Что на самом деле говорят нам неожиданные результаты экспериментов?

Научные сюрпризы, возникающие в ходе экспериментов, часто двигают науку вперед. Но еще чаще они оказываются просто некачественной наукой.

Для ученого получение неожиданного результата может быть палкой о двух концах. Лучшие современные теории могут подсказать, какие данные вы должны получить, задавая природе вопросы о ней самой. Но только сопоставляя предсказания с реальными научными исследованиями – экспериментами, измерениями и наблюдениями – вы можете проверить эти теории. Чаще всего результаты согласуются с предсказаниями ведущих теорий; в конце концов, именно поэтому они и стали ведущими. Тем не менее, важно продолжать раздвигать границы даже самых устоявшихся теорий в новых и непроверенных областях. Ведь если когда-нибудь произойдет новый научный прорыв, первые его признаки появятся именно в тех экспериментах и наблюдениях, которым природа никогда раньше не подвергалась.

Вот почему так захватывающе, когда время от времени ученые получают результат, противоречащий нашим теоретическим ожиданиям. Как правило, когда это происходит в физике, большинство людей по умолчанию склоняются к самым скептическим объяснениям: что проблема в эксперименте, данных или анализе. Обычно предполагается, что это либо:

• непреднамеренная ошибка,
• самообман,
• откровенный случай преднамеренного мошенничества.

Но возможно и нечто фантастическое: мы видим первые признаки чего-то нового и неожиданного во Вселенной. Важно оставаться одновременно скептиком и человеком с открытым разумом, как ясно показывают эти пять примеров из истории науки.

История 1: На дворе 1880-е годы, и ученые измерили скорость света с очень хорошей точностью: около 299 800 км/с, погрешность составила около 0,005%. Этой точности достаточно, чтобы определить, когда и движется ли свет вместе с Землей, против нее или под углом к ее движению вокруг Солнца (со скоростью 30 км/с), если предположить, что свет распространяется через неподвижное и неизменное пространство.

Эксперимент Майкельсона-Морли был разработан именно для этой проверки. Ожидалось, что свет будет проходить через пространство – тогда известное как эфир – с разной скоростью в зависимости от направления движения Земли относительно аппарата. Однако когда эксперимент был проведен, он везде показал одинаковые результаты: скорость света оказывалась постоянной во всех направлениях и в любое время. Эта постоянность наблюдалась независимо от таких факторов, как ориентация аппарата или в какой момент орбиты Земли проводились измерения. Это был неожиданный результат, противоречащий ведущей теории того времени, но эксперимент был выполнен настолько безупречно, что результаты оказались крайне убедительными для более широкого сообщества физиков, исследующих природу на фундаментальном уровне.

История 2: Конец 1920-х годов, и ученые открыли три типа радиоактивного распада: альфа-, бета- и гамма-распад. При альфа-распаде нестабильное атомное ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия-4), причем полная энергия и импульс обеих “дочерних” частиц, по-видимому, сохраняются и равны энергии и импульсу “родительской” частицы. При гамма-распаде нестабильное атомное ядро испускает гамма-частицу (фотон), причем энергия и импульс также сохраняются при переходе от начального к конечному состоянию. Было замечено, что сохранение энергии и импульса справедливо и для всех нераспадающихся частиц и реакций; они казались незыблемыми законами природы.

Однако затем появился бета-распад. В процессе бета-распада атомное ядро испускает бета-частицу (электрон), превращаясь в другой элемент периодической таблицы: на один элемент выше. Однако при бета-распаде общая энергия двух наблюдаемых дочерних частиц (испущенного электрона и нового ядра) оказывается меньше, чем у родительской частицы (старого ядра), а импульс в этом процессе больше не сохраняется. Ожидалось, что энергия и импульс – это две величины, которые всегда должны сохраняться при взаимодействии частиц, поэтому наблюдение реакции, в которой теряется энергия и появляется чистый импульс из ниоткуда, нарушает оба этих правила, что никогда не наблюдалось ни в какой другой реакции, столкновении или распаде частиц.

История 3: Конец 1990-х годов, и ученые усердно работают над точным измерением расширения Вселенной. Не только чтобы ответить на вопрос: “Как быстро Вселенная расширяется сегодня?”, но и чтобы ответить на дополнительный вопрос: “Как скорость расширения Вселенной менялась на протяжении ее истории?” Теоретически – и это было известно с 1920-х годов – если бы вы могли ответить на оба эти вопроса, вы смогли бы точно определить, какие различные типы материи и энергии существовали во Вселенной и какова была их плотность энергии в каждый момент космической истории.

Комбинация наземных наблюдений и космических (включая тогда относительно новый космический телескоп Хаббла) использовала все типы индикаторов расстояния для измерения двух ключевых параметров:

1. постоянной Хаббла (скорости расширения сегодня), и
2. параметра замедления (как гравитация замедляет расширение Вселенной).

После нескольких лет тщательных измерений яркости и красного смещения многих различных сверхновых типа Ia на больших расстояниях, две команды ученых предварительно опубликовали свои результаты. На основе своих данных они пришли к одному и тому же выводу: “параметр замедления” на самом деле отрицательный; вместо того, чтобы гравитация замедляла расширение Вселенной, более далекие галактики, похоже, ускоряют свои кажущиеся скорости удаления с течением времени. Во Вселенной, состоящей из обычной материи, темной материи, излучения, нейтрино и пространственной кривизны, этот эффект теоретически невозможен; либо что-то было не так с этими данными или с тем, как их интерпретировали, либо во Вселенной должна существовать какая-то экзотическая форма энергии.

