі вы прапусціце электрон праз двайную шчыліну, што будзе з яго гравітацыйным полем? Што адбываецца ў незвычайнасці ўнутры чорнай дзіркі? І прасторавы час фундаментальны, альбо сам складаецца з дыскрэтных квантаў? Без квантавай тэорыі гравітацыі і тэарэтычнага зліцця агульнай тэорыі адноснасці і квантавай тэорыі поля мы ніколі не даведаемся. Гэта магчыма? Мы так думаем. Ці ёсць у нашай Сусвеце тэорыю ўсяго? Ці ёсць гравітацыя сапраўды квантавай? Што мы не ведаем.

Маштабная праекцыя праз аб'ём Illustris пры z = 0, у цэнтры якога самы масіўны кластар, глыбінёй 15 Мпк / г. Паказвае шчыльнасць цёмнай матэрыі (злева), якая пераходзіць да шчыльнасці газу (справа). Маштабная структура Сусвету не можа быць растлумачана без цёмнай матэрыі, хаця існуе мноства мадыфікаваных гравітацыйных спроб. Крэдыт малюнка: Супрацоўніцтва Illustris / Ілюстрацыя Ілюстрацыя.

4.) Цёмная энергія і цёмная матэрыя: Ці існуюць яны? Доказы, безумоўна, настойліва сведчаць аб гэтым. Якія менавіта яны? Гэта вялікія, адкрытыя пытанні, на якія мы не ведаем адказу. Цёмная энергія здаецца пастаяннай формай энергіі, раўнамерна размеркаванай па прасторы; Здаецца, цёмная матэрыя паводзіць сябе як часціца, сціскаючыся і класціся пад уздзеяннем гравітацыі. Але цёмная матэрыя на самай справе заснавана на часціцах? Ці ўзаемадзейнічае цёмная матэрыя альбо з самой сабой, альбо з звычайнай матэрыяй праз якую-небудзь сілу, акрамя гравітацыі? Як гэта стала? А што з цёмнай энергіяй? Гэта ўласцівасць, уласцівая самой прасторы? Гэта асобнае поле? І чаму ён мае лічбавае значэнне, якое мае? Адказы на ўсё гэта дагэтуль апынуліся няўлоўнымі.

Структуры метэарыта ALH84001, які мае марсіянскае паходжанне. Некаторыя сцвярджаюць, што будынкі, паказаныя тут, могуць быць старажытным марсіянскім жыццём, іншыя сцвярджаюць, што гэта сведчанне таго, што жыццё на Зямлі патрапіла ў гэтую скалу. Імідж крэдыту: NASA, з 1996 года.

5.) Паходжанне жыцця: як пачалося жыццё на Зямлі? Мы ведаем, што будаўнічыя блокі жыцця можна знайсці па ўсёй галактыцы, у міжзоркавым космасе і нават у Сонечнай сістэме. Комплексныя малекулы на аснове вугляроду сустракаюцца паўсюдна: ад цыяніду да цукроў да этылацеата, апошнім з якіх з'яўляецца малекула, якая надае маліне характэрны пах. Мы знайшлі метэарыты, якія адбываюцца з астэроіднага пояса з амінакіслотамі ўнутры, у тым ліку больш за 60, якія не ўдзельнічаюць у жыццёвых працэсах тут, на Зямлі. І, нарэшце, мы знайшлі ўскосныя доказы, якія пацвярджаюць ідэю, што жыццё на Зямлі зарадзілася да фарміравання нашай планеты. Тым не менш, нам не ўдалося стварыць жыццё з нежыцця да гэтага часу. Такім чынам, мы ўсё яшчэ не ведаем, як пачалося жыццё на Зямлі.

Выгляд вельмі прымітыўных мікраарганізмаў. Ці з'яўляюцца першыя арганізмы, якія ўтварыліся на Зямлі, альбо папярэднічалі фарміраванню нашай планеты, застаецца адкрытым пытаннем. Крэдыт малюнка: Эрык Эрбе, лічбавая калярызацыя Крыстафера Пулі, абодва з USDA, ARS, EMU.

Калі мы можам чароўна сапсаваць пальцы і даведацца адказ на адзін з іх, які нам абраць? Ёсць два важныя меркаванні:

  1. Якая з іх "самая цяжкая праблема" з пункту гледжання ведаў, як знайсці адказ і
  2. Які з іх будзе самым рэвалюцыйным і выгадным для нашага грамадства?

