What do we really know about our universe?
nascido de uma explosão cósmica 13,8 bilhões de anos atrás, o universo rapidamente inflado e então esfriado, ele ainda está se expandindo a uma taxa crescente e principalmente composto de matéria escura desconhecida e energia escura … certo?,
esta história bem conhecida é geralmente tomada como um fato científico auto-evidente, apesar da relativa falta de evidência empírica-e apesar de uma colheita constante de discrepâncias surgindo com observações do universo distante.
nos últimos meses, novas medições da constante de Hubble, a taxa de expansão universal, sugeriram grandes diferenças entre dois métodos de cálculo independentes., Discrepâncias na taxa de expansão têm implicações enormes não apenas para o cálculo, mas para a validade do modelo padrão atual da cosmologia nas escalas extremas do cosmos.
outra sonda recente encontrou galáxias inconsistentes com a teoria da matéria escura, que postula que esta substância hipotética esteja em toda parte. Mas de acordo com as últimas medições, não é, sugerindo que a teoria precisa ser reexaminada.
talvez valha a pena parar para perguntar Por que os astrofísicos supõem que a matéria negra esteja em todo o universo., A resposta está em uma característica peculiar da física cosmológica que não é frequentemente comentada. Uma função crucial de teorias como a matéria escura, a energia escura e a inflação—cada uma à sua maneira ligada ao paradigma do big bang—não é descrever fenômenos empíricos conhecidos, mas sim manter a coerência matemática do próprio quadro, enquanto contabiliza observações discrepantes. Fundamentalmente, são nomes para algo que deve existir na medida em que o quadro é assumido como universalmente válido.,
cada nova discrepância entre observação e teoria pode, é claro, por si só, ser considerada uma promessa emocionante de mais pesquisa, um refinamento progressivo em direção à verdade. Mas quando eles somam, eles também podem sugerir um problema mais confuso que não é resolvido através de ajustes de parâmetros ou adicionando novas variáveis.
considere o contexto do problema e sua história. Como uma ciência matematicamente orientada, a física cosmológica é geralmente considerada extremamente precisa., Mas o cosmos é diferente de qualquer assunto científico na terra. Uma teoria de todo o universo, baseada na nossa pequena vizinhança como a única amostra conhecida, requer muitas suposições simplificadoras. Quando essas suposições são multiplicadas e esticadas através de grandes distâncias, o potencial de erro aumenta, e isso é ainda mais agravado por nossos meios muito limitados de teste.
historicamente, as leis físicas de Newton criaram uma estrutura teórica que trabalhou para o nosso próprio sistema solar com notável precisão., Tanto Urano quanto Netuno, por exemplo, foram descobertos através de previsões baseadas no modelo de Newton. Mas à medida que as escalas cresciam, a sua validade foi limitada. A estrutura da relatividade geral de Einstein forneceu um alcance alargado e mais preciso para além dos limites mais longínquos da nossa própria galáxia. Mas até onde poderia ir?,
O big bang paradigma que surgiu em meados do século 20, efetivamente, estende-se o modelo da validade, a uma espécie de infinito, definido como o limite do raio do universo (calculado em 46 bilhões de anos-luz), ou em termos do começo dos tempos. Este trecho gigante é baseado em algumas descobertas concretas, como a observação de Edwin Hubble de que o universo parece estar se expandindo (em 1929) e a detecção da radiação de fundo de microondas (em 1964)., Mas, considerando a escala envolvida, estas observações limitadas tiveram uma grande influência na teoria cosmológica.
é, claro, inteiramente plausível que a validade da relatividade geral se decompõe muito mais perto de nossa própria casa do que na borda do hipotético fim do universo., E se fosse esse o caso, o edifício teórico multibilionário do paradigma do big bang acabaria por ser uma mistura confusa de bestas fictícias inventadas para defender o modelo, juntamente com variáveis empiricamente válidas mutuamente dependentes um do outro, a ponto de tornar impossível separar a Ciência da ficção.
somando este problema, a maioria das observações do universo ocorrem experimentalmente e indiretamente., Os telescópios espaciais de hoje não fornecem uma visão direta de nada-eles produzem medições através de uma interação de previsões teóricas e parâmetros flexíveis, em que o modelo está envolvido a cada passo do caminho. O framework literalmente moldura o problema; ele determina onde e como observar. E assim, apesar das tecnologias e métodos avançados envolvidos, as profundas limitações ao empreendimento também aumentam o risco de ser desviado pelo tipo de suposições que não podem ser calculadas.,
Depois de passar muitos anos pesquisando os fundamentos da física cosmológica a partir de uma filosofia da ciência perspectiva, eu não tenho sido surpreendido ao ouvir alguns cientistas falando abertamente sobre a crise na cosmologia. No grande” debate sobre a inflação ” em Scientific American há alguns anos, uma peça chave do paradigma do big bang foi criticada por um dos proponentes originais da teoria por se ter tornado indefensável como teoria científica.
porquê?, Porque a teoria da inflação se baseia em contrivances ad hoc para acomodar quase todos os dados, e porque seu campo físico proposto não é baseado em nada com justificação empírica. Isto é provavelmente porque uma função crucial da inflação é fazer a ponte entre a transição de um big bang desconhecido para uma física que podemos reconhecer hoje. Então, é ciência ou uma invenção conveniente?
alguns astrofísicos, como Michael J. Disney, criticaram o paradigma do big bang por sua falta de certezas demonstradas., Em sua análise, o quadro teórico tem muito menos certas observações do que parâmetros livres para ajustá—las-um chamado “significado negativo” que seria um sinal alarmante para qualquer ciência. Como a Disney escreve no American Scientist: “um céptico tem o direito de sentir que um significado negativo, depois de tanto tempo, esforço e aparamento, não é nada mais do que se esperaria de um conto folclórico constantemente reeditado para caber novas observações inconvenientes.”
As I discuss in my new book, Metaphysical Experiments, there is a deeper history behind the current problems., A própria hipótese do big bang surgiu originalmente como uma consequência indireta da relatividade geral em processo de remodelação. Einstein tinha feito uma suposição fundamental sobre o universo, que ele era estático tanto no espaço quanto no tempo, e para fazer suas equações somarem-se, ele adicionou uma “constante cosmológica”, para a qual ele livremente admitiu que não havia nenhuma justificação física.,
Mas quando o Hubble observou que o universo estava se expandindo e Einstein solução não parecia fazer sentido, alguns matemáticos, os físicos tentaram mudar um pressuposto fundamental do modelo: a de que o universo foi a mesma em todas as direções espaciais, mas variante no tempo. Não insignificantemente, esta teoria veio com um lado muito promissor: uma possível fusão entre cosmologia e física nuclear. Será que o corajoso novo modelo do átomo também pode explicar o nosso universo?,
Desde o início, a teoria só falou para o período imediato explicitamente um hipotético evento, cuja função principal era como uma condição limite, o ponto em que a teoria se rompe. A teoria do Big bang não diz nada sobre o big bang; é antes uma possível premissa hipotética para resolver a relatividade geral.
No topo desta undemonstrable mas muito produtivo hipótese, andar sobre andar, foi adicionado intacto, com muito estendido escalas e novas discrepâncias., Para explicar observações de galáxias inconsistentes com a relatividade geral, a existência de matéria escura foi apresentada como uma forma desconhecida e invisível de matéria calculada para constituir mais de um quarto de todo o conteúdo de massa-energia no universo—assumindo, é claro, que a estrutura é universalmente válida. Em 1998, quando um conjunto de medições de supernovas de galáxias em aceleração parecia estar em desacordo com a estrutura, uma nova teoria surgiu de uma força misteriosa chamada energia escura, calculada para preencher cerca de 70 por cento da massa-energia do universo.,
o ponto crucial do paradigma cosmológico de hoje é que, a fim de manter uma teoria matematicamente unificada válida para todo o universo, devemos aceitar que 95% do nosso cosmos é fornecido por elementos e forças completamente desconhecidos para as quais não temos nenhuma evidência empírica. Para um cientista ter confiança neste quadro requer uma fé excepcional no poder da Unificação matemática.
no final, o enigma da cosmologia é a sua confiança no framework como um pressuposto necessário para a realização de pesquisas., Por falta de uma alternativa clara, como a Astrofísica Disney também observa, está em um sentido preso ao paradigma. Parece mais pragmático adicionar novos pisos teóricos do que repensar os fundamentos.
Contrary to the scientific ideal of getting progressively closer to the truth, it looks rather like cosmology, to borrow a term from technology studies, has become path-dependent: overdetermined by the implications of its past inventions.,
This article is based on edited excerpts from the book Metaphysical Experiments: Physics and the Invention of the Universe, published by University of Minnesota Press.