Que savons-nous vraiment de notre univers?
né d’une explosion cosmique il y a 13,8 milliards d’années, l’univers s’est rapidement gonflé puis refroidi, il se développe toujours à un rythme croissant et est principalement composé de matière noire et d’énergie noire inconnues … droit?,
cette histoire bien connue est généralement considérée comme un fait scientifique évident, malgré le manque relatif de preuves empiriques-et malgré une récolte constante de divergences survenant avec les observations de l’univers lointain.
ces derniers mois, de nouvelles mesures de la constante de Hubble, le taux d’expansion universelle, ont suggéré des différences majeures entre deux méthodes de calcul indépendantes., Les divergences sur le taux d’expansion ont d’énormes implications non seulement pour le calcul, mais pour la validité du modèle standard actuel de la cosmologie aux échelles extrêmes du cosmos.
une autre sonde récente a trouvé des galaxies incompatibles avec la théorie de la matière noire, qui postule que cette substance hypothétique est partout. Mais selon les dernières mesures, ce n’est pas le cas, ce qui suggère que la théorie doit être réexaminée.
il vaut peut-être la peine de s’arrêter pour demander pourquoi les astrophysiciens supposent que la matière noire soit partout dans l’univers., La réponse réside dans une caractéristique particulière de la physique cosmologique qui n’est pas souvent remarquée. Une fonction cruciale des théories telles que la matière noire, l’énergie noire et l’inflation—chacune à sa manière liée au paradigme du big bang—n’est pas de décrire des phénomènes empiriques connus mais plutôt de maintenir la cohérence mathématique du cadre lui-même tout en tenant compte des observations divergentes. Fondamentalement, ce sont des noms pour quelque chose qui doit exister dans la mesure où le cadre est supposé être universellement valide.,
chaque nouvelle divergence entre l’observation et la théorie peut, bien sûr, être considérée en soi comme une promesse passionnante de plus de recherche, un raffinement progressif vers la vérité. Mais quand ils s’additionnent, ils pourraient également suggérer un problème plus confus qui n’est pas résolu en modifiant les paramètres ou en ajoutant de nouvelles variables.
considérez le contexte du problème et son historique. En tant que science mathématique, la physique cosmologique est généralement considérée comme extrêmement précise., Mais le cosmos ne ressemble à aucun sujet scientifique sur terre. Une théorie de l’univers entier, basée sur notre propre petit voisinage comme seul échantillon connu de celui-ci, nécessite beaucoup d’hypothèses simplificatrices. Lorsque ces hypothèses sont multipliées et étendues sur de vastes distances, le potentiel d’erreur augmente, et cela est encore aggravé par nos moyens très limités de test.
historiquement, les lois physiques de Newton constituaient un cadre théorique qui fonctionnait pour notre propre système solaire avec une précision remarquable., Uranus et Neptune, par exemple, ont été découverts grâce à des prédictions basées sur le modèle de Newton. Mais à mesure que les échelles augmentaient, sa validité s’est avérée limitée. Le cadre de relativité générale d’Einstein a fourni une portée étendue et plus précise au-delà des confins les plus éloignés de notre propre galaxie. Mais jusqu’où peut-il aller?,
le paradigme du big bang qui a émergé au milieu du 20e siècle étend effectivement la validité du modèle à une sorte d’infini, défini soit comme la limite du rayon de l’univers (calculé à 46 milliards d’années-lumière), soit en termes de début des temps. Ce tronçon géant est basé sur quelques découvertes concrètes, telles que L’observation D’Edwin Hubble que L’univers semble être en expansion (en 1929) et la détection du rayonnement de fond micro-ondes (en 1964)., Mais compte tenu de l’échelle impliquée, ces observations limitées ont eu une influence démesurée sur la théorie cosmologique.
il est, bien sûr, tout à fait plausible que la validité de la relativité générale se décompose beaucoup plus près de chez nous qu’au bord de la fin hypothétique de l’univers., Et si tel était le cas, l’Édifice théorique multicouche d’aujourd’hui du paradigme du big bang se révélerait être un mélange déroutant de bêtes fictives inventées pour défendre le modèle, ainsi que des variables empiriquement valides dépendant mutuellement les unes des autres au point de rendre impossible le tri de la science de la fiction.
pour compliquer ce problème, la plupart des observations de l’univers ont lieu expérimentalement et indirectement., Les télescopes spatiaux d’aujourd’hui ne fournissent aucune vue directe de quoi que ce soit—ils produisent des mesures grâce à une interaction de prédictions théoriques et de paramètres flexibles, dans lesquels le modèle est impliqué à chaque étape du processus. Le cadre encadre littéralement le problème; il détermine où et comment observer. Et donc, malgré les technologies et méthodes avancées impliquées, les limites profondes de l’effort augmentent également le risque d’être égaré par le genre d’hypothèses qui ne peuvent pas être calculées.,
après avoir passé de nombreuses années à étudier les fondements de la physique cosmologique du point de vue de la philosophie des sciences, Je n’ai pas été surpris d’entendre certains scientifiques parler ouvertement d’une crise de la cosmologie. Dans le grand « débat sur l’inflation” dans Scientific American Il y a quelques années, un élément clé du paradigme du big bang a été critiqué par l’un des partisans originaux de la théorie pour être devenu indéfendable en tant que théorie scientifique.
