Хотите предсказать будущее?

13.07.2018

Это не просто теория, это лучший способ понять всё, что существует в этом мире.

«Физик похож на человека, который смотрит на людей, играющих в шахматы, и после просмотра нескольких игр, он, возможно, понимает, как передвигаются все фигуры в игре. Но понимание правил — всего лишь первые простые шаги на длинном пути от новичка к великому мастеру. Поэтому, даже если мы поймем все законы физики, то изучение их последствий в повседневном мире, где могут существовать сложные структуры, является гораздо более сложной задачей, и я уверен, что она неисчерпаема». 
 — Мартин Рис (Martin Rees)

В 1993 году, как только космический телескоп «Хаббл» был отремонтирован, восстановлен и модернизирован, он наконец-то сделал невероятные изображения, для которых и был разработан. От планет к звездам, туманностям и галактикам, наконец, самые глубокие тайны Вселенной открылись благодаря нашей новой наблюдательной способности.

Тем не менее была великая граница, которая, как прогнозировалось, существовала, но ее никогда не изучали: глубокая, далекая Вселенная за пределами того, что когда-либо видел какой-либо телескоп. Было очень амбициозное предложение попытаться в течение нескольких дней рассмотреть совершенно пустой участок неба , не имеющий известных звезд, галактик или какой-то материи в нем. Своим противоречивым решением директор телескопа предоставил 11 дней наблюдения за этим участком в декабре 1995 года. В результате, открытое «Глубокое Поле Хаббла» (Hubble Deep Field) изменило наше представление о Вселенной.

Оригинальное «Глубокое поле Хаббла», в котором обнаружены тысячи новых галактик в бездне глубокого космоса. Изображение: R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA.
Оригинальное «Глубокое поле Хаббла», в котором обнаружены тысячи новых галактик в бездне глубокого космоса. Изображение: R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA.

Хотя многие астрономы опасались, что это будет полная трата ценного времени наблюдения телескопа, и что на этом изображении ничего не появится, теоретики-астрофизики знали, что эти объекты должны быть там. Они знали, как много их там будет, насколько они должны быть яркими, и сколько из них отобразятся на фото с учетом оптической мощности «Хаббла». Когда все было сказано и сделано, на этом уже ставшим классическим изображении появилось более 3000 галактик, подтверждающих и удостоверяющих нашу картину Вселенной. Большой взрыв, общая теория относительности, формирование крупномасштабной структуры и история звездообразования Вселенной были в согласии с тем, что увидели на этом фото.

Насколько человечество когда-либо видело во Вселенной, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, мы все еще знаем, что самые первые звезды и галактики должны были существовать до этого. Наша картина Большого Взрыва, Общая Теория Относительности, источники формирования структуры, и многое другое, все формирует последовательную картину, которая говорит нам, что мы еще не в начале. Изображение: NASA, ESA, and A. Feild (STScI).
Насколько человечество когда-либо видело во Вселенной, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, мы все еще знаем, что самые первые звезды и галактики должны были существовать до этого. Наша картина Большого Взрыва, Общая Теория Относительности, источники формирования структуры, и многое другое, все формирует последовательную картину, которая говорит нам, что мы еще не в начале. Изображение: NASA, ESA, and A. Feild (STScI).

Это не было неожиданностью! И это не было интуицией, удачей или просто совпадением. Благодаря некоторым очень качественным теоретическим работам мы точно знали, что должны были видеть, прежде чем увидели. Это величайшая сила теоретической науки: предсказать, что мы должны видеть, с чем сталкиваться или испытывать в совершенно незнакомых ситуациях. Причина, по которой мы можем сделать это успешно, когда все другие пути потерпели неудачу, заключается в том, что научная база была тщательно создана благодаря работе предыдущих поколений ученых.