История 4: 2011 год, и Большой адронный коллайдер работает совсем недолго. После первоначального запуска в 2008 году утечка в системе жидкого гелия вызвала обширные повреждения машины, потребовавшие годы ремонта. Теперь, когда в коллайдере циркулируют пучки быстро движущихся протонов на невероятных скоростях, всего на 3 м/с ниже скорости света, готовы появиться первые научные результаты. Проводится ряд экспериментов, использующих эти энергичные частицы для измерения различных аспектов Вселенной. Некоторые из них включают столкновения частиц, движущихся в одном направлении, с частицами, движущимися с такой же скоростью в противоположном направлении; другие включают эксперименты с “фиксированной мишенью”, где быстро движущиеся частицы сталкиваются с неподвижными.

В последнем случае огромное количество частиц производится, двигаясь в одном общем направлении: это называется ливнем частиц. Эти так называемые “дочерние частицы” продолжают двигаться с околосветовыми скоростями в том же направлении, что и исходные протоны. Некоторые из этих дочерних частиц быстро распадаются, производя при этом нейтрино. Один эксперимент успешно измеряет эти нейтрино из локации, находящейся в сотнях километров, и приходит к ошеломляющему выводу: частицы прибывают на десятки наносекунд раньше предсказанного времени прибытия. Если все частицы, включая нейтрино, ограничены скоростью света, это “раннее время прибытия” должно быть теоретически невозможным.

История 5: 2019 год, и недавно открытый эксперимент Xenon1T в Италии пытается обнаружить темную материю. Эксперимент использует огромный резервуар с жидким ксеноном глубоко под землей, где он защищен от космических лучей и других источников помех. Идея заключается в том, что если частица темной материи столкнется с ядром ксенона, это вызовет небольшую вспышку света, которую можно обнаружить. После нескольких лет работы ученые сообщают о неожиданном избытке событий. Хотя этот избыток недостаточно велик, чтобы объявить об открытии, он вызывает волнение в научном сообществе. Могло ли это быть первым намеком на существование частиц тёмной материи? Или, возможно, это указывает на новый тип нейтрино, известный как “солнечное аксионное нейтрино”? Или это просто неучтенный фоновый шум?

Пять историй иллюстрируют сложность интерпретации неожиданных научных результатов. В каждом случае ученые столкнулись с данными, которые, казалось, противоречили установленным теориям. Но что эти результаты на самом деле говорят нам?

1. Эксперимент Майкельсона-Морли: Этот неожиданный результат в конечном итоге привел к развитию специальной теории относительности Эйнштейна, полностью изменив наше понимание пространства и времени.
2. Загадка бета-распада: Эта проблема была решена предложением Вольфганга Паули о существовании нейтрино – частицы, которая позже была экспериментально обнаружена и объяснила кажущееся нарушение сохранения энергии и импульса.
3. Ускоренное расширение Вселенной: Этот неожиданный результат привел к революционной концепции темной энергии, за которую была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года.
4. “Сверхсветовые” нейтрино: Этот результат оказался ошибочным из-за неправильной калибровки оборудования. После тщательной проверки и повторных измерений ошибка была обнаружена и исправлена.
5. Избыток событий в Xenon1T: Пока что этот результат остается загадкой. Ученые продолжают собирать больше данных и улучшать свои модели, чтобы определить, является ли это признаком новой физики или просто статистической флуктуацией.

Эти истории показывают, что неожиданные результаты могут вести к революционным открытиям, но они также могут быть результатом ошибок или неучтенных эффектов. Ключ к прогрессу в науке – это тщательная проверка, повторение экспериментов и открытость к новым идеям, сохраняя при этом здоровый скептицизм.

В конечном счете, неожиданные результаты экспериментов говорят нам, что наше понимание природы всегда неполно. Они напоминают нам о важности постоянного исследования, проверки наших предположений и готовности пересмотреть даже самые фундаментальные теории перед лицом новых доказательств. Именно этот процесс постоянного исследования и пересмотра делает науку таким мощным инструментом для понимания мира вокруг нас.

Эти истории также иллюстрируют разные пути, по которым может пойти наука после неожиданного результата:

• Подтверждение и революция: Как в случае с экспериментом Майкельсона-Морли и ускоренным расширением Вселенной, где неожиданные результаты были подтверждены и привели к фундаментальным изменениям в нашем понимании.
• Разрешение загадки: Как в случае с бета-распадом, где кажущееся нарушение законов сохранения было объяснено новой частицей.
• Исправление ошибки: Как в случае с “сверхсветовыми” нейтрино, где тщательная проверка выявила проблему в измерениях.
• Продолжающееся исследование: Как в случае с экспериментом Xenon1T, где неожиданный результат все еще изучается и интерпретируется.

Наука – это динамичный, самокорректирующийся процесс. Неожиданные результаты – это не проблема для науки, а ее движущая сила. Они заставляют ученых пересматривать свои предположения, разрабатывать новые теории и проводить новые эксперименты. Именно через этот процесс постоянного исследования, проверки и переосмысления наука продвигается вперед, постоянно углубляя и расширяя наше понимание Вселенной.

Читайте также: Экспериментальная метафизика: на стыке науки и философии