[Перевод] Спросите Итана №113: готовы ли учёные поставить на кон свою жизнь ради теории?

Среди обязанностей эксперта, надеющегося передать человечеству свою страсть и свои познания в конкретной области, существует необходимость диалога с разнообразной аудиторией. Иногда это разнообразие порождает проблемы для самой аудитории. Среди вопросов и предложений я нашёл следующий запрос от Криса Шоу:

Если кто-нибудь спросит вас, и вам нужно будет отвечать начистоту, скажете ли вы, что расширение вселенной от горячего плотного состояния – это не просто теория, а реальный факт? Если бы вам нужно было поставить на кон свою жизнь, что бы вы сказали?

В этом вопросе кроется много важных нюансов, так что начнём с одного из них: с Большого взрыва.

В отличие от того, что вы, возможно, слышали, теория Большого взрыва не постулирует обязательного наличия сингулярности, с которой началась Вселенная. Она говорит, что Вселенная начала существование с горячего, плотного и расширяющегося состояния, и с тех пор охлаждается. Роль в построении этой теории сыграло одно ключевое наблюдение и одна теоретическая разработка:

• Было замечено, что спиральные туманности, в которых в 1920-х годах были распознаны отдельные галактики, двигаются от нас с огромными скоростями, и что чем дальше они от нас находятся, тем быстрее в среднем они двигаются от нас.
• Примерно в то же время было обнаружено, что общая теория относительности Эйнштейна, проверенная в 1919 году наблюдением искривления звёздного света гравитацией во время полного солнечного затмения, запрещает существование статичной Вселенной, и что ткань пространства обязательно должна либо расширяться, либо сжиматься со временем.

Сопоставив наблюдение с предсказанием лучшей, наиболее успешной теории, учёные сделали неизбежный вывод: ткань Вселенной расширяется, и причина видимого убегания галактик в том, что свет от удалённых источников растягивается из-за расширения пространства. Большой взрыв продвинул теорию на следующий уровень, объявив, что расширяющуюся Вселенную можно экстраполировать назад во времени, до горячего, плотного и расширяющегося состояния.

Но эта комбинация сама по себе не делает Большой взрыв обязательным. Он был всего лишь одной из многих гипотез, вышедших наружу, вместе с теорией уставшего света, моделью статичного состояния, а затем моделью плазменной космологии и электрической Вселенной. Выделилась же теория Большого взрыва такими уникальными предсказаниями:

• Вселенная когда-то была такой горячей и плотной, что в ней не могли сформироваться атомные ядра. Из этого следовало изобилие лёгких элементов в ранней Вселенной, включая дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий, и это состояние не должно было меняться до появления первых звёзд.
• Вселенная затем должна была, остывая, пройти через состояние, в котором могли формироваться нейтральные атомы, в результате чего она должна была стать прозрачной для всего присутствовавшего тогда излучения. Значит, этот свет должен быть растянут, т.е., охлаждён, расширением Вселенной, и должен оставить нам остаточное свечение Большого взрыва, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, и со спектром чёрного тела.
• Кроме того, она предсказывала Вселенную, структуры которой – звёзды, галактики, скопления – появлялись со временем во всё более сложных формах, и чем дальше в прошлое, тем менее эволюционировавшей она должна была выглядеть.

Наблюдение остаточного свечения Большого взрыва, в момент открытия в 1960-х известное, как «первобытный огненный шар», а сегодня – как реликтовое излучение, доказало модель Большого взрыва и отбросило остальные. После этого наблюдение его несовершенств, измерение температурного спектра и другие свойства полностью исключили другие альтернативы. Научная теория происхождения Вселенной, Большой взрыв, уже никуда не денется.

Это не означает, что это факт – в том смысле, что это не конечный ответ, объясняющий всё. Это один из шагов пути, успешно и недвусмысленно объясняющий много свойств Вселенной. Не существует иного объяснения, совпадающего со всеми наблюдениями. Но остались ещё вопросы, которые Большой взрыв объяснить не может:

• Откуда взялись зародыши структур – более плотные регионы, на месте которых получились звёзды, галактики, скопления?
• Почему везде во Вселенной абсолютно одинаковая температура, плотность, и все другие свойства, во всех направлениях?
• Почему пространственная кривизна Вселенной идеально ровная, а не положительная или отрицательная?
• Почему скорость расширения ведёт себя во времени именно так, а не иначе?
• Почему не осталось реликтов сверхвысоких энергий, типа магнитных монополей?
• Почему формирующиеся структуры намекают на то, что существует компонент вещества, большая часть вещества, не взаимодействующая с излучением?

Поэтому у нас есть дополнительные улучшения изначальной версии теории Большого взрыва, влючающие существование космической инфляции (предшествовавшей и приведшей к Большому взрыву), тёмной материи (чья природа пока не определена) и тёмной энергии (чьи свойства ещё только изучаются). Поэтому мы ждём новых космических открытий, объясняющих массу нейтрино, превосходство материи над антиматерией во Вселенной, и природу тёмной материи.

Смысл в том, что нам ещё нужно многое изучить, и если что-то придёт на смену Большому взрыву, оно не отменит его полностью. Ньютоновская гравитация не стала ложной после появления ОТО. У неё просто определился диапазон действия: она работает на малых скоростях и со слабыми гравитационными полями. Также и у Большого взрыва есть диапазон действия: только за последние 13,8 млрд лет, но не раньше.

Стоит отметить, что это так же верно для всех научных теорий! Теория эволюции объясняет разнообразие жизни на Земле, и механизм того, как оно появилось, но не объясняет, откуда появилась жизнь. Теория гравитации объясняет притяжение, испытываемое материей и энергией, и влияние на пространство и время, но не объясняет другие фундаментальные взаимодействия, или природу самого пространства и времени. У каждой теории есть область действия, а за её пределами должна найтись лучшая научная теория, расширяющая эту область.

Поставлю ли я на кон свою жизнь ради этой теории? В некотором смысле, уже поставил. Я изучаю её, чтобы жить. Вся наука – самоисправляющийся метод сбора данных, сравнения их с наблюдениями, и улучшений на основе открытий – и является процессом, в котором мы получаем такие знания и понимание. Моя жизнь «поставлена» на предположение, что это хороший, правильный и полезный способ изучения населяемой нами реальности. И всё же я знаю, что единственное наблюдение может перевернуть всё, что мы знаем, и все наши самые неприкосновенные выводы и теории могут быть опровергнуты, если данные будут противоречить их предсказаниям. Но они не опровергнут имеющиеся у нас знания; они просто предложат путь улучшения понимания Вселенной. И когда это случается, это приносит с собой наивысшее научное удовольствие: удовольствие открытий.