Если вы окажетесь в новой ситуации, в которой, возможно, вы никогда раньше не были, вы будете не в полной темноте. До тех пор, пока основные законы, управляющие Вселенной, будут с вами, и пока вы сможете определить соответствующие силы, играющие важную роль в вашей системе, у вас есть возможность успешно пройти через подводные камни и понять, как система будет себя вести. Когда мы впервые обнаружили слияние черных дыр, это были наши знания об общей теории относительности и наше понимание того, как должны вести себя внушительные массы материи. Это привело к тому, что мы успешно предсказали, как будет выглядеть сигнал гравитационной волны, хотя мы никогда раньше этого не видели.

Иллюстрация слияния двух черных дыр с массой, сопоставимой с тем, что видел LIGO. Несмотря на то, что гравитационные волны были предсказаны почти столетие назад, и теоретически предполагалось слияние черных дыр, для того, чтобы получить достаточно сильный сигнал гравитационной волны, который человечество могло бы впервые обнаружить, первоначально мы полностью полагались на теоретическую работу по моделированию этого сигнала. Изображение: SXS, проект Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).
Иллюстрация слияния двух черных дыр с массой, сопоставимой с тем, что видел LIGO. Несмотря на то, что гравитационные волны были предсказаны почти столетие назад, и теоретически предполагалось слияние черных дыр, для того, чтобы получить достаточно сильный сигнал гравитационной волны, который человечество могло бы впервые обнаружить, первоначально мы полностью полагались на теоретическую работу по моделированию этого сигнала. Изображение: SXS, проект Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Когда мы сталкиваем высокоэнергетические частицы при никогда ранее не достигавшихся энергиях, мы точно знаем, какими должны быть поперечные сечения, амплитуды рассеяния, разветвления и продукты распада всего того, что возникает при столкновении. Если есть отклонения, это свидетельствует о новой физике, дополнительных частицах или о расширении стандартной модели. Причина, по которой мы можем проводить такие сложные научные эксперименты и так много узнавать о Вселенной на Большом Адронном Коллайдерене просто в том, что мы сталкиваем частицы при таких невероятно высоких энергиях; это потому, что мы понимаем физику, управляющую этими частицами и их взаимодействием при самых разных энергиях, и можем экстраполировать в неизвестный режим. Когда появляется что-то новое, мы к этому готовы.

Это относится не только к физике, но и к любой научной ситуации. Если вы можете правильно определить важные законы и правила, которые управляют вашей системой, и правильно спроектировать исходные условия, вы должны быть в состоянии предсказать, как ваша система будет вести себя в любой ситуации, с которой вы можете столкнуться, даже если это ситуация, с которой вы никогда ранее не сталкивались. Это относится к химии, биологии, науке об атмосфере, геологии и многим другим отраслям физической, бытовой и (иногда) даже социальной науки. Только тогда, когда важный, релевантный эффект остается вне вашей теоретической модели, ваши прогнозы не согласуются с тем, что на самом деле происходит.

Теоретические прогнозы часто терпят неудачу только тогда, когда они основаны на ложных предположениях. Так, вслед за начавшимся финансовым кризисом 2008 года глава ФРС США Алан Гринспен(Alan Greenspan) прокомментировал свой неудавшийся прогноз: «Я допустил ошибку, полагая, что корыстные интересы организаций, в частности банков и других, были таковы, что они были наилучшим образом способны защитить своих акционеров и свой капитал в фирмах».

Алан Гринспен (Alan Greenspan). Фото Mark Wilson/Getty Images.
Алан Гринспен (Alan Greenspan). Фото Mark Wilson/Getty Images.

В науке, как и во многом другом, незнание всего не означает, что нет ничего правильного в том, что мы уже знаем. Вместо этого, неспособность теории точно предсказать, что произойдет в той или иной ситуации, часто является предзнаменованием продвижения нашего понимания, что дверь открыта для создания лучшей модели в будущем. То, что мы уже знаем, является важным, существенным и обеспечивает основу для прогнозирования того, что будет дальше. Если вы хотите знать, что произойдет в будущем, то посмотрите на предсказания наших лучших научных теорий, которые задолго открыли удачные и самые успешные пути человечества. Это внушает оптимизм.