Мы можам выкінуць касмічную інфляцыю, бо ў нас ёсць мноства моцных доказаў таго, што не толькі падтрымліваюць інфляцыю, але і жорстка стрымліваюць, якія мадэлі інфляцыі па-ранейшаму дзейнічаюць. Мы занадта блізкія, і калі наступныя 20–30 гадоў будуць добрымі да нас, мы можам нават даведацца, як адбылася інфляцыя. Па гэтай жа прычыне мы павінны выкінуць пытанні пра жыццё за межамі Зямлі альбо пра тое, як яно ўзнікла. Гэта актыўныя пытанні, на якіх мы дасягаем вялікіх поспехаў, і наколькі я хачу ведаць, што мы не самотныя, колькасць, якую мы вучым, як у наземнай біялогіі, так і ў астрабіялогіі, занадта важная. Калі вы даведаецеся адказу, вы прапусціце ўсе ўрокі пошуку рэчаў, і на працягу астатняй частцы нашага жыцця мы, верагодна, пабачым, што адказы на гэтыя пытанні павольна раскрываюцца.

Ілюстрацыя ранняга Сусвету як складаецца з квантавай пены, у якой квантавыя ваганні вялікія, разнастайныя і важныя на найменшых маштабах. Малюнак: NASA / CXC / M.Weiss.

Які пакідае зліццё агульнай адноснасці з квантавым Сусветам і паходжанне / характар ​​цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі. Гэта абодва неверагодна цяжкія праблемы, якія маюць шмат ідэй за сабой, але рэалістычна прасочваюцца вельмі мала. Нават не ўпэўненасць у тым, што ў нашай Сусвеце ёсць квантавая тэорыя гравітацыі, альбо што цёмная матэрыя і цёмная энергія сапраўды існуюць, хаця існуе мноства важкіх прычын лічыць усё гэта так. Усё было б рэвалюцыйна, і як і ва ўсіх асноўных фізічных адкрыццях, сацыяльныя выгоды цяжка прадбачыць.

Касмічная павуцінне кіруецца цёмнай матэрыяй, маючы найбольшую маштабную структуру, усталяваную хуткасцю пашырэння і цёмнай энергіяй. Дробныя структуры ўздоўж нітак утвараюцца ў выніку развалу звычайнай рэчывы, якая ўзаемадзейнічае электрамагнітна. Крэдыт малюнка: Ральф Келер, Олівер Хан і Том Абель (KIPAC).

Але калі б нам давялося абраць адзін, я б абраў веды цёмнай энергіі / цёмнай матэрыі. Калі цёмная матэрыя апынецца часціцай, не выключана, што мы зможам маніпуляваць ёю па-новаму, што можа мець вялікую карысць для грамадства. Гэта можа прывесці да свабоднай і багатай энергіі не толькі тут, на Зямлі, але і дзе б мы ні ехалі ў галактыцы. Гэта можа быць гэтак жа эфектыўна, як знішчэнне рэчывы супрацьматэрыяльнага рэчыва, і калі мы зможам яго выкарыстаць, ён будзе там, дзе б мы ні ішлі. Гэта большасць Сусвету, і нашы спробы выявіць яго дагэтуль выйшлі пустымі. Можа апынуцца, што мы шукаем усё няправільна, але пакуль мы не глядзім правільна, мы не можам ведаць.

Нават нягледзячы на ​​тое, што большасць цёмнай матэрыі ў галактыцы існуе ў вялікім арэоле, які ахоплівае нас, кожная асобная часцінка цёмнай матэрыі робіць эліптычную арбіту пад уздзеяннем сілы цяжару. Калі цёмная матэрыя - гэта ўласная антычастица, і мы навучымся яе выкарыстоўваць, гэта можа стаць галоўнай крыніцай бясплатнай энергіі. Малюнак: ESO / L. Calçada.

Тут няма правільных і няправільных адказаў, толькі выбар. Важным з'яўляецца ўсведамленне таго, што мы ведаем, пра што нам цікава, якія магчымасці ёсць, і што мы робім, каб паспрабаваць даведацца канчатковыя адказы. Калі б мы маглі проста ведаць нешта, што сёння далёка недасягальна, гэта магло б накіраваць нас на правільны шлях. Але не варта недаацэньваць значэнне працэсу расследавання і магутнасць атрыманых урокаў, калі мы робім гэтыя адкрыцці. Задавальненне заключаецца не толькі ў тым, каб ведаць, але і ў акце высвятлення рэчаў!

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".