Pourquoi?, Parce que la théorie de l’inflation repose sur des dispositifs ad hoc pour accueillir presque toutes les données, et parce que son champ physique proposé n’est basé sur rien avec une justification empirique. C’est probablement parce qu’une fonction cruciale de l’inflation est de combler la transition d’un big bang Inconnaissable à une physique que nous pouvons reconnaître aujourd’hui. Alors, est-ce une science ou une invention pratique?
quelques astrophysiciens, tels que Michael J. Disney, ont critiqué le paradigme du big bang pour son manque de certitudes démontrées., Dans son analyse, le cadre théorique a beaucoup moins d’observations que de paramètres libres pour les modifier—une soi-disant « signification négative” qui serait un signe alarmant pour toute science. Comme L’écrit Disney dans American Scientist: « un sceptique a le droit de penser qu’une signification négative, après tant de temps, d’efforts et de rognage, n’est rien de plus que ce que l’on pourrait attendre d’un conte populaire constamment réédité pour s’adapter à de nouvelles observations peu pratiques. »
comme je le discute dans mon nouveau livre, expériences métaphysiques, il y a une histoire plus profonde derrière les problèmes actuels., L’hypothèse du big bang elle-même est apparue à l’origine comme une conséquence indirecte de la relativité générale en cours de remodelage. Einstein avait fait une hypothèse fondamentale sur l’univers, qu’il était statique à la fois dans l’espace et dans le temps, et pour faire additionner ses équations, il a ajouté une « constante cosmologique”, pour laquelle il a librement admis qu’il n’y avait aucune justification physique.,
mais lorsque Hubble a observé que L’univers était en expansion et que la solution D’Einstein ne semblait plus avoir de sens, certains physiciens mathématiques ont essayé de changer une hypothèse fondamentale du modèle: que l’univers était le même dans toutes les directions spatiales mais variant dans le temps. Non négligeable, cette théorie est venue avec un avantage très prometteur: une fusion possible entre la cosmologie et la physique nucléaire. Le nouveau modèle de l’atome pourrait-il aussi expliquer notre univers?,
dès le départ, la théorie ne parlait que de la suite immédiate d’un événement explicitement hypothétique, dont la fonction principale était une condition limite, le point où la théorie se décompose. La théorie du Big bang ne dit rien du big bang; c’est plutôt une prémisse hypothétique possible pour résoudre la relativité générale.
en plus de cette hypothèse indémontrable mais très productive, étage après étage a été ajouté intact, avec des échelles considérablement étendues et de nouvelles divergences., Pour expliquer les observations de galaxies incompatibles avec la relativité générale, l’existence de la matière noire a été postulée comme une forme de matière inconnue et invisible calculée pour représenter plus d’un quart de toute la masse-énergie contenu dans l’univers—en supposant, bien sûr, le cadre est universellement valide. En 1998, quand un ensemble de mesures de supernova de galaxies accélératrices semblait en contradiction avec le cadre, une nouvelle théorie a émergé d’une force mystérieuse appelée énergie noire, calculée pour remplir environ 70 pour cent de l’énergie de masse de l’univers.,
le nœud du paradigme cosmologique actuel est que pour maintenir une théorie mathématiquement unifiée valable pour l’univers entier, nous devons accepter que 95% de notre cosmos est fourni par des éléments et des forces complètement inconnus pour lesquels nous n’avons aucune preuve empirique. Pour qu’un scientifique ait confiance en cette image, il faut une foi exceptionnelle dans le pouvoir de l’unification mathématique.
en fin de Compte, l’énigme de la cosmologie est sa dépendance au cadre comme présupposé nécessaire pour mener des recherches., Faute d’alternative claire, comme le note également L’astrophysicien Disney, elle est en quelque sorte collée au paradigme. Il semble plus pragmatique d’ajouter de nouveaux planchers théoriques que de repenser les fondamentaux.
contrairement à l’idéal scientifique de se rapprocher progressivement de la vérité, il semble plutôt que la cosmologie, pour reprendre un terme des études technologiques, soit devenue dépendante du chemin: surdéterminée par les implications de ses inventions passées.,
cet article est basé sur des extraits édités du livre Metaphysical Experiments: Physics and the Invention of the Universe, publié par University of Minnesota Press.