Защо изследването на алтернативни теории не е загуба на време

Много хора разглеждат разработването на алтернативни теории във физиката като безполезна загуба на време. Но когато тези теории могат да бъдат тествани, това показва каква е реалността – и това представлява огромно постижение, което често остава недооценено.

Успехът на стандартния модел

През последните няколко века човечеството успя да разбере значителна част от Вселената на основно, фундаментално равнище. Определихме от какво е направена цялата светеща и блокираща светлината материя, плюс радиацията: нормалната материя и енергия във Вселената ни, която се състои от частици в рамките на Стандартния модел.

Открихме черните дупки и разбрахме как работят гравитацията и разширяващата се Вселена: управлявани от законите на Общата теория на относителността на Айнщайн. И разбираме правилата, управляващи взаимодействието на частиците: чрез силното ядрено, слабото ядрено и електромагнитното взаимодействие, както е диктувано от квантовата теория на полето.

Алтернативни теории и техният принос

Има много различни теоретични предложения, които служат като алтернативи или разширения на основната физика: теория на струните, суперсиметрия, гравитация на Гаус-Боне, Големи обединени теории и много други. Много хора преждевременно отхвърлят всички такива алтернативни изследвания.

Въпреки това, огромен напредък е направен просто чрез ограничаване и изключване на много такива алтернативи и разширения чрез експерименти и наблюдения, базирани на данни. Този напредък е недооценен, но представлява огромно постижение, когато се случи.

Три пречки за нова теория

За да замени съществуващата теория, всяка нова теория трябва да преодолее три основни пречки:

Първо, новата теория трябва да възпроизведе всички успехи на съществуващата, водеща теория. Това означава, че всяка една от промените или разширенията, които новата теория прави в сравнение със старата теория, не трябва да влиза в конфликт с никакъв аспект от пълния набор от данни.

Второ, новата теория също трябва успешно да обясни поне едно вече наблюдавано явление или да реши поне един все още нерешен проблем, който старата теория не може успешно да обясни.

Трето, новата теория трябва да направи нови, тестируеми предвиждания, които се различават по някакъв измерим, наблюдаем и тестируем начин от предвижданията на преобладаващата теория.

Примери за тестване на теории

Опитите за решаване на загадката на асиметрията материя-антиматерия, например, бяха една от основните мотивации за разглеждането на Големите обединени теории. Това беше страхотна идея, не защото е вярна, а защото идеята можеше да бъде тествана.

Едно последствие от великото обединение е, че то изисква съществуването на нови, свръхтежки частици. Това позволява взаимодействия, нарушаващи барионното и лептонното число, което е чудесно за преодоляване на втората пречка: предоставя потенциално обяснение за досега необяснено явление.

Истинският тест обаче идва с третата стъпка: ново предвиждане. То беше просто и дълбоко: самият протон трябва да е фундаментално нестабилен. Например, ако сценарият за обединение Georgi-Glashow SU(5) беше правилен, протонът трябва да се разпада със среден живот от около 10³⁰ години.

В момента, въз основа на всички големи детектори, които сме изградили, все още не сме наблюдавали разпад на протона, което ни позволява да установим долни граници на живота на протона, които са около 10 000 пъти по-дълги от очакваното време на разпад – животът на протона е поне ~10³⁴ години. В резултат на това можем да изключим оригиналния модел на великото обединение Georgi-Glashow.

Стойността на изключването на теории

Много хора насочват пръст към редица теории и теоретици и твърдят, че са загуба на време, енергия и мозъчни клетки. Но това е напълно неоправдано. Можете да критикувате хората за привързаността им към идея, след като вече е била изключена от данните, но да твърдите, че целта на теоретичната физика е да извлече как е устроена Вселената, пропуска същността на това какво всъщност е физиката в основата си: експериментална наука, а не теоретично начинание.

Една от най-важните неща, които един теоретик може да направи, е да трансформира общата рамка на нова идея или разширение в измерими, тестируеми предвиждания, които могат да бъдат търсени експериментално или чрез наблюдение.

Златна ера на данните

От LIGO до LHC, от експерименти за детекция на неутрино до обсерватории за космически лъчи, и от Телескопа на хоризонта на събитията до JWST, живеем в златна ера на висококачествени данни, способни да тестват алтернативни теории и възможни разширения на Стандартния модел като никога досега.

Всяка стъпка, която предприемаме напред, може да ни помогне да определим не само как се държи природата, но и как не се държи. Това е огромен успех! Не всеки го оценява, разбира се, но вероятно това е най-важният клас постижения – след революционно откритие, което потвърждава нова теория – което се случва във фундаменталната физика днес.

Истината е, че не знаем, докато не погледнем, а да знаем какво трябва да търсим, както и къде да търсим и как да го търсим, е невероятна част от историята.