Наше понимание вселенной изменится в ближайшие 30 лет

«В физике сейчас нет ничего нового, что можно было бы открыть. Все, что остается, — это все более и более точное измерение».

Эта цитата ошибочно приписывается лорду Кельвину с 1980-х годов, с указанием того, что это было сделано в обращении к Британской ассоциации содействия развитию науки в 1900 году.

Нет никаких доказательств того, что Кельвин сказал это, и вместо этого цитата является перефразировкой Альберта А. Майкельсона, который в 1894 году заявил: «… кажется вероятным, что большинство основополагающих принципов были твердо установлены…» Выдающийся физик отметил, что будущие истины физической науки следует искать на шестом месте после десятичного знака.

Однако он ошибался. Следующий век полностью перевернул физику с ног на голову. Огромное количество теоретических и экспериментальных открытий изменило наше понимание вселенной и нашего места в ней.

Не ожидайте, что XXI век будет другим. У вселенной есть много загадок, которые еще предстоит раскрыть, и новые технологии помогут нам решить их в течение следующих нескольких десятилетий.

Первое касается основ нашего существования. Физика предсказывает, что Большой взрыв произвел равное количество вещества, из которого все состоит, и того, что называется антивеществом.

Большинство частиц материи имеют свой двойник антивещества, идентичный, но с противоположным электрическим зарядом. Когда они встречаются, они уничтожают друг друга, и вся их энергия превращается в свет.

Но сегодня Вселенная почти полностью состоит из материи. Так куда же делась вся антиматерия?

Большой адронный коллайдер (БАК) предложил некоторое понимание этого вопроса. Он сталкивает протоны с невообразимой скоростью, создавая тяжелые частицы вещества и антивещества, которые распадаются на более легкие частицы, некоторые из которых никогда раньше не видели.

БАК показал, что вещество и антивещество распадаются с разной скоростью. Это частично — но далеко не все — способ объяснить, почему мы видим асимметрию в природе.

Проблема в том, что поскольку протоны состоят из более мелких частиц, при столкновении их внутренности распыляются повсюду, что затрудняет обнаружение новых частиц среди мусора. Это затрудняет точное измерение их свойств, чтобы понять, почему так много антиматерии исчезло.

Три новых коллайдера изменят игру в ближайшие десятилетия. Главным среди них является Future Circular Collider (FCC) — 100-километровый туннель, окружающий Женеву, который будет использовать 27-километровый LHC в качестве основы. Вместо протонов коллайдеры будут сбивать вместе электроны и их античастицы, позитроны, на гораздо более высоких энергиях, чем мог бы достичь БАК.

В отличие от протонов, электроны и позитроны неделимы — поэтому мы точно будем знать, с чем сталкиваемся. Мы также сможем варьировать энергию, при которой они сталкиваются, для производства конкретных частиц антивещества и более точно измерять их свойства — особенно то, как они распадаются.

Эти исследования могут открыть совершенно новую физику. Одна возможность состоит в том, что исчезновение антивещества может быть связано с существованием темной материи — до сих пор не обнаруживаемых частиц, которые составляют колоссальные 85% массы во вселенной.

Отсутствие антивещества и преобладание темной материи, вероятно, связано с условиями, существовавшими во время Большого взрыва, поэтому эти эксперименты исследуют истоки нашего существования.

Невозможно предсказать, как пока еще скрытые открытия из экспериментов на коллайдерах изменят нашу жизнь. Но в последний раз, когда мы смотрели на мир через более мощное увеличительное стекло, мы обнаружили субатомные частицы и мир квантовой механики, который мы в настоящее время используем, чтобы революционизировать вычисления, медицину и производство энергии.

Столько же еще предстоит открыть в космическом пространстве — и в первую очередь ответить на вековой вопрос о том, одиноки ли мы во вселенной. Несмотря на недавнее открытие жидкой воды на Марсе, пока нет никаких признаков там микробной жизни.

Поиски жизни на планетах в других звездных системах пока не принесли результатов. Но космический телескоп Джеймса Уэбба, который будет запущен в 2021 году, произведет революцию в способе обнаружения обитаемых экзопланет.

В отличие от предыдущих телескопов, которые измеряют провал в свете звезды при прохождении планеты перед ней, Джеймс Уэбб будет использовать инструмент под названием коронограф, чтобы заблокировать свет от звезды, входящей в телескоп.

Это работает почти так же, как использование вашей руки, чтобы предотвратить попадание солнечного света в ваши глаза. Техника позволит телескопу непосредственно наблюдать маленькие планеты, которые обычно не видны из-за яркого сияния звезды-хозяина.

Телескоп Джеймса Уэбба не только сможет обнаруживать новые планеты, но также сможет определить, способны ли они поддерживать жизнь. Когда свет от звезды достигает атмосферы планеты, определенные длины волн поглощаются, оставляя пробелы в отраженном спектре. Подобно штрих-коду, эти пробелы обеспечивают подпись для атомов и молекул, из которых состоит атмосфера планеты.

Телескоп сможет прочитать эти «штрих-коды», чтобы определить, есть ли в атмосфере планеты необходимые условия для жизни. Через 50 лет у нас могут быть цели для будущих межзвездных космических полетов, чтобы определить, что или кто может там жить.

Ближе к дому, спутник Юпитера, Европа, была идентифицирована как место в нашей собственной солнечной системе, которая может содержать жизнь. Несмотря на низкую температуру на поверхности (до -200°C), подледный океан делает Европу возможным местом обитания для микробов или даже морских животных.

Новая миссия под названием Europa Clipper, запуск которой запланирован на 2025 год, подтвердит наличие подледного океана и определит подходящую посадочную площадку для последующей миссии.

Она также будет наблюдать струи жидкой воды, выпущенные с ледяной поверхности планеты, чтобы увидеть, присутствуют ли какие-либо органические молекулы.

Другая миссия, под названием «Стрекоза» будет запущена в 2026 году и прибудет на Титан, спутник Сатурна, в 2034 году. Она будет изучать десятки перспективных мест на Титане в поисках пребиотических химических процессов, распространенных как на Титане, так и на Земле. Стрекоза посетит мир, наполненный разнообразными органическими соединениями, которые являются строительными блоками жизни и может рассказать нам о происхождении самой жизни.

Вселенная все еще хранит множество загадок о себе и нашем месте в ней. Она не будет легко раскрывать свои секреты, но есть вероятность, что через 30 лет вселенная будет выглядеть несколько иначе.