¿qué sabemos realmente sobre nuestro universo?
nacido de una explosión cósmica hace 13,8 mil millones de años, el universo se infló rápidamente y luego se enfrió, todavía se está expandiendo a un ritmo creciente y está compuesto principalmente de materia oscura desconocida y energía oscura … ¿verdad?,
esta historia bien conocida se toma generalmente como un hecho científico evidente, a pesar de la relativa falta de evidencia empírica, y a pesar de una cosecha constante de discrepancias que surgen con las observaciones del universo distante.
en los últimos meses, nuevas mediciones de la constante de Hubble, la tasa de expansión universal, sugirieron grandes diferencias entre dos métodos independientes de cálculo., Las discrepancias en la tasa de expansión tienen enormes implicaciones no solo para el cálculo, sino para la validez del modelo estándar actual de la cosmología en las escalas extremas del cosmos.
otra sonda reciente encontró galaxias inconsistentes con la teoría de la materia oscura, que postula que esta sustancia hipotética está en todas partes. Pero de acuerdo con las últimas mediciones, no lo es, lo que sugiere que la teoría necesita ser reexaminada.
quizás valga la pena detenerse a preguntar por qué los astrofísicos plantean la hipótesis de que la materia oscura está en todas partes del universo., La respuesta radica en una característica peculiar de la física cosmológica que no se comenta a menudo. Una función crucial de teorías como la materia oscura, la energía oscura y la inflación—cada una a su manera vinculada al paradigma del big bang—no es describir fenómenos empíricos conocidos, sino más bien mantener la coherencia Matemática del marco en sí, al tiempo que se tienen en cuenta las observaciones discrepantes. Fundamentalmente, son nombres de algo que debe existir en la medida en que se supone que el marco es universalmente válido.,
cada nueva discrepancia entre la observación y la teoría puede, por supuesto, en sí misma ser considerada una promesa emocionante de más investigación, un refinamiento progresivo hacia la verdad. Pero cuando se suman, también podrían sugerir un problema más confuso que no se resuelve ajustando los parámetros o agregando nuevas variables.
considere el contexto del problema y su historia. Como una ciencia matemáticamente impulsada, la física cosmológica generalmente se cree que es extremadamente precisa., Pero el cosmos es diferente a cualquier tema científico en la tierra. Una teoría del universo entero, basada en nuestro pequeño vecindario como la única muestra conocida de él, requiere muchas suposiciones simplificadoras. Cuando estas suposiciones se multiplican y se extienden a través de grandes distancias, el potencial de error aumenta, y esto se agrava aún más por nuestros muy limitados medios de prueba.
históricamente, las leyes físicas de Newton constituyeron un marco teórico que funcionó para nuestro propio sistema solar con notable precisión., Tanto Urano como Neptuno, por ejemplo, fueron descubiertos a través de predicciones basadas en el modelo de Newton. Pero a medida que las escalas crecieron, su validez resultó limitada. El marco de relatividad general de Einstein proporcionó un alcance extendido y más preciso más allá de los confines de nuestra propia galaxia. Pero ¿hasta dónde podría llegar?,
el paradigma del big bang que surgió a mediados del siglo XX extiende efectivamente la validez del modelo a una especie de infinito, definido ya sea como el límite del radio del universo (calculado en 46 mil millones de años luz), o en términos del comienzo del tiempo. Este tramo gigante se basa en algunos descubrimientos concretos, como la observación de Edwin Hubble de que el universo parece estar expandiéndose (en 1929) y la detección de la radiación de fondo de microondas (en 1964)., Pero teniendo en cuenta la escala involucrada, estas observaciones limitadas han tenido una influencia desmesurada en la teoría cosmológica.
es, por supuesto, totalmente plausible que la validez de la relatividad general se rompa mucho más cerca de nuestro propio hogar que en el borde del extremo hipotético del universo., Y si ese fuera el caso, el edificio teórico multifacético actual del paradigma del big bang resultaría ser una mezcla confusa de bestias ficticias inventadas para defender el modelo, junto con variables empíricamente válidas que dependen mutuamente hasta el punto de hacer imposible separar la ciencia de la ficción.
agravando este problema, la mayoría de las observaciones del universo ocurren experimentalmente e indirectamente., Los telescopios espaciales actuales no proporcionan una visión directa de nada-producen mediciones a través de una interacción de predicciones teóricas y parámetros flexibles, en los que el modelo está involucrado en cada paso del camino. El marco literalmente enmarca el problema; determina dónde y cómo observar. Y así, a pesar de las tecnologías y métodos avanzados involucrados, las profundas limitaciones al esfuerzo también aumentan el riesgo de ser desviados por el tipo de suposiciones que no se pueden calcular.,
después de pasar muchos años investigando los fundamentos de la física cosmológica desde la perspectiva de la filosofía de la ciencia, no me ha sorprendido escuchar a algunos científicos hablar abiertamente de una crisis en la cosmología. En el gran «debate sobre la inflación» en Scientific American hace unos años, una pieza clave del paradigma del big bang fue criticada por uno de los proponentes originales de la teoría por haberse vuelto indefendible como teoría científica.
¿por Qué?, Porque la teoría de la inflación se basa en artificios ad hoc para acomodar casi cualquier dato, y porque su campo físico propuesto no se basa en nada con justificación empírica. Esto es probablemente porque una función crucial de la inflación es el puente de la transición de un big bang incognoscible a una física que podemos reconocer hoy en día. Entonces, ¿es ciencia o un invento conveniente?
algunos astrofísicos, como Michael J. Disney, han criticado el paradigma del big bang Por su falta de certezas demostradas., En su análisis, el marco teórico tiene muchas menos observaciones ciertas que parámetros libres para modificarlas, un llamado «significado negativo» que sería una señal alarmante para cualquier ciencia. Como Disney escribe en American Scientist: «un escéptico tiene derecho a sentir que un significado negativo, después de tanto tiempo, esfuerzo y recorte, no es más de lo que uno esperaría de un cuento popular que se reedita constantemente para adaptarse a nuevas observaciones inconvenientes.»
como discuto en mi nuevo libro, experimentos metafísicos, hay una historia más profunda detrás de los problemas actuales., La hipótesis del big bang surgió originalmente como una consecuencia indirecta de la remodelación de la relatividad general. Einstein había hecho una suposición fundamental sobre el universo, que era estático tanto en el espacio como en el tiempo, y para hacer que sus ecuaciones se sumaran, agregó una «constante cosmológica», para la cual admitió libremente que no había justificación física.,
pero cuando Hubble observó que el universo se estaba expandiendo y la solución de Einstein ya no parecía tener sentido, algunos físicos matemáticos trataron de cambiar una suposición fundamental del modelo: que el universo era el mismo en todas las direcciones espaciales pero variante en el tiempo. No insignificante, esta teoría viene con un muy prometedor boca: una posible fusión entre la cosmología y la física nuclear. ¿Podría el nuevo modelo valiente del átomo también explicar nuestro universo?,
desde el principio, la teoría solo hablaba de las consecuencias inmediatas de un evento explícitamente hipotético, cuya función principal era como una condición límite, el punto en el que la teoría se descompone. La teoría del Big bang No dice nada sobre el big bang; es más bien una posible premisa hipotética para resolver la relatividad general.
encima de esta hipótesis indemostrable pero muy productiva, piso sobre piso se ha añadido intacto, con escalas muy extendidas y nuevas discrepancias., Para explicar las observaciones de galaxias inconsistentes con la relatividad general, la existencia de la materia oscura se postuló como una forma desconocida e invisible de materia calculada para constituir más de una cuarta parte de todo el contenido de masa y energía en el universo, asumiendo, por supuesto, que el marco es universalmente válido. En 1998, cuando un conjunto de mediciones de supernovas de galaxias en aceleración parecían estar en desacuerdo con el marco, surgió una nueva teoría de una fuerza misteriosa llamada energía oscura, calculada para llenar alrededor del 70 por ciento de la masa-energía del universo.,
el quid del paradigma cosmológico actual es que para mantener una teoría matemáticamente unificada válida para todo el universo, debemos aceptar que el 95 por ciento de nuestro cosmos está provisto de elementos y fuerzas completamente desconocidos para los cuales no tenemos evidencia empírica alguna. Para que un científico tenga confianza en esta imagen requiere una fe excepcional en el poder de la unificación matemática.
al final, el enigma para la cosmología es su confianza en el marco como presupuesto necesario para llevar a cabo la investigación., A falta de una alternativa clara, como también señala el astrofísico Disney, está en un sentido pegado al paradigma. Parece más pragmático añadir nuevos pisos teóricos que repensar los fundamentos.
contrariamente al ideal científico de acercarse progresivamente a la verdad, parece más bien que la cosmología, para tomar prestado un término de los estudios tecnológicos, se ha vuelto dependiente del camino: sobredeterminado por las implicaciones de sus invenciones pasadas.,
este artículo se basa en extractos editados del libro Metaphysical Experiments: Physics and the Invention of the Universe, publicado por University of Minnesota